《[優(yōu)秀畢業(yè)論文]分布式合成孔徑雷達成像系統(tǒng)設(shè)計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《[優(yōu)秀畢業(yè)論文]分布式合成孔徑雷達成像系統(tǒng)設(shè)計（69頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要由于功能和性能上的要求不斷提高，傳統(tǒng)的合成孔徑雷達的復(fù)雜度、設(shè)計難度和制作運行成本也在不斷增加，根據(jù)目前的技術(shù)水平，其功能和性能擴展已經(jīng)達到一個瓶頸，無法滿足現(xiàn)代雷達探測日益增加的需求。分布式合成孔徑雷達具有有效的抑制相干斑噪聲、寬測繪帶成像、改進切航跡干涉SAR的測高精度和沿航跡干涉SAR的測速精度、可以同時執(zhí)行多種工作模式的任務(wù)、所成圖像質(zhì)量更高、系統(tǒng)功能提升簡便、生存能力強、成本低等特點。因此，本文將開展對分布式合成孔徑雷達成像原理的分析和研究工作，這對于雷達系統(tǒng)多功能化、高性能化的研究具有很重要的現(xiàn)實意義。本文首先介紹了分布式合成孔徑雷達的產(chǎn)生背景、研究意義和發(fā)

2、展現(xiàn)狀。然后闡述了傳統(tǒng)SAR成像和分布式SAR成像的原理，在此基礎(chǔ)上，分別編寫了仿真程序并進行仿真實驗。之后介紹了分布式SAR測高功能的基本原理，并編寫仿真程序進行實驗。最后本文分析實驗結(jié)果，從實驗數(shù)據(jù)得知分布式合成孔徑雷達在性能和功能上有很大優(yōu)勢，能夠良好的滿足各種探測需求。關(guān)鍵詞 分布式合成孔徑雷達；高分辨率成像；測高AbstractFor the increase of demand for functionality and performance, the complexity, the difficulty to design and operating costs of trad

3、itional synthetic aperture radar is also increasing. According to the current technological level, its functionality and performance expansibility have reached a bottleneck, unable to meet the growing demand. Distributed Synthetic Aperture Radar (Distributed SAR), which effectively inhibit the speck

4、le noise, has wide-swath imaging, improves the height resolution of Cross Track Interferometric SAR and the velocity resolution of Along Track Interferometric SAR, performs varied task models at the same time, has high-resolution imaging, expands easily and costs low. Therefore, this article will be

5、 carried out on the analytical and research work of distributed synthetic aperture radar imaging principle, which has important practical significance in multi-function and high-performance research of radar system. This article introduced the background, research significance and development of Dis

6、tributed synthetic aperture radar. And then elaborated on the imaging principles traditional SAR and distributed SAR. On the basis of that, prepare simulation programs and do some simulations. Next step，introduced height measurement principle of distributed SAR, prepare simulation programs and do so

7、me simulations similarly. Finally, we analyze these experimental results. From experimental data, we can find that the distributed synthetic aperture radar has great advantages in the performance and functionality; it can meet a variety of detection needs commendably.Key Word Distributed SAR High-re

8、solution imaging Height measurement目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題的來源、目的和意義11.2 分布式SAR技術(shù)概述21.3 研究現(xiàn)狀21.3.1 TechSAT-21計劃31.3.2 Cartwheel計劃31.3.3 Pendulum計劃41.3.4 Cosmo-Skymed計劃51.3.5 TerraSAR-X與TanDEM雙星編隊計劃51.3.6 SAR-Lupe五星編隊組網(wǎng)計劃51.3.7 國內(nèi)xxx計劃51.4 本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)6第2章 機載SAR成像72.1 SAR成像原理72.1.1 SAR回波信號模型72.1.2

9、SAR成像算法82.2 SAR成像仿真實驗102.2.1 仿真設(shè)置與參數(shù)102.2.2 仿真結(jié)果122.3 本章小結(jié)20第3章 收發(fā)分置SAR成像213.1 收發(fā)分置SAR成像原理213.2 收發(fā)分置SAR成像仿真實驗213.2.1 仿真設(shè)置與參數(shù)213.2.2 仿真結(jié)果223.3 本章小結(jié)24第4章 分布式SAR成像254.1 分布式SAR成像原理254.2 圖像匹配原理254.2.1 統(tǒng)計相關(guān)法264.2.2 分級配準法274.3 分布式SAR成像仿真實驗284.3.1 仿真設(shè)置與參數(shù)284.3.2 仿真結(jié)果294.4 本章小結(jié)36第5章 分布式SAR測高375.1 InSAR測高原理37

10、5.2 InSAR測高數(shù)據(jù)處理流程395.3 相位解纏原理415.4 仿真實驗結(jié)果435.5 本章小結(jié)45結(jié)論46致謝47參考文獻48附錄150附錄25765第1章 緒論1.1 課題的來源、目的和意義現(xiàn)今對SAR功能和性能要求的不斷提高，使得SAR衛(wèi)星的復(fù)雜度、設(shè)計難度和制作運行成本也在不斷增加，其中對天線的要求尤為突出。無論是高分辨率的需求還是地面動目標顯示、高程測量的需求，天線口徑都是要求越大越好。盡管目前對天線的研究已經(jīng)取得了巨大進展，但是按照現(xiàn)有的技術(shù)水平，想要使天線口徑達到幾百平方米仍然是難以做到的。在這樣的背景下，如何使雷達性能挺高的同時盡量降低成本，我們不得不考慮在其他方向?qū)で笸?/p>

11、破。按照傳統(tǒng)思路，隨著探測能力的提高，要求有效載荷系統(tǒng)越來越復(fù)雜，體積重量和功耗越來越大，從而導(dǎo)致制造、運行成本和各種風(fēng)險急劇增加，這樣做很明顯不符合我們的目的。于是就需要換一種新的思路：將一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)通過一定的空間分解，分散成多個相對小而簡單的子系統(tǒng)，然后將這些子系統(tǒng)按一定的規(guī)律組合出一個“虛擬”的龐大復(fù)雜、功能強大的系統(tǒng)1。這就是空間分布式雷達系統(tǒng)的基本概念。與傳統(tǒng)合成孔徑雷達相比，分布式合成孔徑雷達系統(tǒng)具有一系列十分顯著的優(yōu)異性能：（1）可以在不損失空間分辨率和保證信噪比條件下提高SAR圖像的等效視數(shù)，有效的抑制相干斑噪聲；（2）可以在不損失空間分辨率的條件下實現(xiàn)寬測繪帶成像；（

