开题报告

合成孔径雷达点目标成像仿真

学生：宋家明

指导教师：黄瑶

三峡大学理学院

1课题来源

本课题属于纯理论的课题。合成孔径雷达（SAR）是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一个较大的等效天线孔径的雷达。合成孔径雷达成像算法是SAR系统的重要组成部分，决定了成像质量。经典的成像算法有RD算法和CS 算法，这两种算法都涉及到了对信号处理知识的综合运用。

2研究目的和意义

随着现代电子战不断升级，电子干扰、反辐射导弹、隐形武器和超低空突防成为常规单基地雷达的“四大威胁”。面对“四大威胁”，常规合成孔径雷达与常规的单基地雷达一样，不仅正常工作受阻，而且其自身的生存也成为需要解决的问题。为了提高合成孔径雷达自身的生存能力，必须研究新型体制的合成孔径雷达系统。合成孔径雷达系统由于发射机和接收机分置在不同位置的平台上，因此具有有效的抗干扰能力和抗打击能力。此外SAR系统还具有合成孔径雷达的高分辨率特性，它将是合成孔径雷达系统的发展方向之一。

3 研究现状和发展趋势，学术动态，综合分析提出研究课题的主攻方向

雷达仿真在其早期阶段，限于处理器的计算能力，只能仿真计算一些简单的参数。随着处理器的不断发展，开始出现比较复杂的仿真系统。早在上世纪七十年代，Hotelman就研究了雷达成像的仿真工作。涉及SAR技术的研究最早出现在二十世纪七十年代末，1977年，美国Xonics公司的仿真研究表明，在双基地模式下可以实现动目标显示(MTI)和合成孔径成像;1979年，Goodyear公司和Xonies公司与美国空军签订合同，正式实施“战术双站雷达验证(TBIRD)计划。随后，在八十年代，有很多学者研究了SAR图像的仿真书;1992年，Giorgio对以往成果进行了总结，并给出了一种更新的SAR原始回波仿真算法，随后，Giorgio 又给出了关于自然表层，海洋上油层的SAR图像仿真。关于雷达的一些普通参数的仿真和估计，Barton写出过专著对其论述。

上述这些雷达系统仿真，都集中面向于某种雷达系统处理算法的仿真，并且他们都属于单处理器仿真系统。本文根据SAR系统的特点，首先建立了SAR模型，分析了分辨率、脉冲重复频率、测绘带宽度等系统基本参数。然后详细分析了SAR的三大同步问题。目前各国公开研制和使用的大部分机载、星载SAR(包括同平台、双天线的干涉SAR)属于单基地SAR 的范畴。

本文在双合成孔径雷达系统的成像算法、系统同步、成像原理等方面进行了系统的研究;在此基础上，根据复杂系统分布式仿真理论，提出了双基地合成孔径雷达分布式仿真架构，对双基地合成孔径雷达进行了仿真研究。在纯软件的仿真系统中，按照雷达系统的数学模型，用软件实现整个系统的功能，软件系统运行于通用PC平台。纯软件的仿真系统与半实物仿真系统相比，有灵活的架构，而且在软件的基础上实现灵活性和重用性是很方便的。然而，

雷达系统的复杂性与日剧增，单处理器软件仿真系统只能够对雷达系统的一些简单参数和指标作有限的仿真。运动目标检测和成像是SAR 要完成的基本功能和难点之一，如何高效的检测出道动目标、确定目标运动速度及其位置并对这些动目标进行成像是SAR 运动目标检测和成像的主要任务。

课题的主攻方向是了解SAR 的应用，分析合成孔径雷达成像仿真系统的特点，深入研究SAR 成像原理和成像算法，以点目标为例，在Matlab 平台上仿真成像算法，分析成像算法对分辨率的影响。SAR 的基本功能是获得地域图像，尽可能逼真的再现辐射地域特征，其成像理论模型如下

模型中σ(x,t)表示地域对微波的后向散射系数，δ(x,t)是经过信号处理后的雷达图 像，h(x,t)代表SAR 冲激响应，是一个二维网络系统。当h(x,t)为脉冲函数(δ函数)时，雷达成像就是地域散射系数的正确复现，因此要求SAR 的系统响应尽可能的接近δ函数。

