内容简介
《机载低频合成孔径雷达成像新技术》主要介绍机载低频合成孔径雷达(SAR)成像的基础知识及研究进展，*先介绍机载低频SAR成像基础，包括成像模型、空间分辨率分析、非正交旁瓣抑制、机载低频SAR射频干扰抑制等；然后，讨论机载低频直线轨迹成像，包括机载低频LSAR频域成像算法、运动补偿算法、实测数据处理流程和相应的实测数据成像结果；*后，介绍机载双站低频SAR成像、机载低频CSAR成像和机载重轨低频InSAR技术等研究成果，包括基本原理、实现算法和相应的实测数据处理结果等。《机载低频合成孔径雷达成像新技术》重视理论算法研究的实用性能，并提供作者所在团队获取的机载低频SAR试验结果。
目录
目录
前言
第1章 概论 1
1.1 发展概况 1
1.1.1 低频雷达的发展历史 1
1.1.2 低频SAR的发展历史 2
1.2 典型低频SAR系统的介绍 4
1.2.1 美国 4
1.2.2 瑞典 9
1.2.3 法国 11
1.2.4 德国 15
1.2.5 俄罗斯 18
1.2.6 中国 20
1.3 低频SAR的应用 24
1.3.1 静止目标侦察探测 24
1.3.2 运动目标侦察探测 25
1.3.3 林下地形透视测绘 26
1.3.4 双站低频SAR技术 27
1.3.5 低频CSAR技术 30
1.3.6 浅埋未爆物探测 31
参考文献 34
第2章 机载低频SAR成像基础 42
2.1 机载低频SAR回波信号模型 42
2.2 机载低频SAR脉冲响应函数 49
2.2.1 IRF-NSAR推导 50
2.2.2 IRF-USAR推导 52
2.3 机载低频SAR非正交旁瓣现象及抑制 55
2.3.1 机载低频SAR二维频谱支撑域 56
2.3.2 非正交旁瓣 58
2.3.3 非正交旁瓣抑制 61
2.4 机载低频SAR运动误差建模与分析 63
2.4.1 非理想情况下的机载低频SAR成像几何 64
2.4.2 航向速度误差影响分析 66
2.4.3 平动误差影响分析 69
2.5 机载低频SAR射频干扰抑制 81
2.5.1 RFI信号模型 82
2.5.2 陷波类RFI抑制算法 86
2.5.3 基于二元信号分离的重构类RFI抑制算法 92
参考文献 99
第3章 机载低频LSAR成像 105
3.1 机载低频LSAR回波信号模型 107
3.2 频域成像算法的统一形式推导 109
3.2.1 类算法 109
3.2.2 CS类算法 112
3.3 机载低频LSAR频域成像算法性能分析 114
3.3.1 类算法成像精度分析 115
3.3.2 CS类算法成像精度分析 115
3.3.3 成像效率对比分析 120
3.3.4 仿真试验 122
3.4 机载低频LSAR运动补偿算法 129
3.4.1 基于传感器测量数据的两步运动补偿算法 130
3.4.2 基于回波参数估计的运动补偿算法 142
3.4.3 机载低频LSAR三级运动补偿算法 155
3.5 试验结果 161
3.5.1 小场景实测数据成像处理 161
3.5.2 大场景实测数据成像处理 170
参考文献 172
第4章 机载双站低频SAR成像 179
4.1 机载双站低频SAR成像几何与回波信号模型 181
4.1.1 机载双站低频SAR成像几何 181
4.1.2 机载双站低频SAR回波信号模型 183
4.2 机载双站低频SAR空间分辨率分析 187
4.2.1 空间波数分析 188
4.2.2 空间分辨率分析 193
4.2.3 仿真分析 196
4.3 机载双站低频SAR成像算法 201
4.3.1 基于椭圆极坐标的双站BPA 202
4.3.2 基于椭圆极坐标的双站BFFBPA成像 206
4.4 试验结果 216
4.4.1 仿真试验 216
4.4.2 机载双站低频SAR飞行试验 220
参考文献 223
第5章 机载低频CSAR成像 229
5.1 机载低频CSAR成像几何与回波信号模型 230
5.1.1 机载低频CSAR成像几何 230
5.1.2 机载低频CSAR回波信号模型 234
5.2 SAR脉冲响应函数 235
5.2.1 LSAR脉冲响应函数 236
5.2.2 CSAR脉冲响应函数 241
5.3 CSAR空间分辨率分析 242
5.3.1 相干成像空间分辨率分析 244
5.3.2 非相干成像空间分辨率分析 250
5.4 机载低频CSAR成像算法与自聚焦算法 255
5.4.1 机载低频CSAR成像算法 255
5.4.2 机载低频CSAR自聚焦算法 264
5.5 试验结果 273
参考文献 278
第6章 机载重轨低频InSAR技术 284
6.1 低频InSAR特点 285
6.2 低频InSAR图像配准 288
6.2.1 算法描述 289
6.2.2 配准偏移量的估计算法 291
6.2.3 配准精度分析 293
6.3 基于*小权完美匹配的低频InSAR相位解缠 294
6.3.1 基本原理 294
6.3.2 不考虑质量图的二分图构建 298
6.3.3 考虑质量图的二分图构建 300
6.3.4 复杂度分析 301
6.4 大尺寸低频InSAR相位解缠 302
6.4.1 基本原理 303
6.4.2 试验结果与分析 306
6.5 低频InSAR绝对相位获取与高程反演 311
6.5.1 传统残余相位模糊估计算法 311
6.5.2 低频InSAR绝对相位估计算法 315
6.5.3 高程反演 318