12、3）可實現(xiàn)單次飛越同一觀測區(qū)的干涉SAR模式，極大的改進了切航跡干涉SAR的測高精度和沿航跡干涉SAR的測速精度，這對傳統(tǒng)SAR來講是很難實現(xiàn)的；（4）可以同時執(zhí)行多種工作模式的任務(wù)，這也是普通合成孔徑雷達難以實現(xiàn)的；（5）利用回波信號的空間和和時間特性，通過側(cè)視陣列處理可實現(xiàn)地面靜止目標和運動目標成像，獲得比傳統(tǒng)SAR所成圖像質(zhì)量更高的圖像；（6）通過切換或增加群聚組合中的新單元，可實現(xiàn)系統(tǒng)功能提升和生存能力的提高，使系統(tǒng)具有自適應(yīng)的特點；（7）通過規(guī)?；a(chǎn)，可降低生產(chǎn)和運行等方面的成本并有效提高運行壽命。毫無疑問，隨著研究工作的深入展開，分布式SAR系統(tǒng)必將展現(xiàn)出更多更優(yōu)異的性能2。因此

13、，對分布式SAR進行研究對國防科技現(xiàn)代化和國民經(jīng)濟現(xiàn)代化建設(shè)有著極其重要的意義。1.2 分布式SAR技術(shù)概述分布式SAR組合布局如圖1-1所示。假設(shè)由4個雷達平臺(S1，S2，S3，S4)形成一個分布式群聚組合，它們的整體功能和飛行特性可以用一顆虛擬雷達Sv來表征。整個雷達群聚組合按照等分角度分布在一個以虛擬雷達Sv為圓心，直徑為d的圓周上，此圓周與虛擬雷達Sv處在同一個群聚平面內(nèi)。群聚平面與虛擬雷達地心矢量(由地心指向虛擬衛(wèi)星的矢量)的垂直面保持一個固定的夾角(稱為群聚平面仰角)。它們的SAR波束照射地面的覆蓋區(qū)和投射角度基本相同，使它們具有基本相同的測繪帶。圖1-1 分布式SAR組合及布局

14、圖分布式雷達系統(tǒng)由一組群聚雷達平臺協(xié)同工作，其中每個平臺帶有獨立的相關(guān)接收機，每顆平臺可具有相同或稍有差別的系統(tǒng)參數(shù)；雷達平臺群以天線陣列的形式飛行。來源于每個雷達平臺的數(shù)據(jù)和雷達平臺群群的空間取樣數(shù)據(jù)將被聯(lián)合起來以形成一個單獨、虛擬的雷達，完成單一孔徑雷達的功能。該系統(tǒng)的有效孔徑由數(shù)個衛(wèi)星孔徑的總和確定456。1.3 研究現(xiàn)狀分布式雷達系統(tǒng)概念一經(jīng)提出便得到了各主要國家的積極響應(yīng)，并紛紛提出了自己的研究計劃。下面簡單介紹在星載分布式雷達系統(tǒng)研究方面國際上幾項重要的工作。1.3.1 TechSAT-21計劃這是國際上第一個提出的空間分布式雷達計劃。美國空軍在20世紀90年代末，根據(jù)美國航天新技

15、術(shù)發(fā)展的需要和未來戰(zhàn)爭對美國空軍的要求而提出的一項研究計劃。該計劃的目的一方面是促進衛(wèi)星軌道設(shè)計與優(yōu)化、衛(wèi)星自主控制、星間通信、衛(wèi)星姿態(tài)測量及控制技術(shù)、微推進技術(shù)等航天新技術(shù)的發(fā)展，另一方面也促進新型的雷達系統(tǒng)理論與實現(xiàn)方法的發(fā)展和進步，最終滿足未來戰(zhàn)爭對美國空軍的需要。但是由于該計劃所提出的技術(shù)極大地超前于現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，雖然經(jīng)過4年多的研究，已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)倪M展，但美國國會還是在2004年暫時終止這一研究計劃。其組合布局如圖1-2所示。這種構(gòu)型的優(yōu)勢在于各小衛(wèi)星的離地高度和作用距離基本相等，投射角和波束照射區(qū)域基本相同，這使得各小衛(wèi)星具有基本相同的正側(cè)視測繪帶，成像處理容易;缺點是各個衛(wèi)星既

16、要發(fā)射又要接收信號，因此使整體的運行成本較高，同時實現(xiàn)的難度也較大13。圖1-2 TechSAT-21計劃布局圖1.3.2 Cartwheel計劃由法國CNES和德國的DLR共同提出的研究計劃。該計劃以對地球表面進行三維干涉測量為主要目的，兼顧對海洋洋流的觀測。其實現(xiàn)方式是由三顆只有接收機的小衛(wèi)星形成一個車輪型的編隊并共同與Envisat形成前后順軌的編隊。運用雙站雷達成像技術(shù)在三顆小衛(wèi)星的接收數(shù)據(jù)分別成像并選擇其中兩顆衛(wèi)星的圖像進行干涉，并從干涉相位信息中恢復(fù)出三維地形信息。由于三顆小衛(wèi)星編隊所形成的干涉基線很容易滿足最佳干涉基線的需求，因此可以以較小的代價實現(xiàn)對全球三維地形測量，獲得全球的

17、數(shù)字高程模型。其組合布局如圖1-3所示。由主星發(fā)射信號，各伴隨小衛(wèi)星僅接收地面回波。這個計劃的優(yōu)點在于成本較低，因為只需發(fā)射裝載接收設(shè)備的小衛(wèi)星13。 圖1-3 Cartwheel計劃布局圖1.3.3 Pendulum計劃干涉鐘擺(Interferometric Pendulum)構(gòu)型是德國宇航局在干涉車輪概念的基礎(chǔ)上提出的一種構(gòu)型，主要解決了干涉車輪編隊形式的不足。各小衛(wèi)星軌道傾角和升交點赤經(jīng)略有不同，因而不共軌道面。鐘擺式編隊構(gòu)型的優(yōu)點是能夠形成穩(wěn)定的沿航跡基線，有利于實現(xiàn)動目標檢測功能，并且切航跡基線與沿航跡基線獨立，可以靈活調(diào)整切航跡基線長度滿足不同的需要。缺點是編隊穩(wěn)定性不如干涉車輪

18、，需要消耗能量來保持編隊隊形，因此對軌道控制要求很高。其組合布局如圖1-4所示13。圖1-4 Pendulum計劃布局圖1.3.4 Cosmo-Skymed計劃Cosmo-Skymed是意大利研究部與國防部共同投資的一項空間計劃。該計劃發(fā)射4顆X波段的SAR衛(wèi)星形成編隊，完成對地高分辨率成像的任務(wù)并且可以靈活的改變編隊構(gòu)型以滿足改變觀測分辨率和觀測區(qū)域大小的需求。該編隊系統(tǒng)可同時滿足民用和軍用的對地觀測需要1。1.3.5 TerraSAR-X與TanDEM雙星編隊計劃德國航天局DLR計劃在2006年發(fā)射TerraSAR-X的基礎(chǔ)上，再建造一顆與TerraSAR-X完全相同的衛(wèi)星，命名為“Tan

