1、SAR成像理论及Matlab仿真张顺生张顺生 电子科学技术研究院电子科学技术研究院内容简介内容简介p 第一讲 SAR成像基本理论p 第二讲 SAR回波信号建模p 第三讲 脉冲压缩技术p 第四讲 驻定相位原理p 第五讲 RD成像算法p 第六讲 SAR图像性能评估2022-11-182电子科技大学参考书目参考书目p 张澄波，综合孔径雷达原理、系统分析与应用 第三章第1，2节和第四章第1，2，3，7节的内容p 保铮，雷达成像技术 第五章中5.1，5.2和5.3节的内容2022-11-183电子科技大学第一讲第一讲 SARSAR成像基本理论成像基本理论p SAR发展简史p SAR的定义p 二维高分辨p
2、 SAR分类2022-11-184电子科技大学1.1 SAR1.1 SAR发展简史发展简史p 1951年，美国Goodyear Aerospace公司的Carl Wiley首先提出利用频率分析的方法改善雷达的角分辨率。“多普勒波束锐化”实孔径雷达方位分辨率：多普勒波束锐化方位分辨率：2022-11-185电子科技大学aaRDaaR1.1 SAR1.1 SAR发展简史发展简史p1953年，在美国密西根大学举办的暑期讨论会上，许多学者提出了利用载机运动可将雷达的真实天线综合成大孔径的线性天线阵列的新概念。2022-11-186电子科技大学1.1 SAR1.1 SAR发展简史发展简史p 1960年4
3、月，美国在华盛顿机场进行机载合成孔径成像雷达实验取得成功，诞生了国际上第一部合成孔径雷达。2022-11-187电子科技大学1.1 SAR1.1 SAR发展简史发展简史p 1978年6月，美国从范登堡基地成功发射世界上第一颗合成孔径雷达卫星Seasat卫星，开辟了星载SAR的新纪元，使合成孔径雷达卫星成为空间对地观测发展的热点。2022-11-188电子科技大学1.1 SAR1.1 SAR发展简史发展简史p 1979年9月，中科院电子所研制的机载合成孔径雷达原理样机试飞成功，获取了国内第一张合成孔径雷达图像。2022-11-189电子科技大学1.1 SAR1.1 SAR发展简史发展简史p 20
4、07年12月，RADARSAT-2卫星在哈萨克斯坦拜科努尔基地发射升空，它是一颗搭载C波段传感器的高分辨率商用雷达卫星，由加拿大太空署与MDA公司合作。2022-11-1810电子科技大学1.1 SAR1.1 SAR发展简史发展简史p TerraSAR-X卫星系德国首颗雷达成像卫星，由德国政府机构德国航空中心（DLR）和EADS Astrium公司、Infoterra公司根据公私合营的模式共同开发。2022-11-1811电子科技大学1.2 SAR1.2 SAR的定义的定义 将装载着雷达的飞行器沿一定方向以速度 v匀速直线前进，同时以固定的重复频率发射并接收信号，并将接收信号的幅度和相位信息存
5、储起来，将它们按阵列回波作合成处理，利用这种合成阵列方式工作的雷达称为合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)。2022-11-1812电子科技大学1.3 1.3 二维高分辨二维高分辨p 距离分辨率 距离上，区分两个相邻目标的最小距离 2022-11-1813电子科技大学1.3 1.3 二维高分辨二维高分辨p 距离高分辨 通过发射大时宽带宽积信号实现2022-11-1814电子科技大学022rccB1.3 1.3 二维高分辨二维高分辨p 方位分辨率 方位(横向)上，区分同一距离单元内两个相邻目标的最小距离。p 角分辨率 同一距离上，区分两个相邻目标的最小角度p
6、波束宽度p 实孔径分辨率2022-11-1815电子科技大学D00aRRD1.3 1.3 二维高分辨二维高分辨p 多普勒频率 发射信号雷达到目标的距离接收的回波经正交解调后多普勒频移为2022-11-1816电子科技大学0()()exp(2)s ta tjf t0()R tRvt02()()()exp2()rs ts ta tjftR tc04()()expmsta tjRvt1()22ddtvffdt1.3 1.3 二维高分辨二维高分辨p 方位高分辨定义 有效阵列孔径长度 则合成阵列的波束宽度为：那么，合成孔径雷达的方位分辨率为：2022-11-1817电子科技大学00saaLRRD2ssL
7、0022aassRDRL1.3 1.3 二维高分辨二维高分辨p 方位高分辨信号处理 正侧视模式下，目标的斜距史可表示为（二阶泰勒展开）对应的多普勒相位为：瞬时多普勒频移：类比于距离向，方位向也是一个线性调频信号2022-11-1818电子科技大学222000()()()2nnnvtR tRvtRR4()()nnR tt 20()12()2nannndtvf ttdtR 1.3 1.3 二维高分辨二维高分辨 则方位向信号的多普勒带宽为：类比于距离向，方位向分辨率为：2022-11-1819电子科技大学2022sadrsLvvBf TRvD2aavDB1.4 SAR1.4 SAR分类分类p 按平台
8、分类p机载SARp弹载SARp临近空间SARp星载SAR 低轨SAR 中轨SAR 高轨SAR2022-11-1820电子科技大学1.4 SAR1.4 SAR分类分类p 按波束控制分类p条带SAR（Stripmap）天线波束的照射范围为与平台运动方向平行的带状区域p 聚束SAR（Spotlight）通过控制天线波束指向，使其沿飞行路径连续照射同一目标区域p 扫描SAR（ScanSAR）通过天线在距离向的扫描来获得宽测绘带2022-11-1821电子科技大学1.4 SAR1.4 SAR分类分类p条带SARp 聚束SAR p 扫描SAR2022-11-1822电子科技大学1.4 SAR1.4 SAR
9、分类分类p 正侧视SAR（Side-looking）天线波束中心指向与平台运动方向垂直p 斜视SAR（Squint-looking）天线波束中心指向与正侧视方向在侧视平面内有一夹角，称为斜视角p 前视SAR（Forward-looking）距离向与平台飞行方向一致，方位向与平台飞行方向垂直，这与侧视SAR正好相反。2022-11-1823电子科技大学第二讲第二讲 SARSAR回波信号建模回波信号建模p stop and go原理p 侧斜视SAR几何模型p SAR回波信号模型p 菲涅尔衍射图p SAR回波Matlab仿真实验2022-11-1824电子科技大学2.1 Stop and go 2.
