[优秀毕业论文]分布式合成孔径雷达成像系统设计.doc

本科毕业设计（论文）摘要由于功能和性能上的要求不断提高，传统的合成孔径雷达的复杂度、设计难度和制作运行成本也在不断增加，根据目前的技术水平，其功能和性能扩展已经达到一个瓶颈，无法满足现代雷达探测日益增加的需求。分布式合成孔径雷达具有有效的抑制相干斑噪声、宽测绘带成像、改进切航迹干涉SAR的测高精度和沿航迹干涉SAR的测速精度、可以同时执行多种工作模式的任务、所成图像质量更高、系统功能提升简便、生存能力强、成本低等特点。因此，本文将开展对分布式合成孔径雷达成像原理的分析和研究工作，这对于雷达系统多功能化、高性能化的研究具有很重要的现实意义。本文首先介绍了分布式合成孔径雷达的产生背景、研究意义和发展现状。然后阐述了传统SAR成像和分布式SAR成像的原理，在此基础上，分别编写了仿真程序并进行仿真实验。之后介绍了分布式SAR测高功能的基本原理，并编写仿真程序进行实验。最后本文分析实验结果，从实验数据得知分布式合成孔径雷达在性能和功能上有很大优势，能够良好的满足各种探测需求。关键词 分布式合成孔径雷达；高分辨率成像；测高AbstractFor the increase of demand for functionality and performance, the complexity, the difficulty to design and operating costs of traditional 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 speckle 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 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 Distributed 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 some 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-resolution imaging Height measurement目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的来源、目的和意义11.2 分布式SAR技术概述21.3 研究现状21.3.1 TechSAT-21计划31.3.2 Cartwheel计划31.3.3 Pendulum计划41.3.4 Cosmo-Skymed计划51.3.5 TerraSAR-X与TanDEM双星编队计划51.3.6 SAR-Lupe五星编队组网计划51.3.7 国内xxx计划51.4 本文的研究内容与结构6第2章 机载SAR成像72.1 SAR成像原理72.1.1 SAR回波信号模型72.1.2 SAR成像算法82.2 SAR成像仿真实验102.2.1 仿真设置与参数102.2.2 仿真结果122.3 本章小结20第3章 收发分置SAR成像213.1 收发分置SAR成像原理213.2 收发分置SAR成像仿真实验213.2.1 仿真设置与参数213.2.2 仿真结果223.3 本章小结24第4章 分布式SAR成像254.1 分布式SAR成像原理254.2 图像匹配原理254.2.1 统计相关法264.2.2 分级配准法274.3 分布式SAR成像仿真实验284.3.1 仿真设置与参数284.3.2 仿真结果294.4 本章小结36第5章 分布式SAR测高375.1 InSAR测高原理375.2 InSAR测高数据处理流程395.3 相位解缠原理415.4 仿真实验结果435.5 本章小结45结论46致谢47参考文献48附录150附录25765第1章 绪论1.1 课题的来源、目的和意义现今对SAR功能和性能要求的不断提高，使得SAR卫星的复杂度、设计难度和制作运行成本也在不断增加，其中对天线的要求尤为突出。无论是高分辨率的需求还是地面动目标显示、高程测量的需求，天线口径都是要求越大越好。尽管目前对天线的研究已经取得了巨大进展，但是按照现有的技术水平，想要使天线口径达到几百平方米仍然是难以做到的。