19、DEM”，使TerraSAR-X與TanDEM形成雙星編隊，完成高精度全球三維地形測量，高程精度將達到2m，地面分辨率也將達到1m。該系統(tǒng)的建成將為德國軍隊提供世界上最精確的全球DEM數(shù)據(jù)1。1.3.6 SAR-Lupe五星編隊組網(wǎng)計劃SAR-Lupe系統(tǒng)將由5顆700kg的小衛(wèi)星，分布在500km軌道高度的三個軌道面上，以滿足對地面目標的快速重返為主要目的。其中第1和第3軌道面上的兩顆衛(wèi)星還能形成順軌干涉，形成GMTI能力。SAR-Lupe以滿足德國軍方對敏感地區(qū)進行偵察和快速監(jiān)視的軍事需求為主要目的。SAR-Lupe的研究者還提出了另一個應(yīng)用，即對國際空間站進行高分辨率成像。SAR-Lup

20、e計劃在2006-2007年間的連續(xù)6個月內(nèi)發(fā)射1。1.3.7 國內(nèi)xxx計劃早在“九五”期間，我國在分布式小衛(wèi)星編隊，以及分布式干涉SAR的有關(guān)理論方面做了很多研究工作。北航、國防科大、哈工大、清華、北京控制工程研究所和中國空間技術(shù)研究院等對衛(wèi)星編隊的軌道構(gòu)型、軌道動力學(xué)特性和攝動影響及軌道保持的控制方面進行了研究。這些大學(xué)和科研院所對分布式衛(wèi)星的幾種不同應(yīng)用提出了初步的設(shè)計方案，如:對分布式小衛(wèi)星SAR成像、分布式電子偵察、分布式光學(xué)觀測和分布式尖端導(dǎo)航等應(yīng)用提出了布星方案和設(shè)計要求與指標。2004年4月，我國發(fā)射成功了試驗小衛(wèi)星和微衛(wèi)星平臺，為我國進一步發(fā)展分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)奠定了基

21、礎(chǔ)。西安電子科技大學(xué)雷達與信號處理國家重點實驗室于2001年開始對分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)進行研究，在寬域和高分辨率SAR成像、GMTI、多基線InSAR三維地形重構(gòu)和陣列誤差估計等方面提出了一些有效的處理方法。中科院電子所對分布式小衛(wèi)星SAR進行了相關(guān)研究;“十五”預(yù)研計劃、863的小SAR和INSAR、973項目“小衛(wèi)星分布式雷達新概念新機理”對分布式小衛(wèi)星SAR新概念體制重點攻關(guān)1。1.4 本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)本文論述了分布式SAR和傳統(tǒng)SAR的成像原理和測高原理。針對分布式合成孔徑雷達的特點，通過仿真實驗在性能和功能上與傳統(tǒng)合成孔徑雷達進行了一些比較分析。主要研究內(nèi)容包括：（1） 論述傳

22、統(tǒng)合成孔徑雷達的成像原理，根據(jù)原理編寫了仿真程序并對點目標進行了成像、分辨率、旁瓣等仿真實驗；（2） 論述分布式合成孔徑雷達的成像原理，根據(jù)原理編寫了仿真程序并對點目標進行了成像、分辨率、旁瓣等仿真實驗；（3） 論述分布式合成孔徑雷達的測高原理，根據(jù)原理編寫了仿真程序并進行了一系列點目標測高實驗；（4） 通過實驗數(shù)據(jù)對分布式SAR和傳統(tǒng)SAR的功能和性能進行比較，得出結(jié)論。本文結(jié)構(gòu)如下：第1章，介紹本課題的目的、意義以及本課題相關(guān)的技術(shù)，并對國內(nèi)外各種分布式合成孔徑雷達計劃進行比較分析；第2章，介紹傳統(tǒng)合成孔徑雷達的成像原理，列舉仿真實驗數(shù)據(jù)；第3章，介紹收發(fā)分置合成孔徑雷達的成像原理，列舉仿

23、真實驗數(shù)據(jù)；第4章，介紹分布式合成孔徑雷達的成像原理，列舉仿真實驗數(shù)據(jù)。對比二者實驗數(shù)據(jù)，得出分析結(jié)果；第5章，介紹分布式合成孔徑雷達的測高原理，列舉仿真實驗數(shù)據(jù)；第6章，總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)，給出本次研究的結(jié)論。第2章 機載SAR成像2.1 SAR成像原理2.1.1 SAR回波信號模型SAR在運動過程中，以一定的PRT(Pulse Repetition Time,脈沖重復(fù)周期)發(fā)射和接收脈沖，天線波束照射到地面上近似為一矩形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)各散射元（點）對入射波后向散射，這樣，發(fā)射脈沖經(jīng)過目標和天線方向圖的調(diào)制，攜帶目標和環(huán)境信息形成SAR回波。從時域來看，發(fā)射和接收的信號都是一時

24、間序列7。發(fā)射序列中，為chirp信號持續(xù)時間，下標表示距離向(Range)；PRT為脈沖重復(fù)周期；接收序列中，表示發(fā)射第個脈沖時，目標回波相對于發(fā)射序列的延時；陰影部分表示雷達接收機采樣波門，采樣波門的寬度要保證能罩住測繪帶內(nèi)所有目標的回波。雷達發(fā)射序列的數(shù)學(xué)表達式為： (2-1)式(2-1)中，表示矩形信號，為距離向chirp信號的調(diào)頻斜率，為載頻8。雷達回波信號由發(fā)射信號波形，天線方向圖，斜距，目標RCS，環(huán)境等因素共同決定，若不考慮環(huán)境因素，則單點目標雷達回波信號可寫成： (2-2)式(2-2)中，為點目標的雷達散射截面, 表示點目標天線方向圖雙向幅度加權(quán)， 表示載機發(fā)射第n個脈沖時，

25、電磁波在雷達與目標之間傳播的雙程時間，代入（2-2）式得： (2-3)(2-3)式就是單點目標回波信號模型。其中， 為chirp分量，它決定距離向分辨率，為Doppler分量，它決定方位向分辨率7。距離向變量遠大于方位向變量t(典型相差量級)，于是一般可以假設(shè)SAR滿足“停走?！蹦Ｊ?，即SAR在發(fā)射和接收一個脈沖信號中間，載機未發(fā)生運動。為了理論分析方便，稱為慢時間變量(slow time)，稱t為快時間變量(fast time)于是，一維回波信號可以寫成二維形式，正交解調(diào)去除載波后，單點目標的回波可寫成： (2-4)2.1.2 SAR成像算法SAR的回波數(shù)據(jù)不具有直觀性，不經(jīng)處理人無法理解它

