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基于星載照射源的雙基地合成孔徑雷達成像技術 版權信息
- ISBN:9787030706423
- 條形碼:9787030706423 ; 978-7-03-070642-3
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
基于星載照射源的雙基地合成孔徑雷達成像技術 內容簡介
基于星載照射源的雙基地合成孔徑雷達(BistaticSyntheticApertureRadar,BSAR)是指利用已在軌衛星(包括SAR衛星、導航衛星、通信衛星等)作為發射機,采用其它平臺(包括飛艇、飛機、汽車及固定站等)搭載接收機的雷達系統,具有成本低廉、配置靈活、戰場生存能力強等技術優勢,是雙基地雷達領域的前沿和熱點研究方向。本書圍繞基于星載照射源的BSAR成像技術,著重對空時頻同步、回波模擬、成像算法及干涉應用等關鍵技術進行了研究,取得了一些具有重要理論意義和實用價值的研究成果。本書匯集了作者在該領域多年的研究成果。章介紹了基于星載照射源的BSAR成像技術的研究意義和研究現狀;第2章介紹了基于星載照射源的BSAR系統及特點;第3章介紹了基于星載照射源的BSAR系統空間同步技術;第4章介紹了基于星載照射源的BSAR系統時間和頻率同步技術;第5章介紹了基于星載照射源的BSAR回波模擬技術;第6章介紹了基于星載照射源的BSAR的成像算法;第7章介紹了基于星載照射源的BSAR干涉應用問題;第8章總結了全書的主要工作和創新點。
基于星載照射源的雙基地合成孔徑雷達成像技術 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 BSAR技術研究的興起與發展 1
1.1.1 基于SAR衛星的BSAR技術 2
1.1.2 基于導航衛星的BSAR技術 7
1.2 基于星載照射源的BSAR成像技術研究的意義 9
1.3 基于星載照射源的BSAR成像技術國內外研究現狀 11
1.3.1 同步技術 11
1.3.2 回波模擬技術 13
1.3.3 成像算法 14
1.3.4 應用技術 15
參考文獻 16
第2章 基于星載照射源的BSAR基礎理論 21
2.1 基于導航衛星的BSAR系統概念與特性 21
2.1.1 系統概念 21
2.1.2 系統幾何構型 25
2.1.3 系統信噪比 27
2.1.4 空間分辨率 30
2.1.5 時空覆蓋率 35
2.2 基于SAR衛星的BSAR系統概念與特性 35
2.2.1 系統概念 35
2.2.2 系統幾何構型 38
2.2.3 系統信噪比 39
2.2.4 空間分辨率 40
2.2.5 時空覆蓋率 44
2.3 系統特性比較與分析 47
2.3.1 信噪比特性 47
2.3.2 多普勒特性 48
參考文獻 48
第3章 基于SAR衛星的BSAR空間同步技術 50
3.1 空間同步誤差影響分析 51
3.1.1 方位向成像性能分析 52
3.1.2 仿真分析 56
3.2 波足信號檢測技術 58
3.2.1 波足信號模型 59
3.2.2 常用檢測方法 60
3.2.3 基于相鄰PRF回波互相關的波足檢測方法及性能分析 62
3.2.4 仿真數據驗證 66
3.2.5 實測數據驗證 69
3.3 方位向波足跟蹤技術 75
3.3.1 波足跟蹤技術 75
3.3.2 仿真數據驗證 77
3.3.3 實測數據驗證 81
3.4 基于寬波束連續接收體制的空間同步方法 85
3.4.1 SAR衛星運行軌道 85
3.4.2 過頂時刻估計 86
3.4.3 波束掃描帶確定 87
3.4.4 空間同步性能分析 88
參考文獻 90
