合成孔径雷达SAR的点目标仿真成像

合成孔径雷达(SAR)的点目标仿真成像

电子与通信工程 侯智深 MF0923008

一． S AR 原理简介

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar ，简称SAR)是一种高分辨率成像雷达技术。它利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率，利用合成孔径原理获得高的方位向分辨率，从而获得大面积高分辨率雷达图像。

SAR 回波信号经距离向脉冲压缩后，雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：2r r

C B ρ=，式中r ρ表示雷达的距离分辨率，r B 表示雷达发射信号带宽，C 表示光速。同样，SAR 回波信号经方位向合成孔径后，雷达的方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定：a a a

v B ρ=，式中a ρ表示雷达的方位分辨率，a B 表示雷达方位向多谱勒带宽，a v 表示方位向SAR 平台速度。

二． S AR 的成像模式和空间几何关系

根据SAR 波束照射的方式，SAR 的典型成像模式有Stripmap(条带式)，Spotlight(聚束式)和Scan(扫描模式)，如图。条带式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像最简单最有效的方式；聚束式成像是在一次飞行中，通过不同的视角对同一区域成像，因而能获得较高的分辨率；扫描模式成像较少使用，它的信号处理最复杂。

SAR 典型的成像模式

这里分析SAR 点目标回波时，只讨论正侧式Stripmap SAR ，正侧式表示SAR 波束中心和SAR 平台运动方向垂直，如图2.2，选取直角坐标系XYZ 为参考坐标系，XOY 平面为地平面；SAR 平台距地平面高h ，沿X 轴正向以速度V 匀速飞行；P 点为SAR 平台的位置矢量，设其坐标为(x,y,z)； T 点为目标的位置矢量，设其坐标为(,,)T T T x y z ；由几何关系，目标与SAR 平台的斜距为：

(PT x =由图可知：0,,0T y z h z ===；令x vs =⋅，

其中v 为平台速度，s 为慢时间变量（slow time ），

假设T x vs =，其中s 表示SAR 平台的x 坐标为T x

的时刻；再令r =

，r 表示目标与SAR 的垂直斜距，重写2.1式为：

(;)PT R s r = =(;)R s r 就表示任意时刻s

时，目标与雷达的斜距。一般情况下，0v s s r -<<，于是上式可近似写为：

2

20(;)()2v R s r r s s r =≈+- 可见，斜距是s r 和

的函数，不同的目标，r 也不一样，但当目标距SAR 较远时，在观测带内，可近似认为r 不变，即0r R =。

空间几何关系 (a)正视图 (b)侧视图

图 (a)中，Lsar 表示合成孔径长度，它和合成孔径时间Tsar 的关系是Lsar vTsar =。(b)中，θ∆为雷达天线半功率点波束角，θ为波束轴线与Z 轴的夹角，即波束视角，min R 为近距点距离，max R 为远距点距离，W 为测绘带宽度，它们的关系为：

22min ()

max (max min

R H tg R H tg W R R θθθθ∆∆=⋅-=⋅+=-

三．点目标SAR的成像处理算法仿真

SAR的回波数据不具有直观性，不经处理人无法理解它。从原理上讲，SAR成像处理的过程是从回波数据中提取目标区域散射系数的二维分布，本质上是一个二维相关处理过程,因此最直接的处理方法是对回波进行二维匹配滤波，但其运算量很大，再加上SAR的数据率本来就高，这使得实时处难于实现。通常，可以把二维过程分解成距离向和方位向两个一维过程，Range-Dopper Algorithm（简称RD算法）就是采用这种思想的典型算法。

SAR的点目标仿真结果

两点目标的回波仿真3D图

两点目标压缩后的3dB等高线图

附录：SAR的点目标仿真Matlab程序

主程序：stripmapSAR.m

%%================================================================ %%Filename: stripmapSAR.m

%%Help file: stripmapSAR.doc

%%Project: Stripmap SAR Simulation using point targets and Reconstrction

%% with Range-Doppler Algorithm

%%Author: houzhishen ,nju,2010/6

%%================================================================ clear;clc;close all;

%%================================================================ %%Parameter--constant

C=3e8; %propagation speed

%%Parameter--radar characteristics

Fc=1e9; %carrier frequency 1GHz

lambda=C/Fc; %wavelength

%%Parameter--target area

Xmin=0; %target area in azimuth is within[Xmin,Xmax]

Xmax=50;

Yc=10000; %center of imaged area

Y0=500; %target area in range is within[Yc-Y0,Yc+Y0]

%imaged width 2*Y0

%%Parameter--orbital information

V=100; %SAR velosity 100 m/s

H=5000; %height 5000 m

R0=sqrt(Yc^2+H^2);

%%Parameter--antenna

D=4; %antenna length in azimuth direction

Lsar=lambda*R0/D; %SAR integration length

Tsar=Lsar/V; %SAR integration time

%%Parameter--slow-time domain

Ka=-2*V^2/lambda/R0; %doppler frequency modulation rate

Ba=abs(Ka*Tsar); %doppler frequency modulation bandwidth

PRF=Ba; %pulse repitition frequency

PRT=1/PRF; %pulse repitition time

ds=PRT; %sample spacing in slow-time domain

Nslow=ceil((Xmax-Xmin+Lsar)/V/ds); %sample number in slow-time domain

Nslow=2^nextpow2(Nslow); %for fft

sn=linspace((Xmin-Lsar/2)/V,(Xmax+Lsar/2)/V,Nslow);%discrete time array in slow-time domain PRT=(Xmax-Xmin+Lsar)/V/Nslow; %refresh

PRF=1/PRT;

ds=PRT;

fu=linspace(-1/2/PRT,1/2/PRT,Nslow);%fu域序列

%%Parameter--fast-time domain

Tr=5e-6; %pulse duration 10us

Br=30e6; %chirp frequency modulation bandwidth 30MHz

Kr=Br/Tr; %chirp slope

Fsr=3*Br; %sampling frequency in fast-time domain

dt=1/Fsr; %sample spacing in fast-time domain

Rmin=sqrt((Yc-Y0)^2+H^2);