26、。從原理上講，SAR成像處理的過程是從回波數(shù)據(jù)中提取目標區(qū)域散射系數(shù)的二維分布，本質(zhì)上是一個二維相關(guān)處理過程,因此最直接的處理方法是對回波進行二維匹配濾波，但其運算量很大，再加上SAR的數(shù)據(jù)率本來就高，這使得實時處難于實現(xiàn)。通常，可以把二維處理過程分解成距離向和方位向兩個一維過程，Range-Doppler Algorithm（簡稱RD算法）就是采用這種思想的典型算法，本次畢業(yè)設(shè)計主要使用RD算法。RD算法典型的數(shù)字處理流程如圖2-1。 預(yù)處理預(yù)處理是對SAR回波進行處理的第一步，一般在SAR平臺(例如：衛(wèi)星，飛機等)上實時處理，包括解調(diào)和數(shù)字化。雷達信號的載頻一般比較高(GHz)，不宜直接采

27、樣數(shù)字化處理，常常通過正交解調(diào)方式解調(diào)出基帶信號，再對基帶信號(MHz)采樣數(shù)字化，然后存儲或傳送到地面做進一步處理。采樣后的數(shù)據(jù)一般采用矩陣形式存儲，假設(shè)方位向發(fā)射(采樣)N個脈沖，距離向采樣得到M每個采樣值，則待處理數(shù)據(jù)應(yīng)該是一個的矩陣。 圖2-1 距離-多普勒算法流程 距離壓縮距離向信號是典型的Chirp信號，相關(guān)算法是在頻域利用FFT進行的。公式如下：， (2-5)下標r表示公式為距離向（逆）傅里葉變換，Kr和Tr分別是Chirp信號的調(diào)頻斜率和脈沖持續(xù)時間，表示距離壓縮參考函數(shù)。 距離遷移矯正距離遷移是SAR信號處理中必然出現(xiàn)的現(xiàn)象，它的大小隨系統(tǒng)參數(shù)不同而變化，并不總需要補償。點目

28、標仿真時，暫時先不考慮。 方位壓縮正側(cè)視點目標情況下，回波經(jīng)距離壓縮后在方位向也是一Chirp信號，因此其壓縮處理同距離壓縮處理類似，只是壓縮因子不同。， （2-6）下標a表示公式為方位向（逆）傅里葉變換， 表示方位壓縮參考函數(shù)。2.2 SAR成像仿真實驗2.2.1 仿真設(shè)置與參數(shù)本次仿真采用機載平臺合成孔徑雷達，正側(cè)視模型，模型如圖2-2。設(shè)飛機為勻速直線運動，其他情況均為理想情況，仿真所需參數(shù)見表2-1。表2-1 SAR仿真參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值平臺水平速度V=100m/s平臺高度H=4000m測繪帶中心坐標X，Y=0,10000m距離向水平分量范圍Y-Y0,Y+Y0=9500,10500m方

29、位向范圍-X0,X0=-500,500m信號載波頻率=3GHz信號持續(xù)時間=5us信號調(diào)頻帶寬=50MHz目標個數(shù)Ntarget=3目標位置矩陣（單點）（成像）（成像分辨率）圖2-2 單機SAR模型其他仿真參數(shù)如合成孔徑長度、多普勒分辨率、采樣點數(shù)等由仿真過程中計算得到。2.2.2 仿真結(jié)果2.2.2.1 單點目標仿真結(jié)果仿真程序首先為根據(jù)設(shè)置計算仿真所需參數(shù)，具體參數(shù)如表2-2。表2-2 SAR仿真過程中參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值信號波長Lambda=0.1m合成孔徑長度Lsar=269.26m合成孔徑時間Tsar=2.6926s多普勒調(diào)諧斜率Ka=-18.57Hz/s多普勒調(diào)諧頻寬Ba=50Hz/

30、s慢時域采樣頻率PRF=80.677Hz慢時域采樣點數(shù)Nslow=1024快時域采樣頻率Fsr=182.95MHz快時域采樣點數(shù)Nfast=2048方位向分辨率DX=2m距離向分辨率DY=3m而后仿真程序根據(jù)以上參數(shù)生成回波，回波表示為一個NslowNfast的矩陣。最后按照成像流程對回波進行成像。單點距離壓縮后成像結(jié)果如圖2-3，點目標成像如圖2-4，目標距離向壓縮后3D圖如圖2-5，目標成像3D圖如圖2-6，目標距離向旁瓣圖如圖2-7，目標方位向旁瓣圖如圖2-8。每個圖分為對回波加窗濾波后圖像和不加窗圖像。圖2-3 加窗點目標距離壓縮后圖像（左）、不加窗點目標距離壓縮后圖像（右）圖2-4

31、加窗后單點目標成像（上）、不加窗單點目標成像（下）圖2-5 加窗后目標距離向壓縮后3D（左）、不加窗目標距離向壓縮后3D（右）圖2-6 加窗后目標成像3D圖（左）、不加窗目標成像3D圖（右）圖2-7 加窗后目標距離向旁瓣圖（左）、不加窗目標距離向旁瓣圖（右）圖2-8 加窗后目標方位向旁瓣圖（左）、上加窗目標方位向旁瓣圖（右）通過查找復(fù)圖像矩陣最大值的方法可對成像點進行定位，結(jié)果為：方位向位置為0m，距離向位置為10770m。通過以上實驗數(shù)據(jù)可知：經(jīng)過成像處理的復(fù)圖像數(shù)據(jù)包絡(luò)距離向旁瓣比約為-13.35dB，方位向旁瓣比約為-17.71dB；若對回波加窗（本畢業(yè)設(shè)計中使用漢明窗濾波）濾波后在進行

32、成像則距離向旁瓣比約為-42.33dB，方位向旁瓣比約為-42.1dB。體現(xiàn)在成像中結(jié)果是不加窗圖像在距離向方位向上存在多個旁瓣所成出的點的虛影，而通過加窗來對回波進行濾波后這一狀況得到明顯改善。同時根據(jù)仿真結(jié)果可知目標方位向、距離向位置均與實際值相同。另外，當(dāng)目標不是恰好位于采樣點處則會存在誤差。進一步結(jié)合采樣間距計算可知：距離向理論最大誤差為dr/2=0.8199m，方位向理論最大誤差為da=1.2395m。2.2.2.2 多點目標仿真結(jié)果多點目標仿真過程中產(chǎn)生參數(shù)與單點目標相同，回波相當(dāng)于三個單獨的點目標所產(chǎn)生的回波相加。本次仿真中回波已經(jīng)過加窗濾波。多點目標仿真結(jié)果如圖2-9至圖2-1

33、3所示。圖2-9表示多點目標距離向壓縮后所成的像；圖2-10表示多點目標實際位置圖像；圖2-11表示多點目標仿真圖像；圖2-12表示距離向壓縮后所成3D圖像；圖2-13表示多點目標仿真3D圖像。根據(jù)仿真結(jié)果中距離向壓縮后成像圖及其3D圖可清晰觀測距離多普勒算法的執(zhí)行過程；由多點目標成像圖和多點目標實際位置圖可知距離多普勒算法成像與實際位置相符，仿真程序正確，可以滿足進一步研究的要求。圖2-9 多點目標距離壓縮后成像圖2-10 多點目標實際位置圖2-11 多點目標成像圖2-12 多點目標距離壓縮后3D成像圖2-13 多點目標3D成像圖2-14 多點實際位置用于分辨率研究圖2-15 多點成像用于分

