雙站SAR成像處理技術(shù)

前言

　　合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）是一種利用多普勒效應(yīng)和脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨的微波成像雷達(dá)。自1951年美國(guó)的Wiley提出合成孔徑的概念以來(lái)，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，SAR已廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海洋觀測(cè)、資源勘查、地質(zhì)測(cè)繪：精細(xì)農(nóng)業(yè)、政府公共決策及軍事偵察等各方面，發(fā)揮著不可替代的重要作用。隨著應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，軍事和民用領(lǐng)域新要求的不斷提出，目前，SAR正向著高分辨、寬覆蓋、多極化、三維分辨等方向發(fā)展。為了更好地實(shí)現(xiàn)上述目的，SAR的體制也正從傳統(tǒng)的單一平臺(tái)體制向基于多平臺(tái)的分布式體制發(fā)展，雙站SAR作為SAR從單平臺(tái)向多平臺(tái)發(fā)展的第一步，具有非常重要的地位。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，雙站SAR受到了國(guó)際上的普遍關(guān)注和大力發(fā)展，目前，正在從理論研究和演示試驗(yàn)階段向?qū)嶋H應(yīng)用階段進(jìn)發(fā)。　　信號(hào)處理是雙站SAR的關(guān)鍵問(wèn)題之一，同時(shí)也是雙站SAR的一個(gè)難點(diǎn)。隨著雙站SAR受到越來(lái)越多的關(guān)注，近年來(lái)，有關(guān)雙站SAR信號(hào)處理的研究層出不窮優(yōu)其在成像處理方面，已涌現(xiàn)了許多新的理論和方法，取得了頗為豐碩的研究成果。然而，目前國(guó)內(nèi)外還均未見(jiàn)雙站SAR成像處理方面的著作，以梳理并總結(jié)該方面的研究成果和發(fā)展?fàn)顩r。本書(shū)正是在這樣的背景下，圍繞雙站SAR的信號(hào)處理難題，以成像處理為重點(diǎn)，從分辨性能分析、回波仿真、成像算法、參數(shù)估計(jì)及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幾個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的闡述。本書(shū)以作者近年來(lái)的研究工作為基礎(chǔ)和線索，融入了其他研究者的研究成果，力圖較為全面地呈現(xiàn)此領(lǐng)域目前的發(fā)展?fàn)顩r，從而為致力于新體制SAR信號(hào)處理研究的碩士生、博士生和其他科研人員提供有益的參考，也為推動(dòng)我國(guó)SA_R信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力?！　”緯?shū)策劃過(guò)程得到了中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所科技信息中心副主任王桂穎老師的真誠(chéng)幫助；撰寫(xiě)過(guò)程中，孟大地博士、韓冰博士分別為本書(shū)第8章和第2章的撰寫(xiě)提供了豐富的材料，李芳芳、韓偉等同學(xué)為本書(shū)的許多概念性示意圖付出了辛苦的勞動(dòng)。此外，本書(shū)的出版得到了國(guó)家863計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2009AA7010113）和中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)獎(jiǎng)科研啟動(dòng)專項(xiàng)資金的資助，在此一并表示衷心感謝。同時(shí)，還要感謝中國(guó)科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持，尤其感謝SAR數(shù)據(jù)處理研究小組所有成員的幫助，特別感謝作者家人的支持和鼓勵(lì)?！　∮捎谧髡咚接邢蓿瑫?shū)中難免存在不妥之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書(shū)深入探討了雙站SAR中的信號(hào)處理問(wèn)題，以成像處理為重點(diǎn)，從分辨性能分析、回波仿真、成像算法、參數(shù)估計(jì)及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幾個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的闡述。為便于讀者理解，第2章介紹了傳統(tǒng)單站SAR的分辨原理和幾種經(jīng)典的成像算法以作為雙站SAR信號(hào)處理的基礎(chǔ)；此外，在介紹回波仿真、參數(shù)估計(jì)及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法時(shí)，也涉及了一些單站SAR的內(nèi)容以便于雙站SAR的方法與之對(duì)比?！　”緯?shū)可供從事SAR信號(hào)處理(尤其是新體制SAR信號(hào)處理)的研究人員和技術(shù)人員，以及致力于SAR信號(hào)處理究的碩士生、博士生參考閱讀。對(duì)SAR的初學(xué)者也提供了入門級(jí)的幫助。

