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分布式卫星(Distributed Satellites, DS)合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)系统因其在全球数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)生成、地面运动目标检测等方面中的独特优势,目前已成为国内外的热点研究领域。高分辨率宽测绘带(High-Resolution and Wide-Swath,HRWS)对地观测是未来DS-SAR系统的主要发展方向之一。传统SAR系统面临“最小天线面积约束”问题,无法同时实现高分辨率和宽测绘带对地观测。多通道数字波束形成( Digital Beam-Forming,DBF)技术可有效解决这一问题。分布式卫星SAR系统利用有多种方式实现多通道体制:首先可将多个接收通道分别安装于不同的编队卫星之上,也可在各颗卫星上同时安装多个通道。利用DBF技术对这些通道回波数据进行联合处理,即可获取观测区域的HRWS SAR图像。特别是在后一种情况下,DS-SAR系统单次航过可获取多幅HRWS SAR图像。此时,系统在垂直航迹干涉构型下可通过干涉处理生成观测场景的高精度DEM。 本文针对分布式卫星HRWS SAR成像及其干涉处理开展了相关研究,主要工作可概括如下: (1)沿航向长基线DS-SAR提高方位分辨率处理技术 本文第二章研究了沿航向长基线、垂直航向短基线DS-SAR系统在主辅SAR图像重叠多普勒谱近似为零时的成像处理技术,提出了一种基于地形干涉相位反演及最大对比度优化的图像融合提升方位分辨率算法。该算法首先利用外部先验DEM信息及主辅星雷达成像几何反演观测场景的地形干涉相位,然后利用最大对比度准则估计主辅SAR图像配准误差及残留干涉相位偏差,最后利用上述估计值对主辅SAR图像进行相干相加得到一幅高分辨率的SAR图像。TerraSAR-X实测数据验证了该算法的有效性。 (2)分布式卫星方位多通道HRWS SAR系统成像处理技术 本文第三章分析了分布式卫星方位多通道HRWS SAR系统的信号模型,给出了方位多通道 HRWS SAR成像处理基本流程。并针对分布式卫星方位多通道HRWS SAR系统与常规SAR系统的主要差异,开展了以下研究工作: ?提出了一种基于空时互相关系数(Spatial and Temporal Cross-Correaltion Coefficients,STCCC)的基带多普勒中心估计算法。方位多通道HRWS SAR系统采用的脉冲重复频率低于其回波多普勒带宽,传统平均互相关系数算法无法准确估计回波信号的基带多普勒中心。STCCC算法首先计算HRWS SAR系统相邻通道间的空间互相关系数,并从系统中选取与参考通道下一方位时刻回波信号满足Nyquist采样的接收通道,求取该通道与参考通道下一方位时刻回波信号的空时互相关系数,并将这些互相关系数相乘估计得到多通道HRWS SAR系统的基带多普勒中心。此外,利用该算法还可快速估计通道间相位偏差。星载仿真数据和机载实测数据处理实验验证了STCCC算法的有效性。 ?提出了一种通道间相位偏差自适应加权最小二乘( Adaptively Weighted Least Square,AWLS)估计算法。该算法利用多普勒带宽外的信号作为校正源,通过最小化多普勒带宽外的重构信号估计通道间相位偏差。理论分析结果表明,该算法是一种通道相位偏差自适应加权最小二乘估计算法,其权值与各波达方向信号的信噪比有关。相比传统通道相位偏差估计算法,AWLS算法在通道空间近似均匀采样的情况下具有更好的通道相位偏差估计性能,特别是在低信噪比情况下。 ?给出了一种联合方位二次聚焦和几何校正的星载高分辨率 SAR成像处理器设计新思路,并对传统基于精确地形及孔径变化( Precise Topography- and Aperture-dependent,PTA)的运动补偿算法进行了改进,提出了一种基于等效速度多项式模型的星载高分辨率SAR系统方位二次聚焦处理算法。该算法首先建立了雷达等效速度与目标方位、距离及高程位置间的多项式模型,然后利用该模型及目标定位结果快速计算雷达等效速度,并以此构造多普勒域等效速度空变误差补偿函数,对传统SAR成像算法处理结果进行方位二次聚焦。仿真实验结果验证了改进PTA算法的处理性能。 (3)分布式卫星HRWS SAR系统干涉处理技术 本文第四章首先给出了分布式卫星HRWS SAR系统干涉处理流程,然后对以下三个方面开展了研究工作: ?提出了一种基于方位向相位梯度估计的长基线干涉 SAR(Interferometric SAR,InSAR)方位向预滤波处理算法。传统方位预滤波方法的处理性能随方位向相位梯度的增大而下降。针对这一问题,新算法首先对主辅SAR图像干涉相位的方位向梯度进行估计,并以此构造新的方位向预滤波器,实现高精度的长基线InSAR方位向预滤波处理。仿真及ERS-1/2实测数据实验验证了该算法的有效性。 ?提出了一种大规模数据 InSAR相位解缠绕加权枝切线( Weighted Branch-Cut,WBC)算法。传统枝切线相位解缠绕算法具有内存占用少、执行效率高等优点,但在连接枝切线时未考虑干涉相位图的质量,这将造成相位解缠绕性能下降。为解决这一问题,WBC算法首先依据干涉相位图的质量信息设置潜在枝切线的路径,然后利用这些潜在枝切线构建整幅干涉相位图的多个枝切线子网络。对各子网络进行平衡性检测及校正后,利用各子网络最小费用流(Minimum Cost Flow, MCF)优化结果确定枝切线最优连接路径,实现干涉相位图解缠绕处理。实测数据处理结果验证了该算法的有效性。 ?提出了一种分布式卫星InSAR大规模数据快速高精度目标定位算法。相比重复航过InSAR,分布式卫星InSAR系统辅星工作于双基模式下,其雷达成像几何更为复杂,定位方程很难求取闭式解。我们通过联合主图像斜距及成像多普勒中心方程对辅图像进行等效相位中心处理,将辅图像斜距方程由双基模式修正为单基模式,进而得到高精度的目标定位近似闭式解。仿真实验结果表明本文给出的近似闭式解在典型分布式卫星InSAR系统参数下的定位误差在毫米量级以内。