34、辨率研究圖2-16 多點成像3D圖用于分辨率研究2.2.2.3 分辨率研究實驗仿真結(jié)果選取三個點，一個位于測繪范圍中心點，另兩個分別在距離向和方位向進行平移，直到能夠清晰分辨出三個獨立點為止。仿真中回波已經(jīng)過濾波。仿真結(jié)果如圖2-14至圖2-16所示。通過仿真可見在距離向相距為2DY=6m，方位向相距3DX=6m可以清晰分辨出三個獨立點。即仿真方位向分辨率為6m，距離向分辨率為6m。此結(jié)果產(chǎn)生于全測繪區(qū)域成像中，如果僅進行部分區(qū)域成像則可進一步提高分辨率。2.3 本章小結(jié)本章首先簡述了合成孔徑雷達的成像原理，并對點目標成像進行了分析。其后根據(jù)成像原理進行了對點目標成像、點目標分辨率、加窗濾波及

35、旁瓣對成像的影響等方面的仿真實驗研究，得出了實驗數(shù)據(jù)。最后根據(jù)仿真實驗數(shù)據(jù)初步得出了對合成孔徑雷達成像的分析結(jié)果。第3章 收發(fā)分置SAR成像3.1 收發(fā)分置SAR成像原理收發(fā)分置式SAR與普通合成孔徑雷達相似。主要區(qū)別在于回波不同。普通合成孔徑雷達回波中由表示斜距，發(fā)射平臺斜距與接收平臺斜距相等；收發(fā)分置合成孔徑雷達中發(fā)射平臺斜距與接收平臺斜距不相等，故在回波表達式中會出現(xiàn)雙根號形式，回波表達式如下： （3-1）其中分別代表發(fā)射平臺和接收平臺到點目標的斜距，由于斜距為根號形式，故式（3-1）為雙根號形式。因此收發(fā)分置SAR的等距面為橢球面，而普通合成孔徑雷達的等距面為球面910。成像算法仍采用

36、距離-多普勒算法過程與2.1節(jié)中介紹的SAR成像原理相同。3.2 收發(fā)分置SAR成像仿真實驗3.2.1 仿真設(shè)置與參數(shù)本次收發(fā)分置式合成孔徑雷達成像仿真實驗中設(shè)定發(fā)射和接收雷達平臺均采用機載平臺，兩平臺平行飛行且均處于正側(cè)視狀態(tài)。具體模型如圖3-1。主機（雷達發(fā)射平臺）、測繪帶、雷達信號等基本參數(shù)與單機合成孔徑雷達仿真中相同；輔機（雷達接收平臺）與雷達發(fā)射平臺垂直航跡基線為500m，沿航跡基線為0m，且接收平臺位于發(fā)射平臺和目標之間，其他參數(shù)與主機相同。平臺處于理想飛行狀態(tài)下。圖3-1 收發(fā)分置SAR模型3.2.2 仿真結(jié)果距離壓縮后成像如圖3-2，單點成像如圖3-3，距離壓縮后3D成像圖如圖

37、3-4，3D成像圖如圖3-5。根據(jù)實驗結(jié)果可知，收發(fā)分置式合成孔徑雷達可以對點目標清晰成像，可以滿足本文進一步的研究需求。圖3-2 收發(fā)分置SAR距離壓縮后成像圖3-3 收發(fā)分置SAR成像圖3-4 距離壓縮后3D成像圖3-5 收發(fā)分置3D成像圖3.3 本章小結(jié)本章分析了收發(fā)分置式SAR成像的原理，與普通SAR成像的區(qū)別在于普通SAR成像中等距面是球面而收發(fā)分置SAR成像中等距面是橢球面。根據(jù)仿真結(jié)果分析，收發(fā)分置式SAR成像與普通SAR成像區(qū)別不大。主要區(qū)別仿真過程中距離向采樣間距有微小差別，這一差別也導(dǎo)致了分布式SAR成像過程中所需要圖像配準的產(chǎn)生。第4章 分布式SAR成像4.1 分布式SA

38、R成像原理首先通過多個平臺上的雷達對相同測繪帶區(qū)域進行探測，分別得到不同的回波，然后通過對各回波進行成像處理得到各自的復(fù)圖像，將這些復(fù)圖像進行圖像匹配，最后進行非相干疊加即可得到分布式SAR成像圖，流程如圖4-1。分布式SAR主瓣與普通SAR相比更窄，并且旁瓣更小，因此分布式SAR有著更好的成像性能11。圖4-1 分布式SAR成像流程圖4.2 圖像匹配原理圖像配準是對兩幅圖像進行空間幾何變換,使得圖像對的共有特征能夠匹配對應(yīng)起來的過程，它是影像處理和分析的一個重要步驟,廣泛地應(yīng)用于多源遙感數(shù)據(jù)的融合分析、多時相遙感圖像的變化檢測和高程重建等方面。現(xiàn)有的圖像配準方法分為手動配準與自動配準。為了獲

39、得精確的結(jié)果，手動配準必須在圖像上選取較多的控制點，這是一個繁瑣、重復(fù)、耗時的工作。而自動配準只需要少或不需要人為的干預(yù)，在較短時間就能夠完成，同時還可以達到較高的精度，一直是研究的熱點。SAR圖像對的配準是以一幅SAR圖像為基準圖，另一幅為配準圖，通過對配準圖的移位、重采樣等操作，使兩幅圖中同樣位置的像素點在一定精度內(nèi)對應(yīng)于地面的同一點。配準過程可以分為觀察配準、像素配準和亞像素配準三個相連的步驟。觀察配準是觀察圖像并進行整體移位，一般可以配準到100個像素偏差以內(nèi)。對于這種觀察配準并沒有精度要求，只是偏差越小后面像素配準中的搜索范圍就可以越小，像素配準速度也就越快。像素配準也是整體移位配準

40、，精度要求平均偏差在一個像素范圍以內(nèi)。亞像素配準要求的配準精度更高，一般要在0.1像素以內(nèi)，它在各個小區(qū)域范圍內(nèi)進行，涉及插值重采樣，因而能夠達到這種精度要求。4.2.1 統(tǒng)計相關(guān)法目前SAR圖像的配準通常采用統(tǒng)計相關(guān)方法、最大譜估計方法和平均波動函數(shù)法。在本節(jié)，我們主要介紹統(tǒng)計互相關(guān)方法。統(tǒng)計相關(guān)函數(shù)法是圖像配準的基本算法，在圖像處理中常用于模板匹配或模式識別。這種方法的核心思想是以一幅圖像為模板，稱之為主圖像，通過在另一幅圖像(輔圖像)中上、下、左、右地滑動，獲得一系列的相關(guān)函數(shù)值，由于該函數(shù)值的大小反映了圖像間相似程度的高低，所以相關(guān)曲面峰值所對應(yīng)的位置即被認為是圖像正確匹配的位置。就S

