非正交发射的宽域高分辨MIMO InSAR成像模式研究

MIMO InSAR具有比多基线InSAR更稳健和精确的地形高程重建能力,但其关键技术之一是在各阵元接收端分离出源自不同阵元发射信号的回波。现有正交信号正交性不足,依赖它们实现回波分离会产生严重回波间相互干扰。为此,该文提出了一种非正交发射的MIMO InSAR成像模式,该模式首先通过控制各阵元交替发射信号,使其主瓣回波交替出现在各脉冲重复周期,此时只需压低各阵元天线俯仰维旁瓣即可大幅降低回波间的相互干扰,从而避免回波分离对发射信号正交性的依赖。在此模式基础上,该文又引入基于方位向多通道处理的波束扫描技术以缓解交替发射时方位不模糊与距离不模糊之间矛盾,从而实现宽域、高分辨观测。仿真结果证明了该文MIMO InSAR成像模式的有效性。     

星载多站方位多通道高分辨宽测绘带SAR成像

结合数字波束形成技术,星载方位多通道合成孔径雷达(SAR)系统可以克服最小天线面积限制,实现高分辨宽测绘带(High Resolution and Wide Swath, HRWS)SAR成像。结合多站SAR系统即可实现高分辨干涉合成孔径雷达(Interferometric SAR, InSAR)地形测绘。该文通过分析星载多站模式下各接收通道接收回波的信号模型,推导得到了其相对于参考接收通道接收回波的通用相位补偿公式,该公式同时补偿了由沿航向和垂直航向基线引起的相位误差,然后对基于最优Capon法的多相位中心解模糊成像的保相性进行了分析证明,由此得到了解模糊后每个方位时刻回波所对应的卫星轨道信息,为后续干涉处理及目标定位等奠定基础,最后利用地球椭球模型仿真的星载双通道多普勒模糊回波数据验证了该文方法的有效性。     

基于多快拍图像联合的MIMO雷达三维成像方法

为了提高多输入多输出(MIMO)雷达三维成像沿运动方向的方位分辨率,该文从多快拍图像联合利用的角度入手,提出一种新的多输入多输出-逆合成孔径雷达(MIMO-ISAR)三维成像方法。其基本思路是通过对一段时间观测下二维平面阵列获取的多个单快拍三维图像进行相干处理,沿着散射点线性拟合的方向提取峰值并重构出新的三维图像。仿真实验结果表明,与单快拍三维成像方法相比,该方法可以显著提高成像结果沿运动方向的方位分辨率;与现有基于重排和插值的经典MIMO-ISAR方法相比,该方法对慢速和快速运动目标均适用,得到的成像结果聚焦良好并能够有效抑制沿运动方向的旁瓣。      

一种差分SAR层析高分辨成像方法

城区建筑的4维成像是差分SAR层析的重要应用领域之一。此种应用背景下,如何利用空间-时间2维平面内稀疏分布的观测数据,在保持方位向-距离向分辨率的同时实现高程向-形变速率向的高分辨成像是差分SAR层析面临的难点问题。在确定性点目标模型下,基于松弛(RELAX)算法,该文提出了一种适用于城区建筑目标的差分SAR层析高分辨成像方法。与统计模型下的空间谱估计方法相比,该方法无需多视处理,能够保持方位向-距离向分辨率。与奇异值分解方法相比,该方法具有更优的高程向-形变速率向分辨能力。在仿真实验和Envisat-ASAR实测数据处理中,该方法的有效性得到了验证。     

一种新的二维角度估计的高分辨算法

该文针对常规2维波达方向估计的高分辨算法运算量大和稳健性差等问题,提出了一种新的2维角度估计的高分辨方法。该方法首先建立基于范数约束的最优化问题的目标函数;然后用迭代算法沿均匀面阵接收数据的方位向求最小化目标函数的稀疏解,得到方位、俯仰角耦合的空间角频率,并分离信号;最后对每个分离的信号,沿面阵俯仰向求稀疏解,得到信号的俯仰角,进而求得对应的方位角。针对算法存在测角盲区的问题,提出了一种改进方法,通过求解空间2维稀疏解得到信号的2维角度。与传统的高分辨算法相比,该方法对信噪比和快拍数要求不高、无需特征值分解和多维搜索过程,具有较高的分辨力和极低的旁瓣电平。     

