高分辨率分布式雷达成像
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摘要
分布式雷达系统稀疏三维分布的结构使其能够获得比单雷达更多的目标信息,综合利用这些信息,可有效改善成像质量。本文讨论了利用分布式系统多角度回波数据提高系统成像分辨率的理论与方法,并重点研究了各种算法对成像效果的影响。
本文首先基于雷达回波信号二维带宽越宽、二维成像分辨率越高的理论基础,利用分布式系统中各组不同角度回波信号在二维谱域叠加,得到带宽展宽的合成信号,再将合成信号进行相应成像处理,以获得分辨率提高的图像结果。在此基础上,鉴于分布式系统稀疏分布的特点,在对同一地面区域进行扫描时,难以避免大斜视角,使回波数据有明显的距离徙动。常用的传统RD算法在距离徙动校正时含有较多近似步骤,使处理结果难以满足高分辨率成像的要求。
因此,本文提出在分布式系统谱合成方法中采用不同的成像算法,以提高合成数据的成像精度。本文分别对距离-多普勒(RD)算法、RD改进算法、线频调变标(CS)算法、非线频调变标(NCS)算法进行了分析,它们在解距离-方位二维耦合的处理步骤中近似程度不同,从而将得到不同精度的成像结果。本文详述了在谱合成方法中应用上述各算法的处理步骤及其对成像结果的影响;并分别基于Z向排布、方位向排布、Z -方位向二维排布的系统模型,对采用不同成像算法的谱合成方法进行成像仿真;在相同的系统参数及条件下对比成像结果。最后论文总结了分布式系统的特点,以及这些特点对成像处理算法选择的要求。
Distributed radar system could obtain more information from targets than single radar system by its sparsely populated, three-dimensional structure. Synthetically using of the information will help to improve the quality of image effectively. The theories and methods of using the distributed data which come from various observation angles to improve image resolution were discussed in this paper, and the effects of different imaging algorithms on the imaging were especially emphasized.
For distributed radar system, based on the theory that broader signal bandwidth and Doppler bandwidth lead to higher 2-D radar imaging resolution, it is reasonable to combine the signals from various observation angles at spectral domain to get synthesis data with extending bandwidth. Through the process with the synthesis data, higher resolution imaging result will be achieved.
And at the same time, in a sparsely populated distributed system, large squint situation is hard to avoid while all the antennas are scanning the same target area. It causes serious distance migration. The common used Range-Doppler (RD) algorithm has some approximate calculations during the processing, which perhaps make the imaging result not satisfy the high resolution requirement.
Therefore, this thesis tried to use different algorithms in spectrum extending method for distributed system to improve imaging accuracy. The RD, improved RD, Chirp Scaling (CS) and NCS algorithm were analyzed and tried in the thesis. And we could find that the different approximate processes of these algorithms cause different imaging qualities.
The paper described the processing approaches and effects of using these algorithms in spectrum extending method in detail. And the simulations respectively based on the system structure of Z-direction linear, azimuth-direction linear and 2-D planar Arrangement are presented. At last, the paper summarized the characteristics of distributed system, and their influences on the requirements of choosing algorithm based on comparison of imaging results with same parameters and situations.
本文首先基于雷达回波信号二维带宽越宽、二维成像分辨率越高的理论基础,利用分布式系统中各组不同角度回波信号在二维谱域叠加,得到带宽展宽的合成信号,再将合成信号进行相应成像处理,以获得分辨率提高的图像结果。在此基础上,鉴于分布式系统稀疏分布的特点,在对同一地面区域进行扫描时,难以避免大斜视角,使回波数据有明显的距离徙动。常用的传统RD算法在距离徙动校正时含有较多近似步骤,使处理结果难以满足高分辨率成像的要求。
因此,本文提出在分布式系统谱合成方法中采用不同的成像算法,以提高合成数据的成像精度。本文分别对距离-多普勒(RD)算法、RD改进算法、线频调变标(CS)算法、非线频调变标(NCS)算法进行了分析,它们在解距离-方位二维耦合的处理步骤中近似程度不同,从而将得到不同精度的成像结果。本文详述了在谱合成方法中应用上述各算法的处理步骤及其对成像结果的影响;并分别基于Z向排布、方位向排布、Z -方位向二维排布的系统模型,对采用不同成像算法的谱合成方法进行成像仿真;在相同的系统参数及条件下对比成像结果。最后论文总结了分布式系统的特点,以及这些特点对成像处理算法选择的要求。
Distributed radar system could obtain more information from targets than single radar system by its sparsely populated, three-dimensional structure. Synthetically using of the information will help to improve the quality of image effectively. The theories and methods of using the distributed data which come from various observation angles to improve image resolution were discussed in this paper, and the effects of different imaging algorithms on the imaging were especially emphasized.
For distributed radar system, based on the theory that broader signal bandwidth and Doppler bandwidth lead to higher 2-D radar imaging resolution, it is reasonable to combine the signals from various observation angles at spectral domain to get synthesis data with extending bandwidth. Through the process with the synthesis data, higher resolution imaging result will be achieved.
