基于北斗导航卫星的多角度双基地SAR成像与融合

GNSS-BSAR 是一种利用导航卫星作为发射机的双基地SAR (BSAR)系统,具有系统代价低等特点,但是其图像分辨率差、信噪比低。结合我国现有的北斗导航卫星系统,该文提出了一种BSAR 多角度观测与数据处理方法,实现了对目标区域的多角度观测,共获取了26 种几何配置下的图像,并提出一种感兴趣区域融合方法生成了多融合图像。获得了较高质量的图像,证明了多角度融合是一种扩展GNSS-BSAR 遥感应用的有效途径。      

一般构型双基地SAR成像分辨特性分析

分辨率是体现双基地合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）成像质量的一个重要参数。本文针对一般构型的双基地SAR成像分辨率计算问题,首先在空间梯度法的基础上,推导了双基地SAR地距分辨率的计算公式,根据收发平台对目标产生的多普勒频率变化,推导了双基地SAR方位分辨率的计算公式。然后基于理论推导和仿真指出影响双基地SAR分辨率的真正因素。最后,分析了三种几何构型下地面成像区域的地距分辨率和方位分辨率,为双基地SAR的系统设计提供了参考。      

分布式GEO SAR模糊度分析

地球同步轨道合成孔径雷达（GEO SAR）具有短重访、广覆盖等优势。分布式GEO SAR由多个GEO SAR同时收发形成多个相位中心,具有可降低合成孔径时间、提高信噪比等优点。模糊度是雷达系统设计中的重要指标,传统SAR的模糊度计算通常在距离时域、方位频域进行。然而在分布式GEO SAR中,通常无需进行全孔径成像即可获得满足要求的分辨率,因而点目标的方位向信号带宽低于场景瞬时多普勒带宽,使得基于方位频域的模糊度计算方法失效。此外,双基地配置以及地球球形表面也给地面模糊区位置的计算带来困难。本文首先给出考虑地球球形表面的双基地GEO SAR模糊区位置的近似计算方法,然后给出分布式GEO SAR模糊度的计算步骤。仿真对比分析了传统频域方法与本文所提方法,并详细分析了单基地GEO SAR、双基地GEO SAR和多基地GEO SAR的模糊度特点。      

基于北斗导航卫星的BiSAR大场景成像

基于导航卫星的双基地合成孔径雷达系统具有低成本和易于部署等突出优势,近年来发展迅速,但受限于导航信号发射功率低,目标场景区的回波信号能量很弱,之前的实验结果中成像场景面积均较小。本文提出了一种基于多星多角度的GNSS-BiSAR大场景区域成像方法:采集多颗导航卫星在不同场景方向的回波进行成像处理,通过图像拼接获得高质量的大场景区域成像结果;开展了多星多角度GNSS-BiSAR成像实验,获得了较好的成像结果,并给出了图像解译,验证了GNSS-BiSAR系统用于遥感成像的发展潜力。      

一种毫米波前视合成孔径雷达成像算法

针对传统正侧视和斜视雷达无法对雷达载机前方场景进行成像的缺点,提出了一种基于距离多普勒算法(RDA)的毫米波前视合成孔径雷达(SAR)成像方法。给出了系统的结构模型,分析了系统成像原理。基于空间几何模型和回波信号形式,分析了点目标回波的多普勒历程,给出了方位向多普勒调频率,得到各相位补偿因子和距离徙动校正公式。对成像场景大小和方位向成像分辨率进行了详细分析,采用MATLAB对6个点目标进行了成像仿真,并对仿真结果中点目标峰值中心的64×64点切片和方位向、距离向进行了分析。理论推导和实验仿真表明,基于RDA的前视合成孔径雷达可以对场景中目标有效成像且方位向成像分辨率可达到2 m,该系统可应用与侦查和制导领域。     

双基地ISAR成像分析

在建立远场条件下双基地ISAR转台模型的基础上,阐述了双基地ISAR的成像原理。针对双基地ISAR系统中相对转角计算复杂的问题,给出了一种利用合多普勒带宽计算双基地ISAR方位分辨率的方法。详细分析了双基地ISAR系统的收、发分置结构对目标成像的影响,针对双基地ISAR系统中机动目标多普勒频率信息的时变特性,将基于时频分析技术的距离-瞬时多普勒成像算法引入双基地ISAR目标像的重建过程中。最后,仿真实验验证了算法的有效性。     

