合成孔径雷达的点目标仿真14页.doc

SAR的点目标仿真 合成孔径雷达(SAR)的点目标仿真一． SAR原理简介合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar ，简称SAR)是一种高分辨率成像雷达技术它利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率，利用合成孔径原理获得高的方位向分辨率，从而获得大面积高分辨率雷达图像SAR回波信号经距离向脉冲压缩后，雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：，式中表示雷达的距离分辨率，表示雷达发射信号带宽，表示光速同样，SAR回波信号经方位向合成孔径后，雷达的方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定：，式中表示雷达的方位分辨率，表示雷达方位向多谱勒带宽，表示方位向SAR平台速度二． SAR的成像模式和空间几何关系根据SAR波束照射的方式，SAR的典型成像模式有Stripmap(条带式)，Spotlight(聚束式)和Scan(扫描模式)，如图2.1条带式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像最简单最有效的方式；聚束式成像是在一次飞行中，通过不同的视角对同一区域成像，因而能获得较高的分辨率；扫描模式成像较少使用，它的信号处理最复杂。

图2.1：SAR典型的成像模式这里分析SAR点目标回波时，只讨论正侧式Stripmap SAR，正侧式表示SAR波束中心和SAR平台运动方向垂直，如图2.2，选取直角坐标系XYZ为参考坐标系，XOY平面为地平面；SAR平台距地平面高h，沿X轴正向以速度V匀速飞行；P点为SAR平台的位置矢量，设其坐标为(x,y,z)； T点为目标的位置矢量，设其坐标为；由几何关系，目标与SAR平台的斜距为： (2.1)由图可知：；令，其中为平台速度，s为慢时间变量（slow time），假设，其中表示SAR平台的x坐标为的时刻；再令，表示目标与SAR的垂直斜距，重写2.1式为： (2.2) 就表示任意时刻时，目标与雷达的斜距一般情况下，，于是2.2式可近似写为： (2.3)可见，斜距是的函数，不同的目标，也不一样，但当目标距SAR较远时，在观测带内，可近似认为不变，即 图2.2：空间几何关系 (a)正视图 (b)侧视图图2.2(a)中，表示合成孔径长度，它和合成孔径时间的关系是。

b)中，为雷达天线半功率点波束角，为波束轴线与Z轴的夹角，即波束视角，为近距点距离，为远距点距离，W为测绘带宽度，它们的关系为： (2.4)三． SAR的回波信号模型SAR在运动过程中，以一定的PRT(Pulse Repitition Time,脉冲重复周期)发射和接收脉冲，天线波束照射到地面上近似为一矩形区域，如图2.2（a），区域内各散射元（点）对入射波后向散射，这样，发射脉冲经目标和天线方向图的调制，携带目标和环境信息形成SAR回波从时域来看，发射和接收的信号都是一时间序列 图3.1：SAR发射和接收信号图3.1表示SAR发射和接收信号的时域序列发射序列中，为chirp信号持续时间，下标表示距离向(Range)；PRT为脉冲重复周期；接收序列中，表示发射第个脉冲时，目标回波相对于发射序列的延时；阴影部分表示雷达接收机采样波门，采样波门的宽度要保证能罩住测绘带内所有目标的回波雷达发射序列的数学表达式为： (3.1)式中，表示矩形信号，为距离向chirp信号的调频斜率，为载频。

雷达回波信号由发射信号波形，天线方向图，斜距，目标RCS，环境等因素共同决定，若不考虑环境因素，则单点目标雷达回波信号可写成： (3.2)式中，为点目标的雷达散射截面,表示点目标天线方向图双向幅度加权，表示载机发射第n个脉冲时，电磁波在雷达与目标之间传播的双程时间，，代入3.2式 (3.3)3.3式就是单点目标回波信号模型其中，为chirp分量，它决定距离向分辨率，为doppler分量，它决定方位向分辨率距离向变量远大于方位向变量t(典型相差量级)，于是一般可以假设SAR满足“停－走－停”模式，即SAR在发射和接收一个脉冲信号中间，载机未发生运动为了理论分析方便，称为慢时间变量(slow time)，称t为快时间变量(fast time)于是，一维回波信号可以写成二维形式，正交解调去除载波后，单点目标的回波可写成： (3.3) 图3.2：单点目标回波二维分布示意图 在方位向(慢时间域)是离散的，，其中V是SAR的速度，是0时刻目标在参考坐标系中的x坐标为了作数字信号处理，在距离向(快时间域)也要采样，假设采样周期为Tr,则，如图3.2，方位向发射N个脉冲，距离向采样得到M个样值点，则SAR回波为一矩阵，K个理想点目标的回波经采样后的表达式为： (3.4)上式用Matlab语言可表示为：%%***************************************************************************%%Generate the raw signal dataK=Ntarget; %number of targetsN=Nslow; %number of vector in slow-time domainM=Nfast; %number of vector in fast-time domainT=Ptarget; %position of targetsSrnm=zeros(N,M);for k=1:1:K sigma=T(k,3); Dslow=sn*V-T(k,1); R=sqrt(Dslow.^2+T(k,2)^2+H^2); tau=2*R/C; Dfast=ones(N,1)*tm-tau*ones(1,M); phase=pi*Kr*Dfast.^2-(4*pi/lambda)*(R*ones(1,M));Srnm=Srnm+sigma*exp(j*phase).*(0

