曲线轨迹SAR的信号处理与成像研究

作     者：孟亭亭 

作者单位：华侨大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭鸽伟;王宇

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：CTSAR 三维空间变量 正交分解 频域算法 等效Chirp Scaling算法 

摘      要：随着雷达技术的发展和应用需求的增加,曲线轨迹合成孔径雷达(Curve Trajectory Synthetic Aperture Radar,CTSAR)应势而生,它能解决一些特殊区域的观测问题,具有更大的灵活性,机动性和自主性。三维加速度的存在,使CTSAR的斜距更趋复杂,从而增加了CTSAR信号处理的难度。传统直线运动轨迹合成孔径雷达(Linear Trajectory Synthetic Aperture Radar,LTSAR)下的成像算法不再适用。本课题以CTSAR高分辨率成像为目的,以频域和时-频域相结合的实时成像处理框架为前提,分析具有三维空间速度和加速度的CTSAR信号特性,并探索信号聚焦技术。首先,由CTSAR系统的几何模型,建立斜距表达式。在曲线运动轨迹模式下,结合SAR平台的运动特性,按照运动学理论,将曲线运动分解为X、Y、Z三个坐标轴方向的运动,每个方向均存在初始速度和加速度。根据三维几何模型搭建三维数学模型,构建斜距历程的函数表达式。由于机载CTSAR的复杂斜距模型限制了后续成像算法的构建,所以对该斜距模型分别进行Taylor近似和Chebyshev近似,从而降低了成像算法设计的复杂度,为CTSAR高分辨率成像算法的研究奠定基础。其次,根据机载CTSAR的斜距,建立回波信号模型。利用驻留相位原理和级数反演法将回波信号变换到二维频域,得到回波信号的二维频谱表达式。曲线历程使二维频谱的距离和方位的耦合更为复杂,增加了曲线SAR成像处理的难度。为此,论文分别利用Legendre和Chebyshev多项式对二维频谱进行正交分解近似,以达到解除耦合,实现相位补偿的目的。在此基础上,提出适用于机载CTSAR的扩展的频域成像算法,推导出了各阶相位补偿函数,实现了曲线轨迹SAR的高分辨率成像,并分析了聚焦质量。最后,针对传统Chirp Scaling成像算法无法满足具有三维速度和加速度的CTSAR的高分辨成像的现状,提出与三维曲线轨迹斜距相匹配的等效Chirp Scaling成像算法。将原始斜距等效成传统直线运动轨迹模式下的双曲斜距模型,再加上斜距补偿项。此等效斜距确保了成像的分辨率。推导了与等效斜距模型匹配的等效Chirp Scaling算法中的回波信号和频域中相应的相位函数。通过仿真实验证明,此算法的成像品质较好,满足成像要求。