41、AR復(fù)數(shù)圖像的配準而言，需要特別指出的是相關(guān)運算可以僅利用復(fù)數(shù)圖像的幅度信息，也可以在復(fù)數(shù)域內(nèi)進行，研究表明幅度相關(guān)法的抗噪聲能力要強于復(fù)相關(guān)函數(shù)法。另外，在離散像素偏移基礎(chǔ)上獲得的相關(guān)曲面還必須進一步做插值運算獲得亞像素級的配準參數(shù)，以達到要求的配準精度12。令兩幅圖像的幅度分別為，大小都為 MN的矩陣，則可得二者的幅度相關(guān)函數(shù)為： （4-1）u，v分別為方位向和距離向的偏移，使最大的u，v即為待求的配準偏移參數(shù)。若以復(fù)數(shù)相關(guān)系數(shù)作為衡量尺度，為兩幅復(fù)數(shù)圖像，則： （4-2）統(tǒng)計相關(guān)函數(shù)法思路簡單，又可以利用FFT加速計算過程，通常作為SAR復(fù)數(shù)圖像配準的首選算法。4.2.2 分級配準法當(dāng)配

42、準中心處的圖像粗配準后，配準邊緣區(qū)域的圖像可能還相差幾個像素沒有配準，這時，經(jīng)過粗配準后的圖像并沒有達到一個像素內(nèi)的精度，因此，在這種情況下，如果繼續(xù)精配準，就會出現(xiàn)基準圖像的一個像素點對應(yīng)著配準圖像的兩個像素點，無法獲得精確的配準圖?；诖朔N情況，提出了一種分級配準(Hierarchical Registration，簡稱HR)方法，該方法采用分級處理的思想，自上而下并行處理，提高了粗配準階段的精度和配準處理速度，而且還提高了配準的效率和精度12。以20482048大小的圖像對為例，HR方法的過程如下:1.一級粗配準。HR方法選取主圖像和輔圖像中間的點作為控制點，以該點為中心，在主圖像截取2

43、00200的圖像塊作為基準圖，在輔圖像截取300300的圖像塊作為搜索圖，基準圖在搜索圖內(nèi)移動，每移動一個像素點，計算一次相關(guān)系數(shù)，尋找相關(guān)系數(shù)最大的像素點，該點相對于控制點的偏移量和方向即為一級粗配準的偏移矢量。將主輔圖像分別做偏移，使其重合。2.二級粗配準由于圖像塊較大，經(jīng)過第一級粗配準后，配準精度未必在一個像素以內(nèi)，由于距離向比例因子效應(yīng)的影響，使得在遠距處，同一像素點在主輔圖像的偏移量加大，導(dǎo)致配準精度降低。將主圖象分割成 MN小塊，相鄰的小塊之間重疊幾個像素。設(shè)每一小塊的大小是pq，對每一個小塊，在輔圖像中截取相應(yīng)的搜索圖，大小為(p+p) (q+q)，然后分別對MN個小塊進行粗配準

44、，得到偏移矢量，對主圖像的MN個小塊分別做偏移。3.精配準精配準階段采用“控制點一插值”的方法來擴充圖像，而后根據(jù)以上圖像配準方法完成。4.組合將 MN各個小塊拼接在一起，在重疊的像素點處，取偏移量較小的像素點作為最終的像素點，因為偏移量大的點很可能對應(yīng)著輔圖像的前一個或者后一個小塊的像素點。4.3 分布式SAR成像仿真實驗4.3.1 仿真設(shè)置與參數(shù)本次分布式合成孔徑雷達成像仿真的發(fā)射和接收雷達平臺均采用機載平臺，兩平臺平行飛行且均處于正側(cè)視狀態(tài)。發(fā)射平臺發(fā)射探測電波并接收回波，接受平臺同時接收回波。模型如圖4-3。圖4-3 分布式SAR模型雷達發(fā)射平臺、測繪帶、雷達信號等基本參數(shù)與單機合成孔

45、徑雷達仿真中相同；雷達接收平臺與雷達發(fā)射平臺垂直航跡基線為500m，沿航跡基線為0m，且接收平臺位于發(fā)射平臺和目標之間。平臺處于理想飛行狀態(tài)下。假定時間同步、空間同步、相位同步。4.3.2 仿真結(jié)果4.3.2.1 單點成像仿真結(jié)果將普通合成孔徑雷達仿真程序與收發(fā)分置式合成孔徑雷達進行合并，添加圖像配準及疊加成像程序。單點仿真結(jié)果：分布式單點成像如圖4-4，分布式單點3D如圖4-5，距離向旁瓣對比圖如圖4-6至圖4-9，方位向旁瓣對比圖如圖4-10至圖4-13。圖4-4 分布式單點成像圖4-5 分布式單點3D圖4-6 單機距離向旁瓣（加窗）圖4-7 分布式距離向旁瓣（加窗）圖4-8 單機距離向旁

46、瓣（不加窗）圖4-9 分布式距離向旁瓣（不加窗）圖4-10 單機方位向旁瓣（加窗）圖4-11 分布式方位向旁瓣（加窗）圖4-12 單機方位向旁瓣（不加窗）圖4-13 分布式方位向旁瓣（不加窗）有實驗數(shù)據(jù)可以看出分布式合成孔徑雷達旁瓣比普通合成孔徑雷達旁瓣有了明顯改善，提高了成像分辨率。為了進一步更清晰的觀測分辨率的改進，在下面進行分布式SAR多點成像和普通SAR多點成像的對比仿真實驗。4.3.2.2 多點成像仿真結(jié)果首先比較多點旁瓣，旁瓣圖如圖4-14至4-15。圖4-14 單機多點距離向旁瓣（左）、分布式多點距離向旁瓣（右）圖4-15 單機多點方位向旁瓣（左）、分布式多點方位向旁瓣（右）可見

47、分布式SAR成像中主瓣寬度小于普通SAR，即分布式SAR成像存在更高的分辨率。多點成像圖如圖4-16至4-18所示。由仿真結(jié)果比較可知分布式SAR同普通SAR相比有著更高的清晰度與更好的分辨率。仿真過程中配準區(qū)域主圖像取200200像素范圍，輔圖像取300300像素范圍。主輔圖像間配準區(qū)域中心位置相差0.0020個像素單元，配準區(qū)域邊緣位置相差0.2034個像素單元；距離向范圍大小為81.9895m，方位向范圍為123.9510m。圖4-16 單機多點實際位置圖圖4-17 單機多點成像圖圖4-18 分布式多點成像圖4.4 本章小結(jié)本章對分布式合成孔徑雷達成像原理進行了分析并進行了仿真實驗。根據(jù)