一种高分辨率多基线InSAR三维层析成像方法

多基线InSAR(Muti-baseline InSAR)可以进行三维层析成像,用于地面遥感与地下地质情况分析。受限于实际系统,多基线InSAR的基线数目非常少,使用传统方法成像时分辨率很低。为提高高度维分辨率,文中建立了多基线InSAR成像的阵列信号处理模型,将阵列信号处理中的MUSIC算法应用到多基线InSAR的高度维成像中,进行数字仿真实验,仿真结果表明,文中的方案能提高多基线InSAR高度维的分辨率,获得较低的旁瓣。     

基于毫米波多基线InSAR的雷达测绘技术

机载毫米波InSAR具备不受光照限制、测绘幅宽大、测绘精度高的特点,近年来随着其技术的不断发展和完善,逐渐成为一种被广泛关注的测绘手段。在针对小型飞行平台的高精度毫米波InSAR系统设计中,InSAR基线构型、多基线配置、外部数字高程模型(DEM)参考及InSAR处理流程是系统设计的核心。该文分析了机载毫米波InSAR系统中基线参数对干涉高程测量的影响,提出基于一体化天线吊舱的毫米波多基线InSAR系统设计思路,在此基础上提出基于时域成像算法的毫米波多基线InSAR测高处理流程。最后,实测数据实验验证了该文给出的机载毫米波多基线InSAR系统及其干涉数据处理方法在大比例尺测绘任务中的可行性和有效性。      

多方位角多基线星载SAR三维成像方法研究

传统星载合成孔径雷达(Sythetic Aperture Radar, SAR)采用多基线的方式可获取目标区域的3维图像,解决了SAR 2维图像中的叠掩问题,但仍存在因遮挡导致的信息获取不足的问题。为此,该文首次提出了多方位角多基线星载SAR 3维成像方法,其不仅解决了叠掩问题,还通过融合不同方位角下获取的3维点云减少了遮挡区域,提升了星载SAR信息获取能力。文中首先建立多方位角多基线星载SAR空间观测模型,并通过推导论证斜视多基线观测和正侧视多基线观测具有相同的数学信号模型,为直接将正侧视时的3维成像方法应用于斜视时的3维处理提供理论支撑;在此基础上,给出多方位角多基线星载SAR 3维成像方法及处理流程,其包括SAR斜视3维处理和多方位角3维点云融合两个步骤;最后,通过方位角45°下的点阵目标实验验证SAR斜视3维处理方法的有效性,并利用方位角45°和–45°下的直升机目标仿真验证多方位角3维点云融合方法的有效性。      

雷达导引头单脉冲前视成像技术研究

在前视条件下,合成孔径雷达(SAR)成像技术因距离-方位耦合成像质量急剧下降。对此,文中提出一种单脉冲成像方法,该方法将距离高分辨技术与单脉冲测角技术相结合,利用脉冲压缩实现距离维高分辨,并用单脉冲测角技术实现不同距离单元强散射点的方位维高分辨,能有效弥补SAR成像技术在前视成像领域的不足。相对实波束成像,单脉冲成像能有效改善图像质量,仿真实验验证了这一结论。     

基于空间聚类种子生长算法的阵列干涉SAR点云滤波

阵列干涉合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)通过在交轨向布置多个天线,结合方位向的合成孔径和斜距向的大带宽信号,具备了3维分辨能力,且多个阵元保证了其在高程向的空间采样,能够解决干涉SAR(Interferometric SAR, InSAR)测绘中的叠掩问题,实现观测场景的3维成像。但是获得场景区域的3维点云分布中存在较多杂点,高程向误差较大,所以传统的激光雷达(Light Detection And Ranging, LiDAR)点云滤波方法不适用于阵列干涉SAR点云的滤波处理。针对该问题,该文提出基于空间聚类种子生长算法的阵列干涉SAR点云滤波算法,应用密度和高程双重阈值生成密度-高程图像,通过图像处理手段去除小型杂点,利用空间聚类种子生长算法将植被等从点云数据中去除,完成点云滤波处理。利用国内首次机载阵列干涉SAR实验数据,通过与传统LiDAR滤波方法进行比较,验证了该文算法的有效性,为后续建筑物提取和精细化处理提供保障。      

