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多通道频带合成技术解决了超大带宽信号的波形发生和信号采集等技术难题,具有实现简单,价格低廉等优点,在当前硬件条件下,成为获取合成孔径雷达(SAR)距离向分米级分辨率的重要途径,是近年来研究和应用的热点之一。
多通道频带合成SAR系统中存在不可避免的幅度和相位误差,如何有效地对误差进行补偿是频带合成的前提;与此同时,伴随着距离向分辨率的提高,方位向分辨率必须进行相应的改善,才能获得二维的高分辨率,实际当中,天线平台的运动误差是破坏方位向分辨率的重要因素,有关方位向的运动补偿一直都是SAR信号处理领域的研究重点。
本文以实现二维高分辨率SAR图像为目标,结合实际科研项目,围绕多通道频带合成SAR系统误差估计和补偿展开研究,建立了多通道频带合成SAR.系统的误差模型、算法原理、性能评价、实际数据验证等理论框架和系统方法。
首先,系统地研究了频带合成技术的原理和实现方法,通过对实际多通道频带合成SAR系统的分析,指出通道间的系统误差严重干扰子频带的有效合成。并且在此基础上,本文从不同的角度提出三种通道误差补偿方法。其次,围绕方位向运动补偿展开研究,详细分析了运动误差的产生和影响,提出了一种适合多通道频带合成SAR系统的运动补偿方案,补偿方位向的运动误差。文章的最后,设计出一个适用于多通道频带合成SAR系统的误差补偿方案,通过对距离向和方位向的误差进行有效的补偿,最终实现二维高分辨率,该设计方案也应用于实际系统的数据处理框架中。
论文的主要内容和创新点总结如下:
1.深入研究了频带合成原理和具体方法,在此基础上,详细讨论了各种幅度和相位误差对多通道频带合成SAR系统的影响,并且与单通道情况进行比较,得出如下结论:
(＞)常数幅度误差:常数幅度值对单通道SAR成像处理没有任何影响;但是在多通道系统中,各通道间不相等的常数幅度值会破坏频带合成的效果。
(＞)正弦幅度误差:与单通道SAR相类似,正弦幅度误差会在合成后的宽带信号中引入成对干扰回波,并且干扰回波的个数是通道数的2倍。如果各通道的畸变性能相同,那么仅存在一对带宽与合成后宽带信号相同的干扰信号。
(＞)低阶相位误差:常数相位误差对单通道SAR信号处理没有任何影响;在多通道SAR系统中,通道间的常数相位误差会破坏子带信号的相干性,但是当相位误差值相差是π的整数倍时,对频带合成没有影响。单通道系统中,一次相位误差只是使目标发生移位,并不影响压缩后的波形和性能参数;对多通道系统而言,一次相位误差严重破坏子带信号之间的相干性,即使各子带脉冲压缩后位于相同的距离门,一次相位误差也会破坏宽带信号的相干合成。
(＞)高阶相位误差:高阶相位误差对多通道系统的影响要远远大于其对单通道系统的影响。
2.结合实际科研项目,深入研究了三种多通道频带合成的误差补偿技术。
(＞)基于闭环数据测量的补偿技术。当实际系统能够记录雷达系统的一个参考定标信号时,由于该信号包含了发射信号功率的变化、脉冲特性以及接收通道的性能等全部信息,那么利用该参考信号就能够对各通道的数据进行校正。
(＞)基于FRFT_PPT的误差估计和补偿算法。该方法是从回波信号本身出发估计相位误差各阶次的系数,其利用分数阶傅里叶变换(FRFT)取代傅里叶变换(FT)进行多项式相位变换(PPT)操作,减少了相位差分的阶数,有助于减少信噪比的损失,比传统的FT_PPT方法能够获得更高的估计精度。
(＞)基于PGA(相位梯度自聚焦)+PRFT的补偿算法。与FRFT_PPT方法相比,PGA+FRFT也是从回波数据中直接提取相位误差,但是该方法不需要假定误差的模型,具有更广泛的适用空间。
3.通过研究SAR方位向的运动误差特性和补偿理论,针对方位向高分辨率的要求,设计了一种适合多通道频带合成SAR系统的运动补偿方案。该方案包括基于高精度IMU/GPS数据补偿和基于PGA自聚焦处理两部分。
(＞)在基于高精度IMU/GPS数据的运动补偿算法中,将POS系统记录的导航数据和地面角反射器的导航信息相结合,提出了一种平台实际作用距离的求解方法,并且提出了一种确定载机理想航线的新方法,避免了传统方法对方位向数据长度的依赖,同时消除了平台轨迹突变的影响。
(＞)POS数据只能补偿非时变的运动误差,并且补偿精度受POS数据测量精度的限制,方案中的第二部分是基于PGA的自聚焦算法,以消除残余的相位误差,进一步提高方位向分辨率。该部分详细讨论了PGA自聚焦算法中的关键技术,包括PGA在条带模式下的应用,点目标的选取,窗函数长度的选择,估计准则的选取,以及迭代终止条件的设定。
4.论文最后设计出一种适用于实际多通道频带合成SAR系统的误差补偿方案,将该方案应用于实际系统的信号处理框架之中,在频带合成后取得了比较好的二维高分辨率SAR图像。达到了本文最初的研究目标。