48、實驗結(jié)果得出了結(jié)論：分布式合成孔徑雷達在清晰度、分辨率、旁瓣抑制等方面明顯優(yōu)于普通合成孔徑雷達。第5章 分布式SAR測高上面章節(jié)對分布式合成孔徑雷達的性能進行了研究和分析。本章將對分布式合成孔徑雷達的功能進行分析。分布式SAR可以進行動目標檢測和測高功能，這是普通合成孔徑雷達很難做到的。當(dāng)兩個合成孔徑雷達基線存在沿航跡分量時可以實現(xiàn)動目標檢測功能13，當(dāng)兩個合成孔徑雷達基線存在垂直航跡分量時可以實現(xiàn)測高功能。分布式合成孔徑雷達測高原理即采用干涉測高原理。干涉合成孔徑雷達利用同一地形的兩幅稍有差異的復(fù)SAR圖像進行干涉處理，在復(fù)圖像上產(chǎn)生相位差，形成干涉相位圖。而干涉相位圖包含了斜距向的點和兩天

49、線位置差的精確信息。因此利用平臺高度、雷達波長、波束視角以及天線的幾何關(guān)系就可以得到觀測地形的每一點的三維信息和變化信息。本章簡單介紹InSAR的測高原理、InSAR的數(shù)據(jù)處理過程以及其應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢。5.1 InSAR測高原理SAR干涉測量地形高程幾何結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1 SAR干涉測量地形高程幾何結(jié)構(gòu)圖圖中S1和S2分別為兩個SAR平臺，O為地心，y為平臺飛行方向，z為地心與S1的連線方向，x，y，z構(gòu)成右手坐標系，B為天線距，和分別為其方向角和高低角，P為觀測地形上某一散射點，和分別為S1到點P的下視角和斜視角。S1和S2雷達回波信號分別記為s1和s2，其可表示為： （5-1

50、）其中、為回波信號強度，、為回波信號相位。相位信息由兩部分組成：一是往返的路徑確定的相位，二是不同散射特征造成的隨機相位，即有： （5-2）這里為雷達波長，前面的系數(shù)2表示計算往返雙程，、表示不同散射特征造成的隨機相位。由于、是由同一個點P產(chǎn)生的隨機相位，因此可以認為兩幅圖像中隨機相位是相同的，即：=。由于入射角的差異使得兩幅圖像不是完全重合的，所以進行干涉處理前需要對它們進行干涉復(fù)圖像對的配準，然后復(fù)共扼相乘便得到復(fù)干涉條紋圖： （5-3）從上式可以看出雖然干涉相位圖的相位不能確定，但是兩幅圖像的相位差卻能由信號的路徑差得到，用表示相位差，則： （5-4）由圖5-1，在的條件下，可以近似認為

51、是向量在向量上的投影，而向量，向量，從而有： （5-5）將式（5-5）帶入式（5-4）得到： （5-6）由上式可知，下視角可以由基線距B、方向角、高低角、斜視角及距離差得到。得到后，再由下式計算P點與地心O的距離h： （5-7）最后利用地理編碼的先驗知識將h換算為P點的實際高程。從上面分析可以知道，我們可以從衛(wèi)星高度H、基線距B、方向角、高低角、斜視角、相位差以及一個相位到散射點的距離這七個特征量便可以得到散射點的高度信息14151617，這就是InSAR的測高原理。5.2 InSAR測高數(shù)據(jù)處理流程從InSAR的測高原理可以知道，SAR復(fù)數(shù)圖像數(shù)據(jù)中既包括強度信息又包括相位信息，其中相位信息

52、中含有距離信息，干涉合成孔徑雷達正是利用SAR復(fù)數(shù)圖像數(shù)據(jù)中的相位信息獲得地面目標的高度的。根據(jù)上一節(jié)對測高原理的描述，可將干涉SAR高程重建過程分為以下幾個主要環(huán)節(jié)：1)分別進行兩幅原始SAR回波數(shù)據(jù)成像。2)對兩幅SAR復(fù)圖像依次進行像元級配準和亞像元級配準，并對兩幅SAR圖像進行必要的預(yù)濾波。3)計算SAR圖像對的干涉相位，去除因平地效應(yīng)引起的附加相位，進行相位濾波。4)相位解纏，得到展開的相位。5)根據(jù)展開的相位，利用控制點信息、參數(shù)信息和成像幾何關(guān)系，計算每一像元點的高度值，完成干涉SAR高程重建。整個過程大致如圖5-2。測高流程中圖像配準已經(jīng)在上一章中重點介紹過了，配準后的圖像經(jīng)過

53、共軛相乘得到干涉相位圖。由于系統(tǒng)本身空間位置不同，視角稍有變化，使得方位向或距離向上高度相同的點，產(chǎn)生線性變化的干涉相位條紋，稱為平地效應(yīng)。由于平地效應(yīng)的影響，會造成干涉條紋過密，影響后續(xù)的相位展開，所以一般在相位展開前，需要消除平地效應(yīng)的影響。消除平地效應(yīng)的方法較多，主要有基于軌道參數(shù)和成像區(qū)域中心點的大地經(jīng)緯度計算平地效應(yīng)、根據(jù)圖像能量計算平地效應(yīng)和通過計算占優(yōu)勢的干涉條紋頻率來計算平地相位，然后消除平地效應(yīng)。一般情況下采用通過估計距離向和方位向條紋的平均頻率然后去除的方法。圖5-2 干涉測高原理流程圖考慮在一個窗口M N內(nèi)的復(fù)數(shù)邊緣模型： （5-8）其中，M，N為奇數(shù)，分別表示窗口兩個方

54、向的維數(shù)，是方差為的隨機幅度；、分別是窗口內(nèi)行方向和列方向的真實局部頻率；是沒有噪聲污染的原始信號；是收到的信號，受到與原始信號不相關(guān)且方差為的噪聲污染；為沒有噪聲污染的展開相位。配準后的干涉條紋，包含有兩方面的信息：斜距信息和地面點的高度信息。所以我們首先估計距離向和方位向的局部頻率，然后根據(jù)下式去除平地影響： （5-9）其中，、分別是方位向和距離向平地條紋頻率估計值。需要說明的是，平地相位的去除只是為了減小條紋密度從而減輕相位濾波和相位展開的難度，在高程重建之前，需要再將平地相位的絕對相位分量加入展開相位，從而得到完整的絕對相位。濾波降噪過程是為了在保持干涉條紋結(jié)構(gòu)信息和圖像空間分辨率的前