在这样的背景下，如何使雷达性能挺高的同时尽量降低成本，我们不得不考虑在其他方向寻求突破。按照传统思路，随着探测能力的提高，要求有效载荷系统越来越复杂，体积重量和功耗越来越大，从而导致制造、运行成本和各种风险急剧增加，这样做很明显不符合我们的目的。于是就需要换一种新的思路：将一个复杂而庞大的系统通过一定的空间分解，分散成多个相对小而简单的子系统，然后将这些子系统按一定的规律组合出一个“虚拟”的庞大复杂、功能强大的系统1。这就是空间分布式雷达系统的基本概念。与传统合成孔径雷达相比，分布式合成孔径雷达系统具有一系列十分显著的优异性能：（1）可以在不损失空间分辨率和保证信噪比条件下提高SAR图像的等效视数，有效的抑制相干斑噪声；（2）可以在不损失空间分辨率的条件下实现宽测绘带成像；（3）可实现单次飞越同一观测区的干涉SAR模式，极大的改进了切航迹干涉SAR的测高精度和沿航迹干涉SAR的测速精度，这对传统SAR来讲是很难实现的；（4）可以同时执行多种工作模式的任务，这也是普通合成孔径雷达难以实现的；（5）利用回波信号的空间和和时间特性，通过侧视阵列处理可实现地面静止目标和运动目标成像，获得比传统SAR所成图像质量更高的图像；（6）通过切换或增加群聚组合中的新单元，可实现系统功能提升和生存能力的提高，使系统具有自适应的特点；（7）通过规模化生产，可降低生产和运行等方面的成本并有效提高运行寿命。毫无疑问，随着研究工作的深入展开，分布式SAR系统必将展现出更多更优异的性能2。因此，对分布式SAR进行研究对国防科技现代化和国民经济现代化建设有着极其重要的意义。1.2 分布式SAR技术概述分布式SAR组合布局如图1-1所示。假设由4个雷达平台(S1，S2，S3，S4)形成一个分布式群聚组合，它们的整体功能和飞行特性可以用一颗虚拟雷达Sv来表征。整个雷达群聚组合按照等分角度分布在一个以虚拟雷达Sv为圆心，直径为d的圆周上，此圆周与虚拟雷达Sv处在同一个群聚平面内。群聚平面与虚拟雷达地心矢量(由地心指向虚拟卫星的矢量)的垂直面保持一个固定的夹角(称为群聚平面仰角)。它们的SAR波束照射地面的覆盖区和投射角度基本相同，使它们具有基本相同的测绘带。图1-1 分布式SAR组合及布局图分布式雷达系统由一组群聚雷达平台协同工作，其中每个平台带有独立的相关接收机，每颗平台可具有相同或稍有差别的系统参数；雷达平台群以天线阵列的形式飞行。来源于每个雷达平台的数据和雷达平台群群的空间取样数据将被联合起来以形成一个单独、虚拟的雷达，完成单一孔径雷达的功能。该系统的有效孔径由数个卫星孔径的总和确定456。1.3 研究现状分布式雷达系统概念一经提出便得到了各主要国家的积极响应，并纷纷提出了自己的研究计划。下面简单介绍在星载分布式雷达系统研究方面国际上几项重要的工作。1.3.1 TechSAT-21计划这是国际上第一个提出的空间分布式雷达计划。美国空军在20世纪90年代末，根据美国航天新技术发展的需要和未来战争对美国空军的要求而提出的一项研究计划。该计划的目的一方面是促进卫星轨道设计与优化、卫星自主控制、星间通信、卫星姿态测量及控制技术、微推进技术等航天新技术的发展，另一方面也促进新型的雷达系统理论与实现方法的发展和进步，最终满足未来战争对美国空军的需要。但是由于该计划所提出的技术极大地超前于现有技术基础，虽然经过4年多的研究，已经取得了相当的进展，但美国国会还是在2004年暂时终止这一研究计划。其组合布局如图1-2所示。这种构型的优势在于各小卫星的离地高度和作用距离基本相等，投射角和波束照射区域基本相同，这使得各小卫星具有基本相同的正侧视测绘带，成像处理容易;缺点是各个卫星既要发射又要接收信号，因此使整体的运行成本较高，同时实现的难度也较大13。图1-2 TechSAT-21计划布局图1.3.2 Cartwheel计划由法国CNES和德国的DLR共同提出的研究计划。该计划以对地球表面进行三维干涉测量为主要目的，兼顾对海洋洋流的观测。其实现方式是由三颗只有接收机的小卫星形成一个车轮型的编队并共同与Envisat形成前后顺轨的编队。运用双站雷达成像技术在三颗小卫星的接收数据分别成像并选择其中两颗卫星的图像进行干涉，并从干涉相位信息中恢复出三维地形信息。