And at the same time, in a sparsely populated distributed system, large squint situation is hard to avoid while all the antennas are scanning the same target area. It causes serious distance migration. The common used Range-Doppler (RD) algorithm has some approximate calculations during the processing, which perhaps make the imaging result not satisfy the high resolution requirement.
Therefore, this thesis tried to use different algorithms in spectrum extending method for distributed system to improve imaging accuracy. The RD, improved RD, Chirp Scaling (CS) and NCS algorithm were analyzed and tried in the thesis. And we could find that the different approximate processes of these algorithms cause different imaging qualities.
The paper described the processing approaches and effects of using these algorithms in spectrum extending method in detail. And the simulations respectively based on the system structure of Z-direction linear, azimuth-direction linear and 2-D planar Arrangement are presented. At last, the paper summarized the characteristics of distributed system, and their influences on the requirements of choosing algorithm based on comparison of imaging results with same parameters and situations.
引文
[1] 张澄波,“综合孔径雷达原理、系统分析与应用,”北京:科学出版社,1989
[2] Nathan A. Goodman, “SAR and MTI Processing of Sparse Satellite Clusters,” July 2, 2002
[3] 周荫清,徐华平,陈杰,“分布式小卫星合成孔径雷达研究进展,”电子学报,第12A期,2003年12月,P1939-1944
[4] 雷万明,刘光炎,黄顺吉,“分布式卫星SAR的波束形成和多视处理成像,” 电子与信息学报,第24卷第11期,2002年11月,P1620-1626
[5] 李真芳,邢孟道,王彤,保铮,“分布式小卫星SAR实现全孔径分辨率的信号处理,”电子学报,第12期,2003年12月,P1800-1803
[6] 李真芳,保铮,王彤,邢孟道,“分布式小卫星SAR宽域和高方位分辨率处理方法,” 雷达科学与技术,第4期,2003年12月,P193-196
[7] 黄健喜,丁东涛,雷万明,“分布式卫星SAR系统的方位分辨力特性,”现代雷达,第26卷第9期,2004年9月,P43-45
[8] Prati C, Rocca F, “Improving Slant-Range Resolution With Multiple SAR Surveys,” IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 29, NO.1, 135-143, 1993
[9] 闫鸿慧,王岩飞,“利用频谱合成实现分布式卫星SAR高距离分辨力成像,”电子与信息学报,第27卷第6期,2005年6月,P928-931
[10] 保铮,邢孟道,王彤,“雷达成像技术,”北京:电子工业出版社,2005
[11] R. Keith Raney, Fellow, IEEE, H. Runge, Richard Bamler, Ian G. Cumming, and Frank H. Wong, “Precision SAR Processing Using Chirp Scaling,” IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 32, NO. 4, pp. 786-799, JULY 1994
[12] 李春升,黄岩,王璇,周荫清,“基于Chirp Scaling算法的星载SAR成像处理实现方法,”电子学报,第6期,1995年6月,P20-24
[13] 吴一戎,胡东辉,彭海良,“Chirp Scaling SAR成象算法及其实现,”电子科学学刊,第17卷第3期,1995年5月,P256-260
[14] 刘光平,梁甸农,“Chirp Scaling成像算法应用研究,” 现代雷达,第26卷第3期,2004年3月,P50-53
[15] 韩春林,王建国,陆志强,“一种斜视 SAR 成像算法,” 电子与信息学报,第 24 卷第 6 期,2002 年 6 月,P816-820
[16] 刘光炎,雷万明,黄顺吉,“基于改进CS算法的侧斜视SAR成像,” 信号处理,第18卷第4期,2002年8月,P336-339
[17] 刘光炎,黄顺吉,“非线性CS算法的前斜视SAR成像,” 电子与信息学报,第25卷第10期,2003年10月,P1308-1315
[18] 张贤达,“现代信号处理(第二版),”清华大学出版社,2002年10月
[19] 张云华,张祥坤,姜景山,“空间虚拟探测技术及其发展趋势,”系统工程与电子技术,第 27 卷第 12 期,2005 年 12 月,P2006-2009
[20] 刘永坦,“雷达成像技术,”哈尔滨工业大学出版社,1999
[21] 张直中,“机载和星载合成孔径雷达导论,”北京:电子工业出版社,2004
[22] John D. Kraus, Ronald J. Marhefka,“天线(第三版) ,” 电子工业出版社,2004年 4 月
[23] 张鸿远,“三维成像雷达高度计成像算法研究及数控系统设计,”硕士学位论文,中国科学院空间科学与应用研究中心,2001年6月
[24] 韩朝晖,“分布式雷达高分辨率成像与仿真研究,” 硕士学位论文,中国科学院空间科学与应用研究中心,2005年6月
[25] 韩朝晖,雷利卿,“几种提高分布式雷达方位向分辨率方法的分析与比较,” 遥感技术与应用,第20卷第4期,2005年,P430-434
[26] 张志涌等,“精通 Matlab6.5 版,”北京航空航天大学出版社,2003
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