合成孔径雷达成像算法与实现

本书专门论述SAR成像处理算法及其涉及的数字信号处理理论和技术。全书首先讨论了合成孔径雷达基础知识，重点介绍SAR成像处理所涉及的信号处理理论、合成孔径基本概念、合成孔径雷达信号特征分析等；接着讨论SAR成像处理算法、实现及其比较，包括距离－多普勒算法、ChirpScaling算法、Ω－k算法、SPECAN  算法等成像处理算法，此外还论述了宽成像带ScanSAR工作模式的成像处理方法等；最后，本书讨论了SAR成像处理算法中的重要辅助算法，即多普勒参数估计，包括多普勒中心估计和方位调频率估计等。

第一部分  合成孔径雷达基础

第1章  概论  2

1.1  合成孔径雷达背景简介  2

1.2  遥感中的雷达  3

1.3  SAR基础  3

1.4  星载合成孔径雷达传感器  7

1.5  内容概要  9

1.5.1  星载合成孔径雷达图像示例  10

参考文献  11

第2章  信号处理基础  14

2.1  简介  14

2.2  线性卷积  14

2.2.1  连续时间卷积  14

2.2.2  离散时间卷积  16

2.3  傅里叶变换  18

2.3.1  连续时间傅里叶变换  18

2.3.2  离散傅里叶变换  18

2.3.3  傅里叶变换性质  19

2.3.4  傅里叶变换示例  22

2.4  卷积的DFT计算  24

2.5  信号采样  25

2.5.1  采样信号的频谱  25

2.5.2  信号类型  26

2.5.3  奈奎斯特采样率和混叠  28

2.6  平滑窗  32

2.7  插值  33

2.7.1  sinc插值  34

2.7.2  插值核的频谱  37

2.7.3  非基带和复插值  38

2.8  点目标分析  38

2.9  小结  42

2.9.1  金星坑的麦哲伦图像  42

参考文献  43

第3章  线性调频信号的脉冲压缩  45

3.1  概述  45

3.2  线性调频信号  45

3.2.1  时域表达  45

3.2.2  线性调频脉冲的频谱  47

3.2.3  调频信号采样  49

3.2.4  频率和时间不连续性  51

3.3  脉冲压缩  52

3.3.1  脉冲压缩原理  52

3.3.2  线性调频信号的时域压缩  53

3.3.3  频域匹配滤波器  57

3.3.4  窗效应  58

3.3.5  过采样率重定义  60

3.4  匹配滤波器的实现  60

3.4.1  目标定位和匹配滤波器弃置区  63

3.5  调频率失配  64

3.5.1  基带信号中的失配影响  64

3.5.2  非基带信号中的失配影响  66

3.5.3  滤波器失配和时间带宽积  67

3.6  小结  67

3.6.1  ENVISAT/ASAR宽带图像  68

参考文献  69

附录3A  匹配滤波输出的推导  71

附录3B  相位失配误差推导  74

第4章  合成孔径的概念  75

4.1  概述  75

4.2  SAR几何关系  76

4.2.1  术语定义  76

4.2.2  卫星地距几何  79

4.2.3  卫星轨道几何  81

4.3  距离等式  82

4.3.1  距离等式的双曲线模型  83

4.3.2  速度与角度的关系  84

4.4  SAR距离向信号  86

4.4.1  发射脉冲  86

4.4.2  数据获取  87

4.5  SAR方位向信号  88

4.5.1  什么是SAR中的多普勒频率  88

4.5.2  相干脉冲  89

4.5.3  PRF的选择  90

4.5.4  方位向信号强度和多普勒历程  90

4.5.5  方位向参数  92

4.6  二维信号  93

4.6.1  信号存储器中的数据排列  94

4.6.2  解调后的基带信号  96

4.6.3  SAR冲激响应  97

4.6.4  典型雷达参数值  97

4.7  SAR分辨率与合成孔径  98

4.7.1  分辨率的带宽推导  98

4.7.2  合成孔径  100

4.8  小结  101

4.8.1  温哥华岛的窄幅ScanSAR图像  103

参考文献  104

附录4A  近似雷达速度的推导  105

附录4B  正交解调  107

附录4C  合成孔径的概念  111

第5章  SAR信号的性质  115

5.1  简介  115