10、1 Stop and go 原理原理 由于电磁波的传播速度远大于机械运动的速度，所以可近似认为SAR飞行到某个位置后，发射一个脉冲信号，然后停在那个位置，待接收到回波后继续飞行一个PRT(Pulse Repetition Time)时间，到达下一个位置后再发射下一个脉冲信号，然后停在那个位置接收回波，2022-11-1825电子科技大学2.2 2.2 侧斜视侧斜视SARSAR几何模型几何模型2022-11-1826电子科技大学22()2sin()ncncnsR tRvtR vt2.3 SAR2.3 SAR回波信号模型回波信号模型p 点目标回波模型设雷达发射的脉冲串为：每个发射的脉冲为：为脉内相
11、位调制函数,通常采用线性调频设场景中存在一个点目标 ，后向散射系数为 ，在雷达的第n个脉冲发射时刻，天线相位中心与点目标的距离为 ，则接收的回波信号为：2022-11-1827电子科技大学()()prtnf tp tnT()()cos 2()rcp ta tf tt()t2()rtk t(,)ppp xy()nR t2.3 SAR2.3 SAR回波信号模型回波信号模型回波信号通过正交混频后2022-11-1828电子科技大学2()(,)2()2()2()cos 2nrnprtnnprtnnrcprtprtnpR ts t tp tnTcR ttnTR tR tcaftnTtnTTcc22()4
12、()2()(,)expnprtnnrnrrprtnpR tt nTR tR tcs t tajj k t nTTc2.3 SAR2.3 SAR回波信号模型回波信号模型p 正交混频2022-11-1829电子科技大学2.3 SAR2.3 SAR回波信号模型回波信号模型p 分布目标回波模型 根据点散射模型，分布目标可以分解成多个点目标，则分布目标回波可以表示成多个点目标回波之和：2022-11-1830电子科技大学212()4()2()(,)expmnMprtmnmnrnmrrprtmnpR tt nTR tR tcs t tajj k t nTTc2.3 SAR2.3 SAR回波信号模型回波信号
13、模型p 二维数据录取 2022-11-1831电子科技大学2.3 SAR2.3 SAR回波信号模型回波信号模型p 回波信号的实部和相位 2022-11-1832电子科技大学020040060080010001200-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81采 样 点 数幅度020040060080010001200-400-350-300-250-200-150-100-50050采 样 点 数相位p 回波信号的频谱及相位0200400600800100012000510152025303540采 样 点 数幅度02004006008001000120001234567x
14、 104采 样 点 数相位2.4 2.4 菲涅尔衍射图菲涅尔衍射图p 当距离向和方位向调频率符号相反时，点目标回波的菲涅尔衍射图为双曲线。p 当距离向和方位向调频率符号相同时，点目标回波的菲涅尔衍射图为椭圆。2022-11-1834电子科技大学2.5 SAR2.5 SAR回波回波MatlabMatlab仿真实验仿真实验p 仿真参数设置 2022-11-1835电子科技大学2.5 SAR2.5 SAR回波回波MatlabMatlab仿真实验仿真实验p 实验内容(1)根据仿真参数，产生点目标的SAR回波，绘出菲涅尔衍射图；(2)绘制某一个脉冲回波的时域信号波形及其相位；(3)绘制(2)对应频域信号
15、的波形及其相位。2022-11-1836电子科技大学2.5 SAR2.5 SAR回波回波MatlabMatlab仿真实验仿真实验p 参数设计 通常，已知SAR系统的工作波段，距离和方位分辨率，测绘带宽，作用距离等。(1)距离维参数p信号带宽p采样率 2022-11-18372rcB(1.2 1.5)sfB2.5 SAR2.5 SAR回波回波MatlabMatlab仿真实验仿真实验p 参数设计(1)距离维参数p最小及最大斜距p距离向采样点数 2022-11-1838电子科技大学22min22max22rcrcWRXHWRXHmaxmin2()rpsRRNTfc2.5 SAR2.5 SAR回波回波MatlabMatlab仿真实验仿真实验p 参数设计(2)方位维参数p合成孔径长度p合成孔径时间p多普勒带宽 2022-11-1839电子科技大学2cscacaaRLRRDssLTvaavB2.5 SAR2.5 SAR回波回波MatlabMatlab仿真实验仿真实验p 参数设计(2)方位维参数p脉冲重复频率p方位向采样点数 2022-11-1840电子科技大学(1.2 1.5)aPRFBaasWNTPRFv2.5 SAR2.5 SAR回波回波MatlabMatlab仿真实验仿真实验p 目标是否被波束照射(条带SAR)照射条件：2022-11-1841电子科技大学/2npsvtyL