第4章 基于SAR衛星的BSAR時頻同步技術 92
4.1 時、頻同步誤差影響分析 92
4.1.1 時、頻同步誤差模型 92
4.1.2 時間同步誤差影響 95
4.1.3 頻率同步誤差影響 98
4.2 時、頻同步方法 102
4.2.1 時間同步 104
4.2.2 頻率同步 106
4.2.3 仿真實驗 108
參考文獻 111
第5章 基于SAR衛星的BSAR回波模擬 113
5.1 接收站固定星基BSAR回波快速模擬 113
5.1.1 時域回波信號模型 114
5.1.2 頻域回波信號模型 115
5.1.3 回波快速模擬 117
5.1.4 實驗驗證 123
5.2 含有時、頻同步誤差的星地BSAR回波快速模擬 130
5.2.1 時頻同步誤差 131
5.2.2 回波信號模型 132
5.2.3 回波快速模擬 133
5.2.4 仿真結果 137
5.3 雙向滑動聚束模式星機BSAR回波模擬 142
5.3.1 雙向滑動聚束模式 143
5.3.2 點目標照射時間分析 145
5.3.3 收、發波束覆蓋范圍分析 147
5.3.4 仿真驗證 151
參考文獻 152
第6章 基于SAR衛星的BSAR成像算法 154
6.1 接收機固定模式星艇BSAR同步與成像一體化方法 154
6.1.1 信號模型 154
6.1.2 回波的二維頻譜推導 158
6.1.3 二維頻譜誤差分析 162
6.1.4 基于二維ISFT的成像處理 165
6.1.5 仿真結果與分析 169
6.2 滑動聚束模式星地BSAR成像算法 174
6.2.1 信號模型 174
6.2.2 基于直達波信號的時、頻同步處理 176
6.2.3 成像特性分析 177
6.2.4 直達波距離歷程估計 184
6.2.5 頻域成像算法 187
6.2.6 實驗驗證與分析 192
6.3 雙向滑動聚束模式星機BSAR成像算法 197
6.3.1 成像特性分析 198
6.3.2 成像算法 204
6.3.3 仿真實驗驗證 206
參考文獻 209
第7章 基于導航衛星的BSAR同步與成像算法 212
7.1 回波信號模型 213
7.1.1 多普勒頻率影響分析 214
7.1.2 導航信息影響分析 216
7.2 同步誤差影響分析 218
7.2.1 頻率同步誤差影響 218
7.2.2 大氣相位影響 219
7.3 基于直達波的同步預處理 220
7.3.1 導航信息檢測 221
7.3.2 多普勒頻率精確估計 222
7.4 測量誤差抵消原理 223
7.5 同步與成像一體化方法 226
7.5.1 相位同步誤差提取 226
7.5.2 相位同步處理 227
7.5.3 同步處理精度分析 228
7.5.4 基于時域成像算法的成像處理 228
7.6 實測數據驗證 230
7.6.1 實驗系統及參數 230
7.6.2 信號處理流程與結果 232
7.6.3 成像結果分析 235
參考文獻 237
第8章 基于星載照射源的BSAR干涉應用技術 239
8.1 基于星載照射源的BSAR干涉理論模型 240
8.1.1 基于星載照射源的BSAR圖像模型 240
8.1.2 相干性分析 241
8.2 基于導航衛星的BSAR相干變化檢測技術 246
8.2.1 基于導航衛星的BSAR相干變化檢測技術原理 246
8.2.2 基于導航衛星的BSAR相干變化檢測處理方法 246
8.2.3 基于導航衛星的BSAR相干變化檢測性能分析 247
8.3 基于SAR衛星的BSAR干涉高程測量技術 266
8.3.1 基于SAR衛星的BSAR干涉高程測量技術原理 266
8.3.2 干涉特性分析 268
8.3.3 相干性分析 271
8.3.4 相對高程測量精度 276
參考文獻 277
附錄A 級數反演法推導二維頻譜 279