Optimal “focusing” for low resolution ScanSAR

Deals with the focusing of low resolution ScanSAR data, for both detected amplitude images and interferometric applications. The SAR reference is exploited to achieve ScanSAR focusing in conventional techniques. Such techniques provide quite effective compensation of the azimuth antenna pattern (e.g. no scalloping) when the azimuth time-bandwidth product of the ScanSAR echo is large, but fail to do so as the burst shortens, being reduced to an ineffective weighting of the output. The result is an azimuth varying distortion of the focused impulse responses, a distortion that is partly compensated for in the multilook average (not available for interferometric applications) at the price of a reduction in the processed Doppler bandwidth. This paper proposes quite a different approach. A set of short kernels, each suitable for “focusing” at a specific azimuth bin, has been optimized to reconstruct source reflectivity in the minimum mean square error sense. That pseudoinversion converges to the “conventional” focusing when the burst extent is large and for short bursts, edge effects are accounted for. These azimuth-varying kernels can be suitably tuned to meet constraints in the resolution/sidelobes trade-off and have proved capable of providing fairly undistorted output and fine resolution. They better exploit the available Doppler bandwidth, maximizing the number of looks and the interferometric quality. A decomposition is suggested that implements the inverse operator as a fast preprocessing to be followed by a conventional ScanSAR processor     

一种可自动配对的二维波达方向估计算法

针对非相关远场窄带信号,提出了一种基于L阵模型的低复杂度高分辨二维波达方向估计算法。该方法通过利用互相关矩阵以及L阵的几何结构,消除了附加噪声的影响,且对于方位角和俯仰角的求取仅仅需要一维估计,同时该算法只需对一个低维矩阵进行特征值分解,减少了运算负担,该算法利用特征值求取俯仰角,利用相应的特征向量构造出的虚拟阵列响应矩阵求取与俯仰角配对的方位角。仿真进一步证明了算法的有效性,通过仿真还可以看出,该文所提方法在低信噪比、小快拍数和较小角度间距的情况下都具有良好的性能。     

机载干涉SAR/ISAR对地面慢速目标成像研究

该文研究用机载干涉SAR/ISAR技术对地面慢速目标成像,该技术利用SAR成像的距离和横向距离高分辨率,以及干涉仪的空域对消,实现杂波抑制,提高信杂比。动目标的真实方位由相位比较干涉仪测定。进而用ISAR处理得到慢速目标的高分辨图像。文中详细讨论了机载干涉SAR/ISAR系统框图和工作原理,并导出了该系统中SAR、干涉仪空域对消和测向以及ISAR处理的定量关系式。理论分析和初步计算机仿真证明了这项技术的正确性。     

发展中的三维成像合成孔径雷达

第１ 节简述了二维ＳＡＲ的方位和距离高分辨率的方法。第２ 节论述了用干涉仪法获得成像单元的相位差以及三维成像的基础干涉条纹图。由相位差值和其他可测知值推导出目标高度。机载ＳＡＲ通常采用双天线,因此它一次飞行即能三维成像,称为单航过法。星载ＳＡＲ采用双天线很困难,已进行过的三维成像均为单天线双航过法。第３ 节讨论了测高误差。第４ 节指出了测高中遮挡和重叠的影响。第５ 节论述了如何选择参数仪相位值不模糊以及差相位值模糊怎样解开相位重叠。第６ 节说明了机载干涉仪ＳＡＲ理论上虽能得到很好的测高精度,但气流使机身产生俯仰、横滚和偏转,因此必须设法解决气流影响问题。第７节讨论了差分干涉仪有可能对地震和火山喷发等重大灾害作出事前预报。第８节简述了发展趋势。第９ 节指出了三维成像的机理同样可在声纳上应用。     

Extended chirp scaling algorithm for air- and spaceborne SAR dataprocessing in stripmap and ScanSAR imaging modes