由于三颗小卫星编队所形成的干涉基线很容易满足最佳干涉基线的需求，因此可以以较小的代价实现对全球三维地形测量，获得全球的数字高程模型。其组合布局如图1-3所示。由主星发射信号，各伴随小卫星仅接收地面回波。这个计划的优点在于成本较低，因为只需发射装载接收设备的小卫星13。 图1-3 Cartwheel计划布局图1.3.3 Pendulum计划干涉钟摆(Interferometric Pendulum)构型是德国宇航局在干涉车轮概念的基础上提出的一种构型，主要解决了干涉车轮编队形式的不足。各小卫星轨道倾角和升交点赤经略有不同，因而不共轨道面。钟摆式编队构型的优点是能够形成稳定的沿航迹基线，有利于实现动目标检测功能，并且切航迹基线与沿航迹基线独立，可以灵活调整切航迹基线长度满足不同的需要。缺点是编队稳定性不如干涉车轮，需要消耗能量来保持编队队形，因此对轨道控制要求很高。其组合布局如图1-4所示13。图1-4 Pendulum计划布局图1.3.4 Cosmo-Skymed计划Cosmo-Skymed是意大利研究部与国防部共同投资的一项空间计划。该计划发射4颗X波段的SAR卫星形成编队，完成对地高分辨率成像的任务并且可以灵活的改变编队构型以满足改变观测分辨率和观测区域大小的需求。该编队系统可同时满足民用和军用的对地观测需要1。1.3.5 TerraSAR-X与TanDEM双星编队计划德国航天局DLR计划在2006年发射TerraSAR-X的基础上，再建造一颗与TerraSAR-X完全相同的卫星，命名为“TanDEM”，使TerraSAR-X与TanDEM形成双星编队，完成高精度全球三维地形测量，高程精度将达到2m，地面分辨率也将达到1m。该系统的建成将为德国军队提供世界上最精确的全球DEM数据1。1.3.6 SAR-Lupe五星编队组网计划SAR-Lupe系统将由5颗700kg的小卫星，分布在500km轨道高度的三个轨道面上，以满足对地面目标的快速重返为主要目的。其中第1和第3轨道面上的两颗卫星还能形成顺轨干涉，形成GMTI能力。SAR-Lupe以满足德国军方对敏感地区进行侦察和快速监视的军事需求为主要目的。SAR-Lupe的研究者还提出了另一个应用，即对国际空间站进行高分辨率成像。SAR-Lupe计划在2006-2007年间的连续6个月内发射1。1.3.7 国内xxx计划早在“九五”期间，我国在分布式小卫星编队，以及分布式干涉SAR的有关理论方面做了很多研究工作。北航、国防科大、哈工大、清华、北京控制工程研究所和中国空间技术研究院等对卫星编队的轨道构型、轨道动力学特性和摄动影响及轨道保持的控制方面进行了研究。这些大学和科研院所对分布式卫星的几种不同应用提出了初步的设计方案，如:对分布式小卫星SAR成像、分布式电子侦察、分布式光学观测和分布式尖端导航等应用提出了布星方案和设计要求与指标。2004年4月，我国发射成功了试验小卫星和微卫星平台，为我国进一步发展分布式小卫星SAR系统奠定了基础。西安电子科技大学雷达与信号处理国家重点实验室于2001年开始对分布式小卫星SAR系统进行研究，在宽域和高分辨率SAR成像、GMTI、多基线InSAR三维地形重构和阵列误差估计等方面提出了一些有效的处理方法。中科院电子所对分布式小卫星SAR进行了相关研究;“十五”预研计划、863的小SAR和INSAR、973项目“小卫星分布式雷达新概念新机理”对分布式小卫星SAR新概念体制重点攻关1。1.4 本文的研究内容与结构本文论述了分布式SAR和传统SAR的成像原理和测高原理。针对分布式合成孔径雷达的特点，通过仿真实验在性能和功能上与传统合成孔径雷达进行了一些比较分析。主要研究内容包括：（1） 论述传统合成孔径雷达的成像原理，根据原理编写了仿真程序并对点目标进行了成像、分辨率、旁瓣等仿真实验；（2） 论述分布式合成孔径雷达的成像原理，根据原理编写了仿真程序并对点目标进行了成像、分辨率、旁瓣等仿真实验；（3） 论述分布式合成孔径雷达的测高原理，根据原理编写了仿真程序并进行了一系列点目标测高实验；（4） 通过实验数据对分布式SAR和传统SAR的功能和性能进行比较，得出结论。本文结构如下：第1章，介绍本课题的目的、意义以及本课题相关的技术，并对国内外各种分布式合成孔径雷达计划进行比较分析；第2章，介绍传统合成孔径雷达的成像原理，列举仿真实验数据；第3章，介绍收发分置合成孔径雷达的成像原理，列举仿真实验数据；第4章，介绍分布式合成孔径雷达的成像原理，列举仿真实验数据。