書(shū)籍目錄

前言 第1章 緒論 　1.1 SAR發(fā)展概況 　　1.1.1 SAR發(fā)展歷史 　　1.1.2 SAR發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 　1.2 雙站SAR簡(jiǎn)介 　　1.2.1 雙站SAR基本概念 　　1.2.2 雙站SAR的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景 　　1.2.3 雙站SAR的發(fā)展現(xiàn)狀 　　1.2.4 雙站SAR的關(guān)鍵問(wèn)題 　1.3 本書(shū)內(nèi)容概要 　參考文獻(xiàn) 第2章 SAR信號(hào)處理基礎(chǔ) 　2.1 SAR的距離分辨 　　2.1.1 距離分辨的基本概念 　　2.1.2 雷達(dá)分辨的經(jīng)典理論 　　2.1.3 線性調(diào)頻脈沖 　　2.1.4 匹配濾波器 　2.2 SAR的方位分辨 　　2.2.1 方位分辨的基本概念 　　2.2.2 合成孔徑的基本原理 　　2.2.3 合成孔徑的匹配濾波實(shí)現(xiàn) 　2.3 SAR的分辨單元 　2.4 SAR處理的理論模型——單點(diǎn)目標(biāo)成像 　　2.4.1 單點(diǎn)目標(biāo)SAR回波模型 　　2.4.2 單點(diǎn)目標(biāo)成像 　2.5 SAR快速處理方法簡(jiǎn)介 　　2.5.1 RD算法 　　2.5.2 CS算法 　　2.5.3 ω—k算法 　2.6 小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第3章 雙站SAR成像基礎(chǔ) 　3.1 雙站SAR模式分類 　3.2 雙站SAR雷達(dá)方程 　3.3 雙站SAR空間分辨率 　　3.3.1 距離向分辨率 　　3.3.2 方位向分辨率 　　3.3.3 雙站SAR分辨單元 　3.4 小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第4章 雙站SAR回波仿真 　4.1 引言 　4.2 傳統(tǒng)的單站SAR回波仿真方法 　　4.2.1 回波模型及仿真原理 　　4.2.2 回波仿真的實(shí)現(xiàn)方式 　　4.2.3 仿真示例 　4.3 移不變模式雙站SAR的回波仿真方法 　　4.3.1 短基線移不變模式雙站SAR的回波仿真方法 　　4.3.2 長(zhǎng)墓線移不變模式雙站SAR的回波仿真方法 　4.4 小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第5章 移不變模式雙站SAR成像算法 　5.1 引言 　5.2 基于單站轉(zhuǎn)化的成像方法 　　5.2.1 DMO方法 　　5.2.2 DMO方法的窄波束合成解釋 　5.3 基于單站等效的成像算法 　　5.3.1 基于基線中點(diǎn)單站等效的成像算法 　　5.3.2 基于雙曲等效的成像算法 　5.4 基于顯式頻譜近似的成像算法 　　5.4.1 LBF成像算法 　　5.4.2 MSR成像算法 　　5.4.3 基于IDW的成像算法 　5.5 基于隱式頻譜分解的成像算法 　　5.5.1 隱式頻譜表達(dá)式 　　5.5.2 隱式頻譜分解方法 　　5.5.3 隱式頻譜分解誤差 　　5.5.4 誤差補(bǔ)償方法 　　5.5.5 仿真示例 　5.6 算法比較 　　5.6.1 波數(shù)域算法的比較 　　5.6.2 雙曲等效多普勒域算法與Ender算法的比較 　5.7 小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第6章 移變模式雙站SAR成像算法 　6.1 引言 　6.2 一站固定模式成像算法 　　6.2.1 幾何模型和信號(hào)特性 　　6.2.2 距離空變性的處理方法 　　6.2.3 方位空變性的處理方法 　　6.2.4 一站固定模式NLCS算法流程 　6.3 勻速移變模式成像算法 　　6.3.1 幾何模型和信號(hào)特性 　　6.3.2 改進(jìn)的高效NuSAR算法 　　6.3.3 圖像畸變及幾何校正 　　6.3.4 仿真結(jié)果 　6.4 小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第7章 雙站SAR特殊應(yīng)用模式及成像算法 　7.1 引言 　7.2 雙站SAR前視成像研究 　　7.2.1 前視雙站SAR構(gòu)型 　　7.2.2 前視成像的二維分辨能力 　　7.2.3 前視雙站SAR的信號(hào)特性及成像算法 　　7.2.4 仿真實(shí)驗(yàn) 　7.3 雙站SAR三維分辨研究 　　7.3.1 高程影響與雙站SAR構(gòu)型參數(shù)的關(guān)系式 　　7.3.2 高程已知的成像方案 　　7.3.3 雙站SAR三維特性的應(yīng)用潛力 　7.4 小結(jié) 　參考文獻(xiàn) 第8章 雙站SAR參數(shù)估計(jì)及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 　8.1 引言 　8.2 運(yùn)動(dòng)誤差影響分析 　　8.2.1 姿態(tài)誤差分析 　　8.2.2 運(yùn)動(dòng)誤差分析 　8.3 