在静止目标的SAR 图像上，动目标在方位上将偏离原来的位置，动目标图像散焦，分辨率下降，图像峰度下降。如果要得到方位上聚焦的高分辨率动目标SAR 图像，就必须对动目标重新聚焦成像。动目标成像流程圈图如下图所示

回波信号经过距离向压缩、转置后，需要进行杂波抑制以改善信噪比(SCR)，然后对杂波抑制后的数据进行动目标检测，检测到目标后就可以估计目标的运动参数，

运动参数包括目标的速度和位置。在动目标成像时不能用静止目标的多普勒参数，必须重新估计动目标多普勒参数。多普勒参数与动目标自身的运动参数密切相关，每一个动目标的运动参数不同，其多普勒参数也不同，二者互相依赖，所以运动参数估计和多普勒参数估计必须同时完成。在多数情况下，检测和参数估计也是同时完成的，比如在图像域检测时，要想可靠的检测目标就要求尽可能使用与动目标匹配的匹配滤波器来完成压缩处理，以改善信噪比，但是匹配滤波器的设计又需要知道多普勒参数，所以检测和参数估计应该同时进行。

估计出目标的运动参数以后，需要对杂波抑制后的动目标数据进行距离移动较正，距离移动校正可以在频域内完成，或者通过降低距离向分辨率、减少相于积累时间来降低距离移动效应。距离移动校正后，并且已经估计了动目标的多普勒中心频率和调频率，就可以对动目标进行聚焦成像。 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：

1

12S =F {F [(,;)]()}1

()()exp()r r r r r r r r r r r r r r s s t r H f f f H f rect j f K K T π- ⋅=-⋅-=其中：； 下标r 表示公式为距离向（逆）傅里叶变换，r K 和r T 分别是Chirp 信号的调频斜率和

脉冲持续时间，()r r H f 表示距离压缩参考函数。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。正侧视点目标情况下，回波经距离压缩后在方位上也是一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。公式如下：

1212200

S =F {F [(,;)]()}

2()exp(); r a a r a a a a a a a s s t r H f R f v H f j K K R λπλ- ⋅=-=其中：， 下标a 表示公式为方位上（逆）傅里叶变换， ()a a H f 表示方位压缩参考函数。

在合成孔径时间内都会发生距离移动现象，下面分析动目标的距离移动效应，在分析中不考虑地球自转。距离移动问题可以从时域分析，假设目标以恒定的速度运行，即0,0x y a a ==，目标运动轨迹可以表示为：

()()()()2222200000()2x y x y R t R x v v y v t v v v t ≈---+-+

其中()R t 、0R 、0x 、0v 、0y 、x v 、y v 、t 分别表示总位移，初始状态位移，初始

状态水平、竖直位移，水平竖直速度和目标运动时间。

合成孔径时间内的最大距离移动量为：

()()()()()222000001

222x y s x y s

R x v v y v T v v v T R ∆≈--++-+ 假设0t =时刻，目标位于方位上波束中心，即00x =，对于速度慢的目标而言，大距离移动量可以近似为：220000222y s s

y v T v T R R R ∆≈+，其中第一项是由于载机运动引起的距离运动量，

无论是静止目标还是运动目标都存在；第二项是由于目标距离向运动引起的距离移动量。假设距离分辨率为r ρ，则距离运动单元数为r r n R ρ=∆，将上式带入可得

220000222y s s r r r y v T v T n R R ρρ=+，经过上述分析可见，距离移动与距离向分辨率有关，距离向分辨

率越高，移动单元数越夫。距离移动还与合成孔径时间有关，合成孔径时间长，距离移动大，合成孔径时间短，则距离移动小。距离移动还与目标运动有关，距离向速度较大的目标会引起严重的距离单元移位现象，目标速度不同，距离移动曲线也不同。为了降低距离移动量，可以通过降低距离分辨率或者减少积累时间来实现。通过平滑高分辨率距离向数据或者部分数据脉冲压缩的方法，可以降低距离向分辨率，进而减少或消除距离移动。这样做还有一个好处是降低了数据率，降低了对转置存储器的容量要求，并且使方位向压缩时的运算量大大的减少。减少积累时间同样可以减少距离移动，但同时也降低了方位分辨率。当距离移动量满足12r R ρ∆≤

，距离移动可以忽略不计。