机载下视觉阵列三维SAR运动补偿方法研究

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机载下视阵列三维SAR通过跨航向的阵列天线,航迹向的合成孔径和波传播方向的宽带信号实现对机底观测场景的三维分辨,其下视模式有效解决了侧视SAR叠掩、阴影、几何形变等问题,广泛应用于城市测绘、军事侦察、三维形变监测等领域。然而,和传统SAR一样,载机的运动误差会改变天线相位中心位置,引入回波相位误差,影响成像质量,而阵列结构使得运动误差的影响更为复杂。为了获取高质量的三维成像结果,本文从运动误差影响分析出发,结合典型三维成像算法,研究了平动误差和姿态角误差单独存在及共同存在时,机载下视阵列三维SAR的运动补偿方法。具体研究工作如下:  1.研究了三种典型三维成像算法,包括三维RD算法,基于跨航向波数域插值的算法和三维波数域插值算法。介绍了算法的原理和实现流程,比较了各算法的适用场合,并针对精度较高的三维波数域算法进行了仿真验证。  2.建立了机载下视阵列三维SAR运动误差模型,分别研究了平动误差和姿态角误差对阵列天线各阵元相位中心位置及回波相位误差的影响,并利用概率统计的方法比较了不同方向误差的影响大小,得到如下结论:平动误差中,高程向误差影响最大;姿态角误差中,横滚角误差影响最大。最后通过计算机仿真进行了验证并给出了不同误差下的成像指标。  3.研究了平动误差的补偿方法。针对缓变误差,提出了基于航迹向空域分块的波数域补偿方法,将回波在航迹向空域进行分块,并假设误差在子块内不变,从而在航迹向波数域进行补偿。针对快速变化的误差,提出了基于航迹向波数域分块的空域补偿方法,利用航迹向波数和目标位置的对应关系,在航迹向波数域计算距离误差,消除了误差的空变性,从而在航迹向空域进行逐点精确补偿,不受误差变化形式的限制。仿真结果验证了两种方法的有效性。  4.研究了姿态角误差的补偿方法。针对横滚角误差,提出了基于跨航向波数域分块的补偿方法,利用跨航向波数和目标位置的对应关系,在跨航向波数域计算距离误差,消除误差的空变性,从而在跨航向空域逐阵元、在航迹向空域逐采样点进行补偿,不受误差变化形式的限制。针对偏航角误差,提出了基于二维波数域分块的补偿方法,利用航迹向和跨航向二维波数和目标位置的对应关系,在二维波数域计算距离误差,消除了误差的空变性,从而在航迹向和跨航向二维空域进行精确补偿,不受误差变化形式的限制。最后通过计算机仿真进行了验证。  5.研究了平动误差和姿态角误差同时存在时的综合运动误差补偿方法。根据运动误差和瞬时频率的关系,提出了基于二维波数域分块及距离分块的补偿方法,利用航迹向波数和跨航向波数与目标位置的关系,在二维波数域及距离空域分块计算距离误差,消除了误差空变性,并在航迹向和跨航向二维空域进行补偿,不受误差变化形式的限制。仿真结果和地面验证系统试验数据的处理结果证明了该方法是有效的。
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