SAR的点目标仿真.docx
《SAR的点目标仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SAR的点目标仿真.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
SAR的点目标仿真
合成孔径雷达（SAR）的点目标仿真
1.SAR原理简介
合成孔径雷达（SyntheticAperztureRadar,简称SAR）是一种高分辨率成像雷达技术。
它利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率，利用合成孔径原理获得高的方位向分辨率，从
而获得大面积高分辨率雷达图像。
SAR回波信号经距离向脉冲压缩后，雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：
C
:
匚=，式中：
＞表示雷达的距离分辨率，Br表示雷达发射信号带宽，C表示光速。
同
2Br—
样，SAR回波信号经方位向合成孔径后，雷达的方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定：
向SAR平台速度。
2.SAR的成像模式和空间几何关系
根据SAR波束照射的方式，SAR的典型成像模式有Stripmap（条带式），Spotlight（聚束式）和Scan（扫描模式），如图2.1。
条带式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像最简单最有效的方式；聚束式成像是在一次飞行中，通过不同的视角对同一区域成像，因而
能获得较高的分辨率；扫描模式成像较少使用，它的信号处理最复杂。
图2.1:
SAR典型的成像模式
这里分析SAR点目标回波时，只讨论正侧式StripmapSAR，正侧式表示SAR波束中心和SAR平台运动方向垂直，如图2.2，选取直角坐标系XYZ为参考坐标系，XOY平面为地平
面；SAR平台距地平面高h，沿X轴正向以速度V匀速飞行；P点为SAR平台的位置矢量，设其坐标为（x,y,z）；T点为目标的位置矢量，设其坐标为（xT,yT，ZT）；由几何关系，目标与SAR平台的斜距为：
PTff（x-Xt）2•（y-yj2*（z-召）2（2.1）
由图可知：
y=0,z=h,zT=0;令x=vs，,其中v为平台速度，s为慢时间变量（slowtime）,假设xT=vs，其中s表示SAR平台的x坐标为xT的时刻；再令r=H2•y「,r表示目
标与SAR的垂直斜距，重写2.1式为：
PT二R（s;r）r2•v2（s—s。
）2
R（s;r）就表示任意时刻s时，目标与雷达的斜距。
一般情况下，
（2.2）
vs—s。
《r，于是2.2
式可近似写为：
可见，斜距是s和r的函数，不同的目标，r也不一样，但当目标距SAR较远时，在观测带内，可近似认为r不变，即r=RO。
图2.2:
空间几何关系（a）正视图（b）侧视图
图2.2（a）中，Lsar表示合成孔径长度，它和合成孔径时间Tsar的关系是Lsar=vTsar。
（b）中，'为雷达天线半功率点波束角，二为波束轴线与Z轴的夹角，即波束视角，Rmin为近距点距离，Rmax为远距点距离，W为测绘带宽度，它们的关系为：
Rmin=Htg（v-込）
Rmax=Htg（J乜）（2.4）
W=Rmax—Rmin
3.SAR的回波信号模型
SAR在运动过程中，以一定的PRT（PulseRepititionTime,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，如图2.2（a），区域内各散射元（点）对
入射波后向散射，这样，发射脉冲经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。
Tr为chirp信号持续时间，下
图3.1表示SAR发射和接收信号的时域序列。
发射序列中,
标r表示距离向（Range）；PRT为脉冲重复周期；接收序列中，-n=~―只's，「）表示发射第i
C
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：
oO
s（t）八p（t-nPRT）
（3.1）
n-.：
:
t2
Ij•:
】Krtj2「fct
p（t）二rect（—）ee
Tr
式中，rect（）表示矩形信号，Kr为距离向chirp信号的调频斜率，fc为载频。
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：
sr（t）='二wp（t-nPRT-n）（3.2）
n-.：
:
式中，匚为点目标的雷达散射截面，w表示点目标天线方向图双向幅度加权，n表示载机发
2r（s；r）
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，n，代入3.2式
C
t—nPRT-2R（s;r）/C
sr（t）'wrect（）-
n=：
：
Tr
2
exp[j二Kr（t—nPRT—2R（s;r）/C）]（3.3）
4兀
exp[-jR（s;r）]exp[j2二fc（t-nPRT-「）]
3.3式就是单点目标回波信号模型。
其中，exp[j二「（t-nPRT-2R（s;r）/C）2]为chirp
分量，它决定距离向分辨率，exp[_j卫Lr（s;r）]为doppler分量，它决定方位向分辨率。