6.6 实测数据处理结果 320
6.6.1 机载重轨P波段InSAR实测数据处理 320
6.6.2 机载重轨L波段InSAR实测数据处理 324
参考文献 326
试读
第1章 概论
1.1 发展概况
1.1.1 低频雷达的发展历史
与高频雷达相比，低频雷达的突出优点是具有很强的“透视”能力，即可穿透叶簇、墙体、浅地表等介质，探测位于丛林中、墙后或浅地表下的隐蔽目标，这使得低频雷达具有重要的军事价值和民用价值。因此，低频雷达技术一直是雷达领域的研究热点之一。
低频雷达技术的研究可追溯到越南战争[1]。早期的战场监视雷达都工作在高频段，这类雷达的穿透能力较差，无法探测到丛林遮蔽下的隐蔽目标，因此不适合丛林作战。在越南战争中，越南境内大部分地区丛林密布，越军经常以丛林为掩护，对美军实施偷袭，令美军吃尽苦头。为此，20世纪60年代中期，美国陆军科学委员会开始研发具有叶簇穿透能力的侦察雷达，以便发现隐藏在丛林深处的越军。1965年，罗切斯特大学向美国陆军有限战争实验室(Limited War Laboratory，LWL)提交了一份名为“ORCRIST：反游击侦察系统”的提案，这是世界上**个介绍叶簇穿透(foliage penetration， FOPEN)雷达研究的公开资料。此外，为了侦察丛林内的运动目标，美国启动了“营地哨兵计划”。在该计划的资助下，美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA)和麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)的林肯实验室开始了战场区域侦察监视雷达的研究工作，以便有效发现在浓密丛林中活动的越军。不久，林肯实验室研制出“营地哨兵Ⅱ”型雷达，该雷达的工作频率为435MHz，有效侦察距离为200m，工作频率较低，因此“营地哨兵Ⅱ”型雷达具有良好的叶簇穿透性能，适用于丛林环境下的侦察监视。此后，林肯实验室又对“营地哨兵Ⅱ”型雷达进行了升级改造，研制出“营地哨兵Ⅲ”型雷达，侦察距离扩大到2km，“营地哨兵Ⅲ”型雷达的天线直径为3.5m，重8000lb①。然而，“营地哨兵Ⅲ”型雷达非常笨重，不易运输，于是美国陆军LWL又研制出一种移动式前置野营雷达系统，称为多功能叶簇穿透(multi-FOPEN)系统。该系统可由单兵携带，并可在1小时内架设好，实施侦察监视任务。
20世纪70年代以前，低频雷达系统只能侦察丛林中的慢速运动目标，无法探测到丛林中的静止目标(如停放的军用车辆或建造的军用设施等)。为解决这个问题，研究人员开始采用合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)。与传统雷达相比，SAR利用信号相干处理技术可以获得很高的方位向分辨率，对目标进行二维成像，进而实现对静止目标的成像探测。因此，研究人员考虑到：若将低频雷达的介质穿透性能与SAR技术相结合，则可以对丛林遮蔽下的静止目标实施透视成像探测，进而发现丛林遮蔽下的人造设施、停放车辆等静止目标，这就是低频SAR技术。
1.1.2 低频SAR的发展历史
人们对SAR技术的研究*早可追溯到20世纪50年代，1951年，在古德伊尔(Goodyear)公司工作的Wiley提出了合成孔径的概念，通过载有较小尺寸天线的平台与目标之间的相对运动，结合相应的信号处理手段，模拟具有超大孔径的雷达天线，使得方位向分辨率提高到实际天线孔径的1/2，且与雷达的探测距离无关，SAR技术由此诞生。1985年，Wiley以其在SAR方面的卓越工作获得了电气与电子工程师协会颁发的先驱奖。1953年，美国伊利诺伊大学的科学家**次试验证实了合成孔径概念的有效性。1957年，密歇根大学得到了世界上**幅全聚焦SAR图像。此后，经过全世界相关国家的不懈努力，各种SAR技术[1-4]如雨后春笋般出现，并在军事领域与民用领域取得了不错的应用效果。
随着SAR技术的发展，SAR体制和工作模式不断创新。低频SAR就是一种具有良好叶簇/浅地表穿透性能的新体制SAR技术。通常将系统发射信号的瞬时相对带宽大于20%或绝对带宽大于500MHz的信号称为超宽带信号[4]。为获得米级/亚米级的距离向高分辨率，SAR系统需发射带宽为几百兆赫兹以上的信号；为了具有良好的叶簇/浅地表穿透能力，SAR系统需工作在甚高频(very high frequency， VHF)/特高频(ultra high frequency，UHF)、L等波段。将低频超宽带技术和SAR技术结合在一起，可实现高分辨率穿透成像，从而生成一种具有特殊功能和*特应用价值的成像雷达。本书中提到的低频SAR主要是指工作在VHF/UHF、L等波段，具有良好叶簇、浅地表等介质穿透性能的SAR技术，其中既包括相对带宽大于20%的超宽带SAR系统，也包括相对带宽小于20%的宽带/窄带SAR系统。
与传统高频SAR相比，低频SAR能够对隐藏在叶簇下的各种人造设施和人造目标进行高分辨率透视探测成像，还可对森林覆盖下的地形进行透视测绘。因此，无论是在民用领域还是军事领域，低频SAR技术都有非常广阔的应用前景，相关技术的研究工作也一直受到重视。高频SAR和低频SAR的叶簇隐蔽目标成像结果对比如图1.1所示。
图1.1 高频SAR和低频SAR的叶簇隐蔽目标成像结果对比
20世纪80年代末，地球遥感研究机构认为SAR能够实现丛林区域的透视成像侦察监视。1988年，美国国家航空航
