SAR数字成像算法

SAR Digital Imaging Algorithms

主要汇报内容：

一、SAR 的工作原理

二、主要成像算法简介

汇报人：张彦飞（博士生）

导师：关键（教授）

2005年5月14日

一、SAR 的工作原理

1 感性认识

正侧视条带(stripmap) SAR 的空间几何关系（正视图）

正侧视条带SAR 的空间几何关系（后视图）

SAR 的天线位置与点目标的几何关系

SAR的天线为什么要侧视工作？技术上可以提高距离向在地面上的分辨率；

战术上可以在远距离上实施对战场的侦察。

SAR天线侧视的作用

从不同角度对SAR的工作原理的理解

（1）从阵列天线上看

实孔径ULA 阵列天线

一个小孔径的天线在直线上移动形成的合成阵列天线可以等效于上面的实孔径ULA 阵列天线 但是两者还有以下的重要区别：

SAR 与实孔径阵列雷达的区别：

实孔径雷达 目标在远区场（夫琅和费区）； R p >2D 2/λ 平面波 单程相移

SAR 目标在近区场（菲涅尔区）； R p <2L 2S /λ 球面波 双程相移

0/,s D L R θλθ==, 例如：X 波段，波长 3cm ，D=2m ，R 0=20公里，得到：合成孔径长度L S =300米，2D 2/λ=267米，2L 2S /λ=6000公里。 见下图

实孔径阵列天线合成阵天线

（2）从匹配滤波上看

频域上：匹配滤波器-------相位校正网络--------移相（延时）和相加

SAR的聚焦过程与匹配虑波作用的类比

匹配虑波作用：对信号进行：相位校正（同相）和同相相加

（3）从相关接收看：时域处理，与频域上的匹配滤波等价。匹配滤波器的输出就是输入信号的自相关函数。

（4）从脉冲压缩上看：对线调频信号，‘压缩’滤波器就是‘匹配’滤波器。

（5）从多普勒效应上看。对时间（距离）的分辨可以转化为对频率的分辨（因为：SAR回波的平方相位的线性调频特性使时间（距离）和频率二者有线性关系。）

SAR的近似简化物理模型：

雷达在一个位置发射并在同一位置接收，然后跳到下个位置发射和接收。如此继续下去。这种近似对每次发、收显然是合理的。因为在一次发、收中可以不计多普勒频移，即认为发、收位置重合。这种近似对若干次发、收一起考虑也是允许的。因为实际雷达天线在发、收之间的位移是很小的(小于方位分辨单元宽度)。这里只不过是把距离随时间的连续变化用小阶梯变化近似而已。

SAR 系统的两种时间：

SAR 的点目标回波信号为： 2222()()22(,)Re{([1])exp[([1])]}22a a r c v s X v s X R R s s t K t j t c R c R μω--=-+-+ 这样就有两种时间概念：

（1）“快”时间（距离时间）： t

在一个脉冲重复周期内，电波在SAR 与目标之间的往返时间。包含在信号包络函 数和相位函数中的时间，反映信号的变化。

（2）“慢”时间（方位时间）：/a s x v =

代表SAR 在方位上的位置。仅包含在信号延迟中的时间．反映载机运动引起的位置变化。 “慢”时间与多普勒频率特性具有锁定关系。

在信号的持续时间里，载机前进所引起的雷达位置的变化是微不足道的，可以忽略。 在考虑信号变化的“快”时间间隔(即信号持续时间)里，“慢”时间变化为零．也就是说，两者可以分开． 随“快”时间而变的信号决定了雷达的距离向分辨率，而 随“慢”时间而变的载机运动，则决定了雷达方位向分辨率。

几个强调的问题

（1）SAR 的角度（横向）分辨力

常规雷达：a B R R

k D λρθ== 非聚焦SAR ：2a R ρλ （不做相位校正，只有波程差在1/8波长内（90度相位差）

的数据可以使用。）

聚焦SAR ：a ρ=D/2 （只在Frensel 菲涅耳近似的条件下）。 曲线见下图示。

图1 SAR 与常规雷达角度（横向）分辨力的比较

注意：并不是D 无限小，聚焦SAR 的角度（横向）分辨力可以无限制的改善。其极限数值是雷达波长的四分之一。原因是当D 无限小时，Frensel 近似不再成立。a ρ=D/2 只在Frensel 菲涅耳

近似的条件下才成立。不作Frensel 近似，回波信号的瞬时频率2

224()()a a v t f t R v t π

λ=-+

D 无限小，小天线的波束角加大，合成孔径长度L S 加大，合成孔径时间加大，由上图可知，回

波信号的瞬时频率趋向一个固定值，导致多普勒带宽也趋向一个极限值。

（2）SAR的模糊问题

因为SAR是大面积成像的雷达。SAR在任一时刻收到的回波信号都不是从一个点目标来的回波．而是同时到达SAR的所有点目标的回波。假设SAR的观测带宽度为W，观测带内的目标形成的回波经过N个脉冲重复周期后回到雷达，雷达的脉冲重复频率为PRF，为了不出现发射脉冲干扰．则要求观测带内所有的回波能够在同一脉冲重复间隔内到达接收机。但是雷达天线的方向图存在旁辩．也一定能接收来自观测带以外区域来的回波幅号。这些信号是观测带区域的成像信号的干扰信号，我们称之为模糊噪声，因为它不同于白噪声。它们不是随机噪声而是依赖于雷达发射信号的噪声．同时它的大小还与地面后向散射系数、雷达天线口面和脉冲重复频率有关。一般脉冲方式工作的SAR．不能区分出从成像观测带来的回波信号和模糊噪声。

距离模糊

是指前后发射周期的一些回波信号会伴随着所期望的发射周期的回波信号同时被雷达接收，在距离向上产生模糊噪声。如图所示。

SAR的距离模糊原理图

在距离向．假设某一区域的回波延时和观测带内目标的回波延时相差正好整数倍个脉冲重复周期．则就形成了模糊距离，产生模糊信号的那个区域即为距离模糊区，见图示