距离向变量s远大于方位向变量t（典型相差105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s为慢时间变量（slowtime），称t为快时间变量（fasttime）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：
t一2R（s;r）/C2
sr（s,t;r）-；「rect（）exp[j二Kr（t-2R（s;r）/C）]-
Tr（3.3）
s4n
rect（）exp[-j——R（s;r）]
Tsar
图3.2:
单点目标回波二维分布示意图
在方位向（慢时间域）是离散的，s=nPRTxo/V，其中V是SAR的速度，X。
是0时刻目标在参考坐标系中的■坐标。
为了作数字信号处理，在距离向（快时间域）也要采样，假设采样周期为Tr,则t=m「，如图3.2，方位向发射N个脉冲，距离向采样得到M个样值点，贝USAR回波为一NM矩阵，K个理想点目标的回波经采样后的表达式为：
K
Sr（n,m）-'；「exp{j二[t（m）
k=1
（3.4）
2R（n;k）
0v[t（m）——-——]vTr;|R（n;k）—x（k）Tsar
C
n=1,2,3N;m=1,2,3M
4.SAR的信号系统模型
从信号与系统的角度看，SAR回波可看作目标的散射特性通过一个二维线性系统的输出。
点目标的信号与系统模型如图4.1:
图4.1:
点目标信号与系统模型
s「（s,t;r）=[仃*6（s）酋（t）]@s,th（s,t;r）
式中，二「（s）j.（t）表示点目标的散射特性，h（s,t;r）表示等效系统，设p（t）为发射的chirp信号，则：
2R（s,t;r）2jr2+v2s2
h（s,t;r）=p（t）=P（t）（4.2）
CC
4.2式表明h（s,t;r）只在（s,t）维是线性时不变（LTI）的，在r维是时变的，相同的（s,t）,不
同的r，响应h（s,t;r）不一样。
但通常情况下可近似认为r不变，即r=R0，这时，系统等
效为一个二维LTI系统。
五.点目标SAR的成像处理算法仿真
SAR的回波数据不具有直观性，不经处理人无法理解它，如图5.1o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，可以把二维过程分解成距离向和方位向
两个一维过程，
Range-DopperAlgorithm
（简称RD算法）就是采用这种思想的典型算法，
这里也只讨论
RD算法。
图5.1:
SAR回波数据（a）未经处理（b）处理后
RD算法通过距离迁移（RangeMigration）矫正，消除距离和方位之间的耦合。
在满足聚焦深度的前提下，将成像处理分解成两个一维的LTI系统进行相关处理，并采用频域快速相
关算法提高了速度。
RD算法已非常成熟，并成为衡量其它算法优劣的标准。
RD算法典型的
数字处理流程如图5.2。
图5.2:
Range-Dopper算法流程
•预处理
这是对SAR回波处理的第一步，一般在SAR平台（卫星，飞机）上实时处理，包括解调和数字化。
雷达信号的载频较高（〜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，然后存储或传到地面做进一步处理。
采样
后的数据常采用矩阵形式存储，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（图3.2），则待处理数据是一个NM的矩阵，如图5.3。
实际处理时，要在方位向上加窗截断，因此，在方位向上的开始和结束的一段数据（图中影阴区所示）是不充分的，对应
的长度均为Lsar/2,Lsar表示SAR的合成孔径长度。
仿真时，这个数据阵是程序根据3.4式产生的。
距离向
图5.3:
待处理数据
•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。
Matlab语句为：
Refr=exp（j*pi*Kr*tr.A2）.*（0Sr=ifty（fty（Srnm）.*（ones（N,1）*conj（fty（Refr））））;
Kr和Tr分别是Chirp信号的调频斜率和脉冲持续时间，Refr表示参考信号，fty,ifty
是对矩阵的行（对应距离向）进行FFT和IFFT运算的子程序。
例如，fty的代码为：
%%FFTinrowofmatrix
functionfs=fty（s）;
fs=fftshift（fft（fftshift（s.'）））.';
•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，可以先不考虑。
•方位压缩
方位向的处理是SAR成像处理算法最核心的部分。
正侧式点目标（图22）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。
仿真中，调频斜率Ka已知，因此不需要进行Doppler参数估计。
•SAR参数
SAR平台：
水平速度V=100m/s
高度H=5000m
天线等效孔径D=4m
SAR平台与测绘带的垂直斜距R0=11180m（计算结果）
发射信号：
载波频率fc=1GHz
Chirp信号持续时间Tr=5us
Chirp信号调频带宽Br=30MHz
Chirp信号调频斜率Kr=61012（计算结果）
脉冲重复频率PRF=57.6Hz（计算结果）
Doppler调频带宽Ba=50Hz（计算结果）
Doppler调频斜率Ka=—5.96（计算结果）
分辨率：
距离向分辨率DY=5m
方位向分辨率DX=2m
目标位置：
距离向Y=[Yc-Y0,Yc+Y0]=[9500,105
升级会员 