对比二者实验数据，得出分析结果；第5章，介绍分布式合成孔径雷达的测高原理，列举仿真实验数据；第6章，总结本次毕业设计当中获得的经验教训，给出本次研究的结论。第2章 机载SAR成像2.1 SAR成像原理2.1.1 SAR回波信号模型SAR在运动过程中，以一定的PRT(Pulse Repetition 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，区域内各散射元（点）对入射波后向散射，这样，发射脉冲经过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7。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： (2-1)式(2-1)中，表示矩形信号，为距离向chirp信号的调频斜率，为载频8。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： (2-2)式(2-2)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（2-2）式得： (2-3)(2-3)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7。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： (2-4)2.1.2 SAR成像算法SAR的回波数据不具有直观性，不经处理人无法理解它。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，可以把二维处理过程分解成距离向和方位向两个一维过程，Range-Doppler Algorithm（简称RD算法）就是采用这种思想的典型算法，本次毕业设计主要使用RD算法。RD算法典型的数字处理流程如图2-1。 预处理预处理是对SAR回波进行处理的第一步，一般在SAR平台(例如：卫星，飞机等)上实时处理，包括解调和数字化。雷达信号的载频一般比较高(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，然后存储或传送到地面做进一步处理。采样后的数据一般采用矩阵形式存储，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，则待处理数据应该是一个的矩阵。 图2-1 距离-多普勒算法流程 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。公式如下：， (2-5)下标r表示公式为距离向（逆）傅里叶变换，Kr和Tr分别是Chirp信号的调频斜率和脉冲持续时间，表示距离压缩参考函数。 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，暂时先不考虑。 方位压缩正侧视点目标情况下，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。， （2-6）下标a表示公式为方位向（逆）傅里叶变换， 表示方位压缩参考函数。2.2 SAR成像仿真实验2.2.1 仿真设置与参数本次仿真采用机载平台合成孔径雷达，正侧视模型，模型如图2-2。设飞机为匀速直线运动，其他情况均为理想情况，仿真所需参数见表2-1。表2-1 SAR仿真参数参数名称参数值平台水平速度V=100m/s平台高度H=4000m测绘带中心坐标X，Y=0,10000m距离向水平分量范围Y-Y0,Y+Y0=9500,10500m方位向范围-X0,X0=-500,500m信号载波频率=3GHz信号持续时间=5us信号调频带宽=50MHz目标个数Ntarget=3目标位置矩阵（单点）（成像）（成像分辨率）图2-2 单机SAR模型其他仿真参数如合成孔径长度、多普勒分辨率、采样点数等由仿真过程中计算得到。2.2.2 仿真结果2.2.2.1 单点目标仿真结果仿真程序首先为根据设置计算仿真所需参数，具体参数如表2-2。