Presents a generalized formulation of the extended chirp scaling (ECS) approach for high precision processing of air- and spaceborne SAR data. Based on the original chirp scaling function, the ECS algorithm incorporates a new azimuth scaling function and a subaperture approach, which allow an effective phase-preserving processing of ScanSAR data without interpolation for azimuth geometric correction. The azimuth scaling can also be used for automatic azimuth coregistration of interferometric image pairs which are acquired with different sampling distances. Additionally, a novel range scaling formulation is proposed for automatic range coregistration of interferometric image pairs or for improved robustness for the processing of highly squinted data. Several simulation and processing results of air- and spaceborne SAR data are presented to demonstrate the validity of the proposed algorithms     

ScanSAR focusing and interferometry

The authors discuss an efficient phase preserving technique for ScanSAR focusing, used to obtain images suitable for ScanSAR interferometry. Given two complex focused ScanSAR images of the same area, an interferogram can be generated as for conventional repeat pass SAR interferometry. However, due to the nonstationary azimuth spectrum of ScanSAR images, the coherence of the interferometric pair and the interferogram resolution are affected, both by the possible scan misregistration between two passes and by the terrain slopes along the azimuth. The resulting decorrelation can be significantly reduced by means of an azimuth varying filter, provided that some conditions on the scan misregistration are met. Finally, the SAR-ScanSAR interferometry is proposed: here the decorrelation can always be removed. With no resolution loss by means of the technique presented     

通过频谱合成提高分布式雷达方位向分辨率

为了寻找一种可行的成像算法，提高分布式合成孔径雷达成像分辨率，建立了分布式合成孔径雷达系统的一种简化模型，即线性分布阵列，分析了提高合成孔径雷达方位分辨率的原理，并讨论了在不同方位谱的情况下，借用通信系统中的扩频思想，通过多普勒频谱合成（增大等效合成孔径）来提高方位向分辨率。最后给出了仿真实验及结论，证实该种方法的有效性。     

Adaptive removal of azimuth ambiguities in SAR images

We introduce an innovative algorithm that is capable of suppression of strong azimuth ambiguities in single-look complex (SLC) synthetic aperture radar images, to be used both for detected products and for interferometric surveys. The algorithm exploits a band-pass filter to select that portion of the azimuth spectrum that is less influenced by aliasing, the one that corresponds to the s in the replicated azimuth antenna pattern. The selectivity of this filter adapts locally depending on the estimated ambiguity intensity: the filter is more selective in the presence of strong ambiguities and becomes all-pass in absence of ambiguities. The design of such filter frames in the Wiener approach with two different normalization options, depending on the use of the SLC image, either for getting multilook averaged detected products or for interferometric applications. Preliminary results achieved by processing ENVISAT Advanced Synthetic Aperture Radar sensor data are provided.     

一种基于相干性本质的InSAR方位向预滤波方法

本文针对合成孔径雷达干涉测量(SAR Interferometry,InSAR)数据处理中的方位向预滤波问题,提出了一种改进的InSAR方位向预滤波方法.首先对InSAR成像系统的几何模型和雷达回波相干性的本质进行了分析,在此基础上提出在方位向只有来自相同方位角空间采样位置的回波信号才具有相干性,即能够用于相干干涉处理,然后根据相干性的本质,提出了一种基于相同方位角的预滤波方法.仿真试验结果和实例分析表明,本文提出的方位向预滤波算法能够有效地保留相干性信息,提高SAR图像对之间的相干性.     

Imaging and MTI processing based on dual-frequencies dual-apertures spaceborne SAR

Based on dual-frequencies dual-apertures spaceborne SAR (Synthetic Aperture Radar), a new SAR system with four receiving channels and two operation modes is presented in this paper. SAR imaging and Moving Target Indication (MTI) are studied in this system. High resolution imaging with wide swath is implemented by the Mode I, and MTI is completed by the Mode II. High azimuth resolution is achieved by the Displaced Phase Center (DPC) multibeam technique. And the Coherent Accumulation (CA) method, which combines dual channels data of different carrier frequency, is used to enhance the range resolution. For the data of different carrier frequency, the two aperture interferometric processing is executed to implement clutter cancellation, respectively. And the couple of clutter suppressed data are employed to implement Dual Carrier Frequency Conjugate Processing (DCFCP), then both slow and fast moving targets detection can be completed, followed by moving target imaging. The simulation results show the validity of the signal processing method of this new SAR system.