点目标的信号与系统模型如图4.1：图4.1：点目标信号与系统模型模型的数学表达式为： (4.1)式中，表示点目标的散射特性，表示等效系统，设为发射的chirp信号，则： (4.2)4.2式表明只在维是线性时不变(LTI)的，在维是时变的，相同的, 不同的，响应不一样但通常情况下可近似认为不变，即，这时，系统等效为一个二维LTI系统五． 点目标SAR的成像处理算法仿真SAR的回波数据不具有直观性，不经处理人无法理解它，如图5.1从原理上讲，SAR成像处理的过程是从回波数据中提取目标区域散射系数的二维分布，本质上是一个二维相关处理过程,因此最直接的处理方法是对回波进行二维匹配滤波，但其运算量很大，再加上SAR的数据率本来就高，这使得实时处难于实现通常，可以把二维过程分解成距离向和方位向两个一维过程，Range-Dopper Algorithm（简称RD算法）就是采用这种思想的典型算法，这里也只讨论RD算法 图5.1：SAR回波数据 (a)未经处理 (b)处理后RD算法通过距离迁移(Range Migration)矫正，消除距离和方位之间的耦合。

在满足聚焦深度的前提小，将成像处理分解成两个一维的LTI系统进行相关处理，并采用频域快速相关算法提高了速度RD算法已非常成熟，并成为衡量其它算法优劣的标准RD算法典型的数字处理流程如图5.2 图5.2: Range-Dopper 算法流程● 预处理这是对SAR回波处理的第一步，一般在SAR平台(卫星，飞机)上实时处理，包括解调和数字化雷达信号的载频较高(～GHz)，不宜直接采样数字化处理，常常通过正交解调方式解调出基带信号，再对基带信号(～MHz)采样数字化，然后存储或传到地面做进一步处理采样后的数据常采用矩阵形式存储，假设方位向发射(采样)N个脉冲，距离向采样得到M每个采样值(图3.2)，则待处理数据是一个的矩阵，如图5.3实际处理时，要在方位向上加窗截断，因此，在方位向上的开始和结束的一段数据(图中影阴区所示)是不充分的，对应的长度均为，表示SAR的合成孔径长度仿真时，这个数据阵是程序根据3.4式产生的图5.3：待处理数据 ● 距离压缩距离向信号是典型的Chirp信号，相关算法是在频域利用FFT进行的Matlab语句为：Refr=exp(j*pi*Kr*tr.^2).*(0

例如，fty的代码为： %%FFT in row of matrixfunction fs=fty(s);fs=fftshift(fft(fftshift(s.))).;● 距离迁移矫正距离迁移是SAR信号处理中必然出现的现象，它的大小随系统参数不同而变化，并不总需要补偿点目标仿真时，可以先不考虑● 方位压缩方位向的处理是SAR成像处理算法最核心的部分正侧式点目标(图2.2)情况下，回波经距离压缩后在方位向也是一Chirp信号，因此其压缩处理同距离压缩处理类似，只是压缩因子不同仿真中，调频斜率已知，因此不需要进行Doppler参数估计● SAR参数SAR平台：水平速度V=100m/s高度H=5000m天线等效孔径D=4mSAR平台与测绘带的垂直斜距R0=11180m(计算结果)发射信号： 载波频率=1GHz Chirp信号持续时间=5usChirp信号调频带宽=30MHz Chirp信号调频斜率=(计算结果) 脉冲重复频率PRF=57.6Hz(计算结果)Doppler调频带宽=50Hz(计算结果)Doppler调频斜率=－5.96(计算结。