表2-2 SAR仿真过程中参数参数名称参数值信号波长Lambda=0.1m合成孔径长度Lsar=269.26m合成孔径时间Tsar=2.6926s多普勒调谐斜率Ka=-18.57Hz/s多普勒调谐频宽Ba=50Hz/s慢时域采样频率PRF=80.677Hz慢时域采样点数Nslow=1024快时域采样频率Fsr=182.95MHz快时域采样点数Nfast=2048方位向分辨率DX=2m距离向分辨率DY=3m而后仿真程序根据以上参数生成回波，回波表示为一个Nslow×Nfast的矩阵。最后按照成像流程对回波进行成像。单点距离压缩后成像结果如图2-3，点目标成像如图2-4，目标距离向压缩后3D图如图2-5，目标成像3D图如图2-6，目标距离向旁瓣图如图2-7，目标方位向旁瓣图如图2-8。每个图分为对回波加窗滤波后图像和不加窗图像。图2-3 加窗点目标距离压缩后图像（左）、不加窗点目标距离压缩后图像（右）图2-4 加窗后单点目标成像（上）、不加窗单点目标成像（下）图2-5 加窗后目标距离向压缩后3D（左）、不加窗目标距离向压缩后3D（右）图2-6 加窗后目标成像3D图（左）、不加窗目标成像3D图（右）图2-7 加窗后目标距离向旁瓣图（左）、不加窗目标距离向旁瓣图（右）图2-8 加窗后目标方位向旁瓣图（左）、上加窗目标方位向旁瓣图（右）通过查找复图像矩阵最大值的方法可对成像点进行定位，结果为：方位向位置为0m，距离向位置为10770m。通过以上实验数据可知：经过成像处理的复图像数据包络距离向旁瓣比约为-13.35dB，方位向旁瓣比约为-17.71dB；若对回波加窗（本毕业设计中使用汉明窗滤波）滤波后在进行成像则距离向旁瓣比约为-42.33dB，方位向旁瓣比约为-42.1dB。体现在成像中结果是不加窗图像在距离向方位向上存在多个旁瓣所成出的点的虚影，而通过加窗来对回波进行滤波后这一状况得到明显改善。同时根据仿真结果可知目标方位向、距离向位置均与实际值相同。另外，当目标不是恰好位于采样点处则会存在误差。进一步结合采样间距计算可知：距离向理论最大误差为dr/2=0.8199m，方位向理论最大误差为da=1.2395m。2.2.2.2 多点目标仿真结果多点目标仿真过程中产生参数与单点目标相同，回波相当于三个单独的点目标所产生的回波相加。本次仿真中回波已经过加窗滤波。多点目标仿真结果如图2-9至图2-13所示。图2-9表示多点目标距离向压缩后所成的像；图2-10表示多点目标实际位置图像；图2-11表示多点目标仿真图像；图2-12表示距离向压缩后所成3D图像；图2-13表示多点目标仿真3D图像。根据仿真结果中距离向压缩后成像图及其3D图可清晰观测距离多普勒算法的执行过程；由多点目标成像图和多点目标实际位置图可知距离多普勒算法成像与实际位置相符，仿真程序正确，可以满足进一步研究的要求。图2-9 多点目标距离压缩后成像图2-10 多点目标实际位置图2-11 多点目标成像图2-12 多点目标距离压缩后3D成像图2-13 多点目标3D成像图2-14 多点实际位置用于分辨率研究图2-15 多点成像用于分辨率研究图2-16 多点成像3D图用于分辨率研究2.2.2.3 分辨率研究实验仿真结果选取三个点，一个位于测绘范围中心点，另两个分别在距离向和方位向进行平移，直到能够清晰分辨出三个独立点为止。仿真中回波已经过滤波。仿真结果如图2-14至图2-16所示。通过仿真可见在距离向相距为2DY=6m，方位向相距3DX=6m可以清晰分辨出三个独立点。即仿真方位向分辨率为6m，距离向分辨率为6m。此结果产生于全测绘区域成像中，如果仅进行部分区域成像则可进一步提高分辨率。2.3 本章小结本章首先简述了合成孔径雷达的成像原理，并对点目标成像进行了分析。其后根据成像原理进行了对点目标成像、点目标分辨率、加窗滤波及旁瓣对成像的影响等方面的仿真实验研究，得出了实验数据。最后根据仿真实验数据初步得出了对合成孔径雷达成像的分析结果。第3章 收发分置SAR成像3.1 收发分置SAR成像原理收发分置式SAR与普通合成孔径雷达相似。主要区别在于回波不同。普通合成孔径雷达回波中由表示斜距，发射平台斜距与接收平台斜距相等；收发分置合成孔径雷达中发射平台斜距与接收平台斜距不相等，故在回波表达式中会出现双根号形式，回波表达式如下： （3-1）其中分别代表发射平台和接收平台到点目标的斜距，由于斜距为根号形式，故式（3-1）为双根号形式。