多普勒參數(shù)估計(jì)方法 　　8.3.1 中心頻率定義 　　8.3.2 基于時(shí)頻域預(yù)濾波的中心頻率估計(jì)方法 　8.4 SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償原理及方法 　　8.4.1 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕驹?　　8.4.2 基于傳感器的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 　　8.4.3 基于SAR數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 　8.5 小結(jié) 　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　雷達(dá)的英文原意為“無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距（radio detection and ranging）”，它是利用電磁波對(duì)障礙物（目標(biāo)）的反射特性來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在的目標(biāo)。雷達(dá)可以探測(cè)到的目標(biāo)類型非常廣泛，從建筑物、公路、橋梁、車輛、飛機(jī)、船舶等人造物體到山脈、河流、森林、沙漠、海浪等自然界地貌都可以成為雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)；而且，雷達(dá)探測(cè)不受氣象因素的影響，可以在黑暗、云雨條件下發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距目標(biāo)的存在。由于雷達(dá)具有這些特點(diǎn)，使得其自第二次世界大戰(zhàn)出現(xiàn)以來(lái)，日益成為微波遙感領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，在遙感應(yīng)用的各個(gè)方面都扮演著越來(lái)越重要的角色。雷達(dá)的發(fā)展歷史自始至終都同軍事應(yīng)用發(fā)生著緊密的聯(lián)系，由于雷達(dá)在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、目標(biāo)監(jiān)視、武器制導(dǎo)等方面表現(xiàn)出來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)，極大地刺激了主要工業(yè)強(qiáng)國(guó)對(duì)雷達(dá)研究的興趣，成為戰(zhàn)后雷達(dá)技術(shù)突飛猛進(jìn)的原動(dòng)力，SAR就是在這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的一種嶄新的高分辨雷達(dá)體制。　　1.1.1 SAR發(fā)展歷史　　SAR是一種可實(shí)現(xiàn)二維高分辨率的微波主動(dòng)成像雷達(dá)。合成孔徑的概念最初是為改善雷達(dá)方位分辨率而提出的，在此之前，一般的機(jī)載雷達(dá)采用真實(shí)孔徑方法以獲得地面測(cè)繪區(qū)域的圖像，即利用天線波束的方向性來(lái)區(qū)分不同的方位位置。真實(shí)孑L徑雷達(dá)的方位分辨存在一種固有的缺陷，即其方位分辨率與雷達(dá)和探測(cè)目標(biāo)之間的距離有關(guān)，在一定的雷達(dá)波長(zhǎng)和天線尺寸限制條件下，隨著雷達(dá)和探測(cè)目標(biāo)之間距離的增大，雷達(dá)方位分辨率逐漸降低。為獲得遠(yuǎn)距離地區(qū)目標(biāo)的高分辨率圖像，就必須將天線波束做得非常窄，而窄波束的形成是通過(guò)把雷達(dá)天線做大的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于機(jī)載成像雷達(dá)來(lái)說(shuō)，雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離通常為幾十公里至一百公里；對(duì)于星載成像雷達(dá)，雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離可高達(dá)數(shù)百公里。這樣，僅僅要達(dá)到幾十米的方位分辨率，就需要將雷達(dá)天線做到幾公里甚至幾十公里，這在實(shí)際中是根本不可能實(shí)現(xiàn)的?！　榻鉀Q真實(shí)孔徑成像雷達(dá)低方位分辨率的問(wèn)題，人們一直在尋找各種新的方法。1951年，美國(guó)Goodyear公司的Wiley首先提出通過(guò)頻率分析的方法改善雷達(dá)的方位分辨率，從此奠定了SAR的理論基礎(chǔ)。1953年7月，伊利諾依大學(xué)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室采用非聚焦型合成孔徑的方法得到第一張SAR圖像。

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