55、提下對干涉噪聲進行有效地抑制。干涉相位圖的噪聲主要包括:干涉SAR系統(tǒng)的空間去相關(guān)、時間去相關(guān)等因素引發(fā)的噪聲、SAR圖像的相干斑噪聲、由雷達系統(tǒng)本身引起的熱噪聲。傳統(tǒng)干涉相位圖濾波方法一般采用均值濾波和中值濾波。本次課程設(shè)計中由于仿真實驗為理想狀態(tài)下測量，所以不存在以上去相關(guān)噪聲等，故不進行進一步分析。最后經(jīng)過相位解纏，再根據(jù)測高的幾何原理即可求得目標高度，建立數(shù)字高程圖。5.3 相位解纏原理對InSAR測高來說，圖像配準和相位解纏兩個步驟是重點，其中圖像匹配的原理方法在4.2節(jié)中已經(jīng)介紹過，這一節(jié)將主要介紹相位解纏原理。干涉SAR系統(tǒng)得到的測量干涉相位是被纏繞在主值區(qū)間內(nèi)的，即： （5-1

56、0）其中為將真實相位纏繞到區(qū)間并輸出纏繞干涉相位的纏繞算子，。因此，為了得到真實干涉相位，必須對進行相位展開。即給定的主值，找到其估計值。干涉SAR信號處理中的相位展開是基于二維離散采樣數(shù)據(jù)的，其二維離散坐標系下的數(shù)學(xué)表示為：假設(shè)相位對求模后在一個離散網(wǎng)格(下標i、j對應(yīng)x軸、y軸方向)上的纏繞相位值為： （5-11）給定，希望能夠在同樣的網(wǎng)格點位置得到真實相位的估計。如果沒有任何先驗知識，難以從恢復(fù)。然而，纏繞相位的黑白相接處的幅度達的相位不連續(xù)現(xiàn)象一般不可能是由自然地形引起的，于是相位梯度成為了可能將系統(tǒng)纏繞算子的干擾從纏繞相位中分離出來的一個有用量。定義二維離散坐標系下函數(shù)F的偏導(dǎo)數(shù)為：

57、 （5-12）記為梯度形式為： （5-13）上式中的x和y 上標分別對應(yīng)于x和y軸方向的偏導(dǎo)數(shù)和相位梯度分量。進一步定義二維矢量場的旋度(標量場)離散形式為： （5-14）上式中相當(dāng)于采樣點(i,j)的22鄰域內(nèi)的環(huán)路積分。由矢量場理論知道，梯度場(或任意保守場，也稱非旋轉(zhuǎn)場)的旋度為零，即。相位展開的一個通用的限定條件為：在充分采樣的數(shù)據(jù)中，真實相位梯度的各分量幅度在任何地方均小于弧度，即相鄰采樣點(像元點)的真實相位差應(yīng)該在區(qū)間內(nèi)： （5-15）有了這個限定條件，從纏繞相位中就可以正確地得到真實相位梯度的估計，對求和(積分)即可得到真實相位的估計。相位展開算法通常分為兩個步驟：第一步，利用

58、纏繞相位估計展開相位梯度；第二步，沿著合適的路徑進行積分1819。相位展開的方法可以分為兩大類：基于路徑跟蹤的相位解纏和基于最小二乘法的相位解纏。由以上原理可知：因為設(shè)定點意外的點散射系數(shù)為0，即除特定點外區(qū)域相當(dāng)于虛空無回波，所以無法滿足相鄰采樣點之間真實相位差在區(qū)間內(nèi)的條件。故單點測高仿真無法利用相位差做到波長級別的精確。5.4 仿真實驗結(jié)果首先單純根據(jù)干涉測高的幾何原理進行仿真。雷達發(fā)射平臺、雷達信號等基本參數(shù)與單機合成孔徑雷達仿真中相同；測繪帶中心與主機水平距離1000m，測繪帶距離向水平范圍-150,150m，方位向范圍-500,500m, 高度范圍-500,500m；雷達接收平臺與

59、雷達發(fā)射平臺垂直航跡基線為100m，沿航跡基線為0m，且接收平臺位于發(fā)射平臺和目標之間。（此處設(shè)定測繪帶中心與主機水平距離1000m是為了使下視角較小以減少誤差。）對測繪帶中心點進行測高實驗，實驗結(jié)果見表5-1。表5-1 測高仿真實驗結(jié)果實際高度/m測量高度/m誤差/m相對波長倍數(shù)500500.03070.03070.307300298.77571.224312.24310098.87831.121711.2175050.60950.60956.095109.75450.24552.45500.31390.31393.139-10-9.12830.87178.717-50-50.03350.0

60、3350.335-100-100.43080.43084.308-300-300.51930.51935.193-500-499.89560.10441.044將離散點連線，繪制成實際高度與測量高度的對比圖，如圖5-3。圖5-3中實線為實際高度，虛線為測量高度。從圖中以及由表5-1可見，測量結(jié)果存在較大誤差（約在電磁波長的十倍數(shù)量級）。應(yīng)用中需要進一步提高精度（約達到電磁波長的十分之一數(shù)量級）。于是就需要應(yīng)用干涉相位，由干涉相位公式可見當(dāng)兩雷達距離向長度差發(fā)生微小變化（約達到電磁波長的十分之一數(shù)量級）時，干涉相位將發(fā)生較大變化（），因此可以得到足夠精確地結(jié)果（電磁波長為0.1m）。但是因為單點

61、目標無法進行相位解纏，所以無法對單點目標進行精確地測高仿真。圖5-3 實際高度與測量高度對比圖要研究干涉測高，需要對整個數(shù)字高程圖進行研究。這與本次畢業(yè)設(shè)計方向不符，故僅對干涉數(shù)字高程圖程序進行舉例展示性實驗。（此仿真程序來自代爾夫特工業(yè)大學(xué)的Bert Kampes。）仿真結(jié)果如圖5-4此仿真為對高為700m的圓椎體進行數(shù)字高程圖成像，根據(jù)灰度圖，顏色越淺則高度越高，顏色越深則高度越低。圖5-4 圓錐體DEM仿真5.5 本章小結(jié)本章對分布式合成孔徑雷達的測高功能進行研究，闡述了干涉測高原理并對進行了簡單的仿真實驗。由本章我們知道分布式合成孔徑雷達在功能上優(yōu)于普通合成孔徑雷達，可以完成一些普通合成孔徑雷達難以完成的工作。結(jié)論本文闡述了合成孔徑雷達和分布式合成孔徑雷達的成像原理，分析并比較了二者在性能上的差異。而后闡述了分布式合成孔徑雷達測高功能的原理，并進行了初步分析。通過計算機仿真模擬了普通合成孔徑雷達及分布式合成孔徑雷達的成像與測高功能。綜合全文，可以得出以下結(jié)論：（1） 理想狀態(tài)下的合成孔徑雷達使用距離多普勒算法成像后復(fù)圖像旁瓣比約為-13dB，此時所成點目標圖像存在比較