附錄B 式(8.50)的計算 282
基于星載照射源的雙基地合成孔徑雷達成像技術 節選
第1章 緒論 合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)具有對場景目標的二維高分辨成像能力,從而能夠提供更加豐富的場景觀測信息。作為一種主動微波成像系統, SAR可以實現全天時、全天候的觀測,在軍事偵察和國民經濟建設中具有廣泛的應用前景。 作為一種新體制 SAR系統,雙基地 SAR(bistatic SAR,BSAR)引起了研究人員的極大興趣。BSAR系統通常是指發射機和接收機在空間上分置于不同平臺的 SAR系統。與傳統的單基地 SAR系統相比,BSAR系統具有獨特的技術優勢:系統配置靈活、功能多樣;抗干擾和戰場生存能力強;可以獲取更加豐富的場景目標散射信息等。 本書主要介紹一種利用在軌衛星作為發射機,采用其他平臺(包括飛艇、飛機、汽車及固定站等)搭載接收機的BSAR系統,即基于星載照射源的BSAR系統。基于星載照射源的BSAR系統充分利用在軌的衛星資源,只需要研制相對簡單的接收機,因此系統研制成本較低;基于星載照射源的BSAR接收機不發射電磁信號,因此安全性好、戰場生存能力強;基于星載照射源的BSAR干涉測量系統在系統構成、工作模式、信息獲取等方面均有獨特之處,具有很好的科學意義和實用價值。 本書介紹基于星載照射源的BSAR的成像技術,主要包括空時頻同步、回波模擬、成像算法及干涉應用等,具體涉及兩種配置的BSAR系統:基于導航衛星的BSAR系統和基于 SAR衛星的BSAR系統;趯Ш叫l星的BSAR系統是指將在軌導航衛星發射的導航信號作為輻射源,通過在近地靜止平臺上搭載接收機組成的BSAR系統; SAR衛星的BSAR系統是指將在軌星載 SAR系統作為發射機,采用其他平臺(包括飛艇、飛機、汽車及固定站等)搭載接收機的BSAR系統。兩種BSAR系統均屬于收、發平臺異構(Hybrid)的BSAR系統,兩者具有一些相似點,如均采用非合作的衛星作為發射機、均屬于遠發近收的系統構型等。同時,由于采用的星載發射機類型不同、幾何構型不同,兩者的工作模式、系統特性、信號處理方法等各不相同。 1.1 BSAR技術研究的興起與發展 *早的BSAR技術研究可以追溯到20世紀70、80年代。當時, Xonics公司、 Goodyear Aerospace公司的研究部門在美國國防部、空軍等單位的資助下開展了機載BSAR技術的理論和實驗研究,從原理上驗證了BSAR成像的可能性。進入2000年,歐洲各國陸續開展了各種配置的機載BSAR實驗研究,突破了系統設計、信號同步和成像處理等關鍵技術。 2000年前后,利用分布式小衛星搭載 SAR系統組網工作進而實現遙感觀測、干涉測量等任務的系統概念一度炙手可熱。各國的研究機構先后提出了一系列宏偉的研究計劃,典型的系統概念包括 Tech-Sat21計劃[1]、干涉車輪( interferometric cartwheel)計劃[2]、 BISSAT計劃[3]、 RADARSAT-2&3計劃[4]以及干涉鐘擺(inteferometric pendulum)計劃[5]等。遺憾的是,由于技術和經費等方面的困難,上述研究計劃尚未有實際的系統問世。2007年,由意大利空間局和法國聯合研發的 COSMO-SkyMed小衛星星座成功發射[6]。該系統在聚束模式下的分辨率可以達到1m,主要用于軍事偵察、環境監測和災害監視等任務。2010年,由德國宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt,DLR)、聯合 EADS Astrium公司以及 Infoterra公司共同開發的 TanDEM-X系統成功組網開始工作[7]。