分布式小卫星SAR多普勒解模糊成像

该文结合实际卫星轨道及地球自转特性,研究利用分布式小卫星丰富的空域信息解多普勒模糊,从而解决宽场景成像和方位高分辨之间的矛盾。提出建立子孔径坐标系,解决地球自转引起的星间回波不一致性并简化椭圆轨道的几何复杂性。建立子孔径坐标系包括两方面:一是将成像几何模型转换到地球固定坐标系下分析,此时地面场景静止,卫星轨道等效旋转;二是分孔径处理,针对每个子孔径建立坐标几何,经过误差补偿后小卫星轨道构型等效为固定基线且平行。对每个子孔径回波数据分别进行空域滤波解模糊处理后再进行孔径拼接,同时结合传统星载SAR成像算法实现大场景高分辨成像。最后以CARTWHEEL模型为例进行仿真,验证了该方法的有效性。     

基于最小熵DCFT的双基地SAR多普勒参数估计

多普勒参数估计是SAR成像技术研究中的一项关键技术,多普勒参数估计精度将直接影响机载双基地SAR系统成像质量,为了实现对感兴趣目标区域有效地成像,需要对回波信号的参数进行准确估计。本文提出基于最小熵的离散调频傅里叶法(DCFT),该方法基于线性调频信号,可同时估计多普勒质心和多普勒斜率,并用RD算法对双基地SAR仿真数据成像,通过仿真验证了该方法的性能。     

基于Radon-Wigner变换的双基地SAR多普勒调频率估计

在传统单站机载合成孔径雷达（SAR）中,多普勒调频率的估计精度直接影响着成像的质量。在双基地SAR中该参数同样重要,但由于收发平台的独立性,多普勒调频率估计的难度增加,采用传统的方法效果不明显。该文采用了一种基于Radon-Wigner变换的多普勒调频率估计方法,首先给出了机载双基地SAR的空间几何模型和回波信号模型,然后给出了理论分析和仿真,并用单基地SAR回波实际数据进行了多普勒调频率估计。结果表明：该方法对目标统计特性的变化不敏感,它适合多分量和信噪比不高的情况,且估计值精度较高。     

分布式卫星双基SAR分辨特性分析

由于分布式卫星的轨道特点及SAR成像特点所致,分布式卫星双基SAR在一定条件下可近似认为是一种信号发射器与接收器平行运动的双(多)基SAR。该文结合分布式卫星双基SAR的这一特点,应用梯度的概念就分布式卫星双基SAR几何分辨率、分辨方向、分辨单元几何特性等问题进行了研究; 以视角、斜视角函数的形式给出了任意基线构型下分布式卫星双基SAR的几何分辨率、分辨方向的表达式; 并研究了分布式卫星基线对分辨特性的影响。     

基于GPS卫星照射的SS-BSAR系统信噪比研究

以导航卫星为信号照射源的星表双基SAR系统(SS-BSAR)由于具有隐蔽性强、节约成本等特点,近年来受到了广泛关注。针对基于GPS卫星照射源的SS-BSAR系统信号带宽较窄、发射信号功率低等问题,首先分析非合作卫星照射源的选择及GPS卫星信号特性;根据GPS卫星信号的双基雷达方程,给出系统最大目标检测距离;分别推导基于GPS卫星信号的点、面目标双基SAR系统信噪比及信干比,分析信噪比与雷达接收斜距、目标截面积、雷达运动速度等因素的关系;最后提出改进系统信噪比、信干比的方法。     

GEO-LEO 双站视频SAR 系统若干问题研究

视频合成孔径雷达(SAR)作为一种新型的微波遥感体制,能够实现热点区域的持续监测。文中提出了一种基于GEO-LEO 双站模式的天基视频SAR 系统,其中发射源位于地球静止轨道,低轨卫星顺序接收目标场景回波信号实现对场景的持续视频监测,基于该双站模式建立了回波信号模型;同时,提出了天基视频SAR 成像过程中回波数据分割与重叠率的计算方法;最后,分析了该天基视频SAR 系统的几何分辨率。文中的研究成果可以为天基视频SAR 系统的构建提供参考。     

GEO-LEO双基SAR序贯多帧-多通道联合重建无模糊成像方法

采用地球同步轨道(GEO)卫星作为双基合成孔径雷达(SAR)的发射站,可为低轨(LEO)接收站提供大范围、持续的波束覆盖。同时,由于收发分置的系统形态,LEO接收站可以实现下视、前视、后视等多视区成像,因此,GEO-LEO双基SAR在地球测绘、侦察监视等领域具有广阔的应用前景。为实现大幅宽成像,GEO SAR发射站的脉冲重复频率较低,而LEO SAR接收站会引入大的多普勒带宽,造成GEO-LEO双基SAR方位欠采样。通过在接收站引入多通道技术虽可抑制模糊,但是面临GEO-LEO双基SAR的严重欠采样问题,多通道无模糊重建方法所需通道数过多,不利于接收系统小型化。针对方位严重欠采样条件下的复杂观测场景无模糊成像问题,该文提出了序贯多帧-多接收通道联合重建无模糊成像方法,通过利用序贯观测场景多帧图像的相关性和多接收通道的采样信息进行联合重建,实现无模糊成像。首先将GEO-LEO双基SAR无模糊成像问题建模为张量联合低秩与稀疏优化问题,然后在交替方向乘子法迭代求解中利用多接收通道信息,实现了GEO-LEO双基SAR对复杂观测场景的无模糊成像。相比于基于传统多通道重构的成像方法,该方法可显著减少无模糊成像所需的接收通道数,仿真实验验证了该方法的有效性。      