因此收发分置SAR的等距面为椭球面，而普通合成孔径雷达的等距面为球面910。成像算法仍采用距离-多普勒算法过程与2.1节中介绍的SAR成像原理相同。3.2 收发分置SAR成像仿真实验3.2.1 仿真设置与参数本次收发分置式合成孔径雷达成像仿真实验中设定发射和接收雷达平台均采用机载平台，两平台平行飞行且均处于正侧视状态。具体模型如图3-1。主机（雷达发射平台）、测绘带、雷达信号等基本参数与单机合成孔径雷达仿真中相同；辅机（雷达接收平台）与雷达发射平台垂直航迹基线为500m，沿航迹基线为0m，且接收平台位于发射平台和目标之间，其他参数与主机相同。平台处于理想飞行状态下。图3-1 收发分置SAR模型3.2.2 仿真结果距离压缩后成像如图3-2，单点成像如图3-3，距离压缩后3D成像图如图3-4，3D成像图如图3-5。根据实验结果可知，收发分置式合成孔径雷达可以对点目标清晰成像，可以满足本文进一步的研究需求。图3-2 收发分置SAR距离压缩后成像图3-3 收发分置SAR成像图3-4 距离压缩后3D成像图3-5 收发分置3D成像图3.3 本章小结本章分析了收发分置式SAR成像的原理，与普通SAR成像的区别在于普通SAR成像中等距面是球面而收发分置SAR成像中等距面是椭球面。根据仿真结果分析，收发分置式SAR成像与普通SAR成像区别不大。主要区别仿真过程中距离向采样间距有微小差别，这一差别也导致了分布式SAR成像过程中所需要图像配准的产生。第4章 分布式SAR成像4.1 分布式SAR成像原理首先通过多个平台上的雷达对相同测绘带区域进行探测，分别得到不同的回波，然后通过对各回波进行成像处理得到各自的复图像，将这些复图像进行图像匹配，最后进行非相干叠加即可得到分布式SAR成像图，流程如图4-1。分布式SAR主瓣与普通SAR相比更窄，并且旁瓣更小，因此分布式SAR有着更好的成像性能11。图4-1 分布式SAR成像流程图4.2 图像匹配原理图像配准是对两幅图像进行空间几何变换,使得图像对的共有特征能够匹配对应起来的过程，它是影像处理和分析的一个重要步骤,广泛地应用于多源遥感数据的融合分析、多时相遥感图像的变化检测和高程重建等方面。现有的图像配准方法分为手动配准与自动配准。为了获得精确的结果，手动配准必须在图像上选取较多的控制点，这是一个繁琐、重复、耗时的工作。而自动配准只需要少或不需要人为的干预，在较短时间就能够完成，同时还可以达到较高的精度，一直是研究的热点。SAR图像对的配准是以一幅SAR图像为基准图，另一幅为配准图，通过对配准图的移位、重采样等操作，使两幅图中同样位置的像素点在一定精度内对应于地面的同一点。配准过程可以分为观察配准、像素配准和亚像素配准三个相连的步骤。观察配准是观察图像并进行整体移位，一般可以配准到100个像素偏差以内。对于这种观察配准并没有精度要求，只是偏差越小后面像素配准中的搜索范围就可以越小，像素配准速度也就越快。像素配准也是整体移位配准，精度要求平均偏差在一个像素范围以内。亚像素配准要求的配准精度更高，一般要在0.1像素以内，它在各个小区域范围内进行，涉及插值重采样，因而能够达到这种精度要求。4.2.1 统计相关法目前SAR图像的配准通常采用统计相关方法、最大谱估计方法和平均波动函数法。在本节，我们主要介绍统计互相关方法。统计相关函数法是图像配准的基本算法，在图像处理中常用于模板匹配或模式识别。这种方法的核心思想是以一幅图像为模板，称之为主图像，通过在另一幅图像(辅图像)中上、下、左、右地滑动，获得一系列的相关函数值，由于该函数值的大小反映了图像间相似程度的高低，所以相关曲面峰值所对应的位置即被认为是图像正确匹配的位置。就SAR复数图像的配准而言，需要特别指出的是相关运算可以仅利用复数图像的幅度信息，也可以在复数域内进行，研究表明幅度相关法的抗噪声能力要强于复相关函数法。另外，在离散像素偏移基础上获得的相关曲面还必须进一步做插值运算获得亚像素级的配准参数，以达到要求的配准精度12。令两幅图像的幅度分别为，大小都为 M×N的矩阵，则可得二者的幅度相关函数为： （4-1）u，v分别为方位向和距离向的偏移，使最大的u，v即为待求的配准偏移参数。