該系統采用兩顆幾乎相同的 TerraSAR-X衛星,通過雙星編隊飛行,可以獲取全球范圍內的數字高程模型(digital elevation model,DEM)數據。 TanDEM-X系統示意圖及其產品如圖1.1所示。 TanDEM-X的工作模式包括單發單收、單發雙收以及乒乓模式,代表了當時星載BSAR技術研究的*高水平[8,9]。 圖1.1 TanDEM-X系統示意圖及其產品 隨著在軌衛星資源的不斷增多,許多研究機構開始考慮利用在軌衛星(包括 SAR衛星、導航衛星、通信衛星等)作為發射機,采用其他平臺(包括飛艇、飛機、汽車及固定站等)搭載接收機來構建新體制的異構BSAR系統。 1.1.1 基于 SAR衛星的BSAR技術 1.星地BSAR 對于星地BSAR系統,接收站容易布置,因此實驗較易開展。比較有代表性的是:西班牙加泰羅尼亞理工大學( Universitat Politècnica de Catalunya,UPC)研制的 SABRINA系列[10],以歐洲航天局( European Space Agency,ESA)的 ERS-2、 ENVISAT或 TerraSAR-X為照射源,利用多通道接收機接收觀測場景的散射波數據;德國錫根大學研制的 HITCHHIKER系統,以 TerraSAR-X為照射源,開展了一系列多極化和多基線干涉實驗[11]。中國北京理工大學以遙感一號衛星為照射源,也開展了相關的星地雙基地實驗,取得了不錯的實驗結果[12]。下面對上述幾個具有代表性的星地BSAR接收系統及其關鍵技術進行介紹。 1)西班牙 SABRINA系統 西班牙加泰羅尼亞理工大學研制的 SABRINA-C系統,以歐洲航天局的 ERS-2或 ENVISAT衛星為機會照射源,通過地面固定站的雙通道 C波段接收機接收衛星直達波信號和觀測場景的散射波信號,經過同步及成像處理,獲得觀測場景的成像結果。SABRINA-C系統及觀測場景和成像結果如圖1.2所示。 圖1.2 SABRINA-C系統及觀測場景和成像結果 圖1.2(a)為 SABRINA-C系統,圖1.2(b)為觀測場景和成像結果。圖1.2(b)下部為觀測場景的數字高程圖,中間部分為系統觀測場景的光學圖片。從圖1.2中可以看出,通過 SABRINA-C系統,可以得到觀測場景的 DEM。根據西班牙加泰羅尼亞理工大學提供的實驗結果,SABRINA系統測高精度在20m以內,目前的測繪范圍約為3km×2km。 2)德國 HITCHHIKER系統 2009年,德國錫根大學開發出 HITCHHIKER系統。該系統以 TerraSAR-X為機會照射源,當 TerraSAR-X工作在聚束模式下時,能夠錄取帶寬為300MHz的散射波數據,從而可以提供高分辨率的觀測場景雙基地成像結果。 圖1.3(a)為 HITCHHIKER系統,從圖中可以看出,一副天線垂直向上接收衛星的直達波信號,另一副天線對著觀測場景,接收散射波信號。圖1.3(b)為經過同步及成像處理后,觀測場景的雙基地成像結果,場景大小約為3km×8km。由成像結果可以看出,觀測場景的目標能夠得到很好的聚焦,植被、河流等輪廓都清晰可見,從而驗證了該系統同步及成像算法的有效性。 圖1.3 HITCHHIKER系統及成像結果 2010年,HITCHHIKER系統散射波接收天線增加到三個,并開展了多基線干涉實驗及多極化實驗,這里不再詳細介紹。 3)中國星地BSAR系統 對于星地BSAR系統,國內的許多研究機構,如西安電子科技大學[13]、電子科技大學[14]、北京理工大學[12]、中國科學院電子學研究所[15]、國防科技大學[16]等都開展了大量BSAR同步、成像等關鍵技術的研究。其中,北京理工大學利用我國自主研發的遙感一號衛星,開展了星地BSAR實驗,取得了不錯的研究成果。