星载SAR多通道高分辨率成像方法及场景仿真技术研究

雷克儿

星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）可以全天时、全天候、无领空限制地提供高分辨率图像，是地球遥感领域的一种重要技术。经过几十年的发展，星载SAR 技术已经日趋成熟，并已广泛应用于环境监测、灾害预警等社会经济建设的众多领域。高分辨率是星载SAR 领域的研究者们所孜孜追求的目标，然而其也为后续处理带来了诸多挑战与问题，包括如何实现在星载复杂星地几何关系下的高分辨率成像，如何解决将方位多通道技术与新的工作模式相结合所出现的问题，以及如何实现高效、快速的场景回波仿真进而为后续的系统以及算法验证提供基础。遵循上述思路，本文针对星载SAR多通道高分辨率成像方法及场景仿真技术开展研究，主要涉及星载SAR多通道波束扫描模式的通道误差估计和成像，以及场景回波的模拟。此处将论文的主要工作及创新点梳理总结如下：（1）提出了一种针对多通道波束扫描模式的通道误差估计方法。在多通道波束扫描模式中，目标的多普勒中心频率沿方位向变化及信号的总多普勒带宽大于等效脉冲重复频率（Pulse Repetition Frequency， PRF）使得传统通道误差估计方法失效。为解决该问题，本文提出了一种基于deramp 处理的通道误差估计框架，其可将传统方法扩展到波束扫描模式中。首先需要将各个通道的数据与各自对应的deramp 相位函数相乘，以去除多普勒中心频率的变化、压缩信号方位向带宽及保持多通道信号的信号特性。deramp处理后，信号在方位向的频谱特性将与条带模式相同，后续可以使用多通道条带模式下的算法进行估计。文中使用点目标仿真数据以及高分三号（Gaofen-3， GF-3）星载SAR系统获取的双通道滑动聚束模式数据验证了方法的有效性。（2）提出了一种基于四阶斜距模型的改进的通用相位保留算法（Modified General Phase Reserving Algorithm，MGPRA）。在高分辨率星载SAR系统中，目标的合成孔径时间很长，卫星的弯曲轨道特性会越发明显，使得等效直线模型在合成孔径时间内引入的斜距误差过大导致目标成像散焦。针对此问题，本文提出了一种基于四阶斜距模型的MGPRA。首先推导出了四阶斜距模型下的精确信号模型并利用级数反演的方法得到信号的二维频谱，接着对信号频谱的各个分量的空变性进行了分析。结合所提出的可以适应参数空变性的MGPRA，得到基于四阶斜距模型的MGPRA。文中使用点目标仿真验证了该算法的有效性。（3）提出了一种正侧视多通道波束扫描模式下的成像方法。多通道波束扫描模式由于过高的信号多普勒带宽会使传统多通道成像方法不再适用。针对该问题，本文提出了一种基于方位向deramp加MGPRA的多通道波束扫描模式成像方法。本方法在方位向对各通道回波数据分别进行deramp 处理，压缩信号的方位向带宽并保持信号的多通道特性，使信号得以使用滤波器组方法进行重构。信号重构后，为了适应弯曲轨道导致的目标多普勒参数的空变性，使用本文所提出的MGPRA进行成像并使用后处理方法解决图像域的反折问题。本文使用了点目标仿真及对GF-3的双通道滑动聚束数据处理验证了方法的有效性。（4）提出了一种斜视多通道波束扫描模式下的成像方法。针对大斜视会引入额外的多普勒带宽的问题，本文提出了一种基于方位向deramp加方位重采样的斜视多通道波束扫描模式成像算法。由于对各个通道的信号分别进行线性距离走动校正处理后，信号的方位时不变性被破坏，需要对各通道分别进行deramp处理后对方位频谱进行重采样处理得到等效正侧视的信号。在成像处理中，为了适应目标多普勒参数的空变性，仍可使用本文提出的MGPRA进行成像处理。最后利用了仿真数据验证了本方法的有效性。（5）构建了星载SAR全链路仿真架构及仿真验证平台。为了提高星载SAR高分辨率系统的场景仿真的效率，应高效并精确实现从回波获取到成像性能评估的整个流程。现有回波生成方法中，时域方法太耗时，而频域方法对于星载SAR高分辨率系统不够精确。针对上述问题，本文在深入研究典型快速回波仿真方法的基础上，构建了星载SAR全链路仿真架构及仿真验证平台，其中回波生成使用的是距离频域方位时域（Range Frequency and Azimuth Time domain， RFAT）算法。该平台可用于包括多通道波束扫描模式在内的任何模式，并且该平台在程序中使用基于OpenMP 的CPU 加速方案实现全链路的快速仿真