星载双基地FMCW-SAR高分辨时域成像算法

双基地合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)收发天线分置,结构灵活、功能拓展性强;调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)SAR成本低,广泛应用于空/地基SAR平台.将双基地构型与FMCW体制结合,应用于卫星平台,即构成星载双基地F...     

机载双站SAR成像区分块分析

机载双站SAR的回波数据具有距离空变性或距离-方位二维空变性,需要对观测场景进行分块成像。本文从机载双站SAR斜距历程出发,借助于载机轨迹解耦合公式,推导了观测场景中任一点目标的距离走动和距离弯曲公式。根据距离徙动校正后的残余距离徙动与二阶相位误差,推导了机载双站SAR的成像区分块准则。基于该准则仿真得到了各种构型机载双站SAR的成像区分块结果,分析了双站结构参数与系统参数对成像区的影响,为双站SAR宽场景成像时成像区分块提供了理论指导。      

Bistatic TerraSAR-X/F-SAR Spaceborne–Airborne SAR Experiment: Description, Data Processing, and Results

We report about the first X-band spaceborne–airborne bistatic synthetic aperture radar (SAR) experiment, conducted early November 2007, using the German satellite TerraSAR-X as transmitter and the German Aerospace Center's (DLR) new airborne radar system F-SAR as receiver. The importance of the experiment resides in both its pioneering character and its potential to serve as a test bed for the validation of nonstationary bistatic acquisitions, novel calibration and synchronization algorithms, and advanced imaging techniques. Due to the independent operation of the transmitter and receiver, an accurate synchronization procedure was needed during processing to make high-resolution imaging feasible. Precise phase-preserving bistatic focusing can only be achieved if time and phase synchronization exist. The synchronization approach, based on the evaluation of the range histories of several reference targets, was verified through a separate analysis of the range and Doppler contributions. After successful synchronization, nonstationary focusing was performed using a bistatic backprojection algorithm. During the campaign, stand-alone TerraSAR-X monostatic as well as interoperated TerraSAR-X/F-SAR bistatic data sets were recorded. As expected, the bistatic image shows a space-variant behavior in spatial resolution and in signal-to-noise ratio. Due to the selected configuration, the bistatic image outperforms its monostatic counterpart in almost the complete imaged scene. A detailed comparison between monostatic and bistatic images is given, illustrating the complementarity of both measurements in terms of backscatter and Doppler information. The results are of fundamental importance for the development of future nonsynchronized bistatic SAR systems.      

Downward looking sparse linear array 3D SAR imaging algorithm based on back-projection and convex optimization

Downward Looking Sparse Linear Array Three Dimensional SAR （DLSLA 3D SAR） is an important form of 3D SAR imaging,which has a widespread application field.Since its practical equivalent phase centers are usually distributed sparsely and nonuniformly,traditional 3D SAR algorithms suffer from low resolution and high sidelobes in cross-track dimension.To deal with this problem,this paper introduces a method based on back-projection and convex optimization to achieve 3D high accuracy imaging reconstruction.Compared with traditional SAR algorithms,the proposed method sufficiently utilizes the sparsity of the 3D SAR imaging scene and can achieve lower sidelobes and higher resolution in cross-track dimension.In the simulated experiments,the reconstructed results of both simple and complex imaging scene verify that the proposed method outperforms 3D back-projection algorithm and shows satisfying cross-track dimensional resolution and good robustness to noise.     

非匀速平飞模式下双基地SAR成像分析

该文研究了收发平台非匀速平飞模式下的双基地SAR成像问题。首先构建收发非匀速平飞模式的几何场景,并通过对回波瞬时收发距离的分析得到了双基地SAR回波的近似模型。收发平台速度变化使得波束不同步,导致SAR数据在方位向非均匀采样,该文首先分析了将非匀速平飞双基地模型等效成单基地变速运动模型的方法,然后采用非均匀傅里叶变换处理变速运动引起的非均匀采样的问题。多组不同条件下的仿真实验表明双基地SAR图像质量较好,验证了该文方法的有效性。