若以复数相关系数作为衡量尺度，为两幅复数图像，则： （4-2）统计相关函数法思路简单，又可以利用FFT加速计算过程，通常作为SAR复数图像配准的首选算法。4.2.2 分级配准法当配准中心处的图像粗配准后，配准边缘区域的图像可能还相差几个像素没有配准，这时，经过粗配准后的图像并没有达到一个像素内的精度，因此，在这种情况下，如果继续精配准，就会出现基准图像的一个像素点对应着配准图像的两个像素点，无法获得精确的配准图。基于此种情况，提出了一种分级配准(Hierarchical Registration，简称HR)方法，该方法采用分级处理的思想，自上而下并行处理，提高了粗配准阶段的精度和配准处理速度，而且还提高了配准的效率和精度12。以2048×2048大小的图像对为例，HR方法的过程如下:1.一级粗配准。HR方法选取主图像和辅图像中间的点作为控制点，以该点为中心，在主图像截取200×200的图像块作为基准图，在辅图像截取300×300的图像块作为搜索图，基准图在搜索图内移动，每移动一个像素点，计算一次相关系数，寻找相关系数最大的像素点，该点相对于控制点的偏移量和方向即为一级粗配准的偏移矢量。将主辅图像分别做偏移，使其重合。2.二级粗配准由于图像块较大，经过第一级粗配准后，配准精度未必在一个像素以内，由于距离向比例因子效应的影响，使得在远距处，同一像素点在主辅图像的偏移量加大，导致配准精度降低。将主图象分割成 M×N小块，相邻的小块之间重叠几个像素。设每一小块的大小是p×q，对每一个小块，在辅图像中截取相应的搜索图，大小为(p+p) ×(q+q)，然后分别对M×N个小块进行粗配准，得到偏移矢量，对主图像的M×N个小块分别做偏移。3.精配准精配准阶段采用“控制点一插值”的方法来扩充图像，而后根据以上图像配准方法完成。4.组合将 M×N各个小块拼接在一起，在重叠的像素点处，取偏移量较小的像素点作为最终的像素点，因为偏移量大的点很可能对应着辅图像的前一个或者后一个小块的像素点。4.3 分布式SAR成像仿真实验4.3.1 仿真设置与参数本次分布式合成孔径雷达成像仿真的发射和接收雷达平台均采用机载平台，两平台平行飞行且均处于正侧视状态。发射平台发射探测电波并接收回波，接受平台同时接收回波。模型如图4-3。图4-3 分布式SAR模型雷达发射平台、测绘带、雷达信号等基本参数与单机合成孔径雷达仿真中相同；雷达接收平台与雷达发射平台垂直航迹基线为500m，沿航迹基线为0m，且接收平台位于发射平台和目标之间。平台处于理想飞行状态下。假定时间同步、空间同步、相位同步。4.3.2 仿真结果4.3.2.1 单点成像仿真结果将普通合成孔径雷达仿真程序与收发分置式合成孔径雷达进行合并，添加图像配准及叠加成像程序。单点仿真结果：分布式单点成像如图4-4，分布式单点3D如图4-5，距离向旁瓣对比图如图4-6至图4-9，方位向旁瓣对比图如图4-10至图4-13。图4-4 分布式单点成像图4-5 分布式单点3D图4-6 单机距离向旁瓣（加窗）图4-7 分布式距离向旁瓣（加窗）图4-8 单机距离向旁瓣（不加窗）图4-9 分布式距离向旁瓣（不加窗）图4-10 单机方位向旁瓣（加窗）图4-11 分布式方位向旁瓣（加窗）图4-12 单机方位向旁瓣（不加窗）图4-13 分布式方位向旁瓣（不加窗）有实验数据可以看出分布式合成孔径雷达旁瓣比普通合成孔径雷达旁瓣有了明显改善，提高了成像分辨率。为了进一步更清晰的观测分辨率的改进，在下面进行分布式SAR多点成像和普通SAR多点成像的对比仿真实验。4.3.2.2 多点成像仿真结果首先比较多点旁瓣，旁瓣图如图4-14至4-15。图4-14 单机多点距离向旁瓣（左）、分布式多点距离向旁瓣（右）图4-15 单机多点方位向旁瓣（左）、分布式多点方位向旁瓣（右）可见分布式SAR成像中主瓣宽度小于普通SAR，即分布式SAR成像存在更高的分辨率。多点成像图如图4-16至4-18所示。由仿真结果比较可知分布式SAR同普通SAR相比有着更高的清晰度与更好的分辨率。仿真过程中配准区域主图像取200×200像素范围，辅图像取300×300像素范围。主辅图像间配准区域中心位置相差0.0020个像素单元，配准区域边缘位置相差0.2034个像素单元；距离向范围大小为81.9