在星地BSAR實驗中,遙感一號衛星工作于 L波段,固定站放置在一棟大樓的樓頂,距離地面約20m,觀測場景為北京良鄉某一區域,如圖1.4(a)所示。該區域目標種類比較豐富,有森林、街道、建筑物以及農田等。 圖1.4(b)為星載單基地 SAR成像結果。圖1.4(c)為利用改進的非線性 CS(chirp scaling)成像算法得到的雙基地成像結果。觀測場景大小約為4km(方位向)×8km(距離向),BSAR成像分辨率約為9.1m(方位向)×2.7m(距離向)。從圖1.4中可以看出,相較于星載單基地 SAR成像結果,BSAR系統中,接收站高度較低,導致入射角較大,從而使得遮擋和陰影比較明顯。但是,對比成像結果可以看出,BSAR成像結果中的植被信息和道路、農田等邊緣信息比較明顯,從而有利于進行BSAR散射特性和道路邊緣檢測等內容的研究。 圖1.4 北京理工大學星地BSAR實驗結果 2.星機BSAR 星機BSAR以星載 SAR為照射源,接收機搭載于機載平臺上。相較于固定站,機載平臺有以下方面的優勢:①固定站需要等到衛星通過某一固定觀測場景時才能開展實驗,機載平臺比較靈活,能夠根據衛星軌道適當調整接收機運行軌跡;②機載平臺高度較高,降低了遮擋和陰影對雙基地成像結果的影響;③機載平臺結合接收機波束控制,能夠對BSAR系統多種工作模式進行研究。 1)早期的星機雙基地系統 *早的星機雙基地實驗是1984年美國噴氣動力實驗室開展的相關實驗[17]。在此次實驗中,發射系統為搭載于航天飛機上的 SIR-B系統, L波段接收機放置于 CV-900型飛機上,*終獲取了分辨率約為20m的雙基地成像結果。1992年,以**顆歐洲航天局的衛星( ERS-1)為發射機,美國噴氣動力實驗室開展了星機雙基地實驗[18]。1994年,以 SIR-C系統為發射機,該實驗室又開展了一次星機雙基地實驗,觀測場景為阿拉斯加某一區域,*終成像分辨率約為12m。但由于技術條件的限制以及缺少BSAR成像處理設備,這幾次實驗取得的成果較差[19]。 2)TerraSAR-X/F-SAR星機雙基地系統 2007年,德國宇航中心開展了一系列星機BSAR實驗[20-23]。該星機雙基地系統以德國 TerraSAR-X為照射源,機載 F-SAR系統為接收機。衛星高度約為514km,速度約為7600m/s,工作帶寬為100MHz。機載平臺飛行高度為2180m,飛行速度約為90m/s。為了提高方位向成像寬度, TerraSAR-X工作于滑動聚束模式。 利用時域成像算法,對雙基地數據進行成像處理,得到的成像結果如圖1.5所示。從圖1.5中可以看出,經過成像處理后,能夠得到觀測場景的雙基地成像結果,目標點能夠得到很好的聚焦。 圖1.5 TerraSAR-X/F-SAR星機雙基地實驗結果 3)TerraSAR-X/PAMIR星機雙基地系統 德國弗勞恩霍夫高頻物理與雷達技術研究所( Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques,FHR)和錫根大學以 TerraSAR-X為照射源,以機載多功能陣列成像雷達( phased array multifunctional image radar, PAMIR)為接收機,開展了一系列星機雙基地實驗[24,25]。圖1.6為星機BSAR系統星載照射源和機載平臺的圖片。 PAMIR搭載于 C-160運輸機上,安裝在機腹位置,飛行高度約為300m,*大飛行速度為120m/s。波束寬度為3.3°(方位向)×10°(距離向)。方位向波束掃描角度范圍為±45°。PAMIR能夠工作于條帶、聚束、滑動聚束、動目標掃描檢測等多種工作模式,因此大大擴展了雙基地系統的應用范圍。
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