多通道高分宽幅SAR成像及运动误差补偿技术研究

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合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)因其具有全天时、全天候进行微波遥感成像的能力,被广泛地应用于军事侦察、资源勘探、灾害预警和地理测绘等领域。高分宽幅SAR能同时获得高分辨和宽测绘带图像,可以提高成像质量和效率,是SAR一直致力发展的目标。然而,传统的单通道SAR系统难以同时获得方位向高分辨率和距离向宽测绘带,因为方位向高分辨率需要采用较高的脉冲重复频率,而为了避免距离向模糊需要采用较低的脉冲重复频率,两者相互制约相互矛盾。为解决该问题,近年来常采用方位向多通道SAR系统结构,该系统可以通过发射较低的脉冲重复频率信号避免距离向模糊,并利用方位向多通道同时接收回波信号,通过组合多通道信号提高方位空间采样频率避免方位模糊。但是在实际应用中多通道SAR系统通常存在方位向周期非均匀采样,导致成像结果方位模糊。另外,由于多通道的不一致性和天线位置偏移,多通道系统存在幅度误差、相位误差、基线误差等误差,导致重构质量下降难以有效抑制方位模糊。此外,高分宽幅成像中由运动误差引起的空变相位误差和多通道运动误差难以补偿,导致成像质量降低。为此本文针对多通道高分宽幅SAR成像中存在的方位非均匀采样、通道误差和运动误差等问题展开了深入研究,主要内容和创新点如下:1、针对多通道SAR系统方位向非均匀采样导致成像结果方位模糊的问题,提出了基于时域和频域后向投影(Back Projection,BP)的图像域重构方法。首先推导了基于时域插值的重构模型,提出了基于时域BP的图像域重构(Image Domain Reconstruction,IDR)方法。该方法利用多通道回波数据构造子图回波数据,并利用BP算法对子图回波数据进行成像,再利用重构系数在图像域对子图加权融合获得无模糊成像结果。该方法的优点是在图像域进行重构,即在重构前完成成像,将重构过程简化为了图像融合,方便更新重构结果,并且可适用于满足一定约束条件的机动轨迹高分宽幅SAR成像。实验结果表明,IDR能有效地抑制方位模糊;尤其相比于时域插值重构算法和传递函数法,IDR可有效实现曲线运动轨迹的高分宽幅SAR成像,扩大了适用范围。为了提高IDR算法的效率,提出了基于频域BP的图像域重构(Frequency Domain BP based IDR,FDBP-IDR)方法。该方法首先构造子图回波频谱,然后计算图像频谱的后向投影索引,并利用后向投影索引在频域进行后向投影获得每个子图的图像频谱,最后将子图的图像频谱转换到图像空间域后进行图像重构。该方法利用频域BP原理在频域完成回波数据的后向投影,并根据每个子图频谱后向投影索引相同的特点减少了后向投影索引的计算。仿真实验结果表明,相比于IDR,FDBP-IDR在保持了相当的图像质量的同时提高了计算效率。2、针对多通道SAR系统中存在通道幅度、相位和基线等多误差导致的重构质量下降问题,提出了子图局部区域最小熵重构(Sub-Image Local Area Minimum Entropy Reconstruction,SILAMER)方法。分析了通道幅度、相位和基线误差同时存在时IDR重构质量下降的问题,提出了SILAMER方法。该方法首先采用后向投影算法生成子图;然后建立重构系数和通道补偿相位估计模型,该模型通过最小化子图局部区域重构图像熵估计出最优的重构系数和通道补偿相位,这里选择每个子图的局部区域而不是整个区域作为估计算法的输入极大地提高了估计效率;最后利用估计出的值对子图进行加权和相位校正以获得无模糊图像。由于该方法是通过估计的最优重构系数和补偿相位来达到图像评价指标最优,故所提方法对同时存在多种误差的情况具有良好的适应性。实验结果表明,所提的SILAMER方法对存在多种误差的多通道SAR实现了无模糊成像,解决了IDR方法的不足。而且该方法能实现多种误差下的曲线轨迹SAR重构,并且对低信噪比回波数据进行重构依然表现良好。3、针对平台运动误差引起的相位空变性和多通道间误差差异性导致补偿困难的问题,提出了基于子图重构的多通道运动误差补偿(Sub-Image Reconstruction Motion Errors Compensation,SI-MEC)方法。首先分析了在高分宽幅多通道SAR成像中平台运动误差引起的相位空变性问题以及通道之间误差的差异性问题,这种空变性和差异性导致传统的运动误差补偿方法有效性降低,不能充分补偿运动误差。为此提出了SI-MEC方法。该方法首先进行初步成像并选择成像中多个区域强点,再建立运动误差估计模型,该模型通过最大化多区域强点的强度估计出平台的运动误差。然后结合多通道几何结构关系对各通道子图对应的等效相位中心进行校正,并进行子图成像,完成各通道运动误差补偿。最后通过对子图加权完成重构,获得高质量图像。该算法利用多区域多强点来估计运动误差,可获得更高精度的等效相位中心校正值,再结合BP算法实现对每个像素的相位误差补偿,提高了对空变相位的补偿能力;另外该方法是在重构前完成了对各通道的不同运动误差的补偿,提高了对通道间差异性运动误差的补偿能力。实验结果表明,和两种传统的运动误差补偿方法(PGA和BP-FMSA)相比,所提的SI-MEC方法的成像结果的图像熵最小,提高了运动误差下高分宽幅SAR成像质量。
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