5.2  低斜视角下的信号频谱  115

5.2.1  距离多普勒域频谱  116

5.2.2  二维频谱  117

5.3  一般情况下的信号频谱  117

5.3.1  距离向傅里叶变换  118

5.3.2  方位向傅里叶变换  119

5.3.3  距离向傅里叶逆变换  121

5.4  方位混叠与多普勒中心  124

5.4.1  方位混叠和模糊的起因  124

5.4.2  多普勒中心  126

5.4.3  多普勒模糊  128

5.4.4  距离向的多普勒中心变化  129

5.5  距离单元徙动  132

5.5.1  RCM的分量  133

5.5.2  同一距离处的多个目标  134

5.5.3  目标轨迹卷绕  135

5.6  点目标示例  136

5.6.1  仿真参数  136

5.7  SAR处理算法初窥  140

5.7.1  时域匹配滤波  140

5.7.2  机载实时处理图像  141

5.7.3  非聚焦SAR  142

5.7.4  更好的处理算法  143

5.8  小结  144

参考文献  145

附录5A  距离向/方位向的耦合  147

附录5B  方位调频率注释  150

第二部分  SAR处理算法

第6章  距离多普勒算法  154

6.1  简介  154

6.2  算法概述  154

6.3  低斜视角下的RDA  156

6.3.1  雷达原始数据  156

6.3.2  距离压缩  157

6.3.3  方位向傅里叶变换  159

6.3.4  距离徙动校正  160

6.3.5  残余RCM导致的展宽  164

6.3.6  方位压缩  166

6.3.7  低斜视下的RADARSAT-1图像  169

6.4  大斜视角情况  170

6.4.1  斜视的处理改进  170

6.4.2  SRC的实现  172

6.4.3  星载和机载中的SRC方式  174

6.4.4  SRC仿真试验  175

6.4.5  机载L波段雷达图像示例  179

6.5  多视处理  179

6.5.1  子视时频关系  180

6.5.2  子视抽取、检测及求和  181

6.5.3  等效视数  183

6.5.4  多视处理示例  183

6.5.5  调频率误差  187

6.5.6  多视处理图像  188

6.6  小结  189

参考文献  190

第7章  Chirp  Scaling算法  192

7.1  介绍  192

7.1.1  Chirp  Scaling算法概览  192

7.2  Chirp  Scaling原理  194

7.3  RCMC中的Chirp  Scaling  200

7.3.1  一致RCMC和补余RCMC  200

7.3.2  RCM的精确表达  202

7.4  变标方程推导  203

7.4.1  补余RCM量级示例  205

7.5  CSA处理细节  206

7.5.1  距离处理  206

7.5.2  方位处理  209

7.6  处理示例  210

7.6.1  点目标仿真处理  210

7.6.2  SRTM/X-SAR数据处理  213

7.7  小结  215

参考文献  215

第8章  wK算法  219

8.1  简介  219

8.1.1  wKA概述  219

8.2  参考函数相乘  221

8.3  Stolt插值  223

8.3.1  变量代换  223

8.4  对Stolt映射的理解  226

8.4.1  Stolt映射的组成部分  226

8.4.2  基于傅里叶变换性质的理解  227

8.4.3  基于支持域的理解  230

8.4.4  基于成像几何关系的理解  231

8.5  误差分析  232

8.6  近似wKA  233

8.6.1  近似项  234

8.6.2  与RDA和CSA的关系  235

8.6.3  近似wKA的误差讨论  235

8.7  处理示例  236

8.7.1  完整wKA仿真  236

8.7.2  近似wKA  240

8.7.3  X波段机载聚束雷达图像示例  241

8.8  小结  241

参考文献  243

附录8A  波数域的Stolt映射  245

第9章  SPECAN算法  249

9.1  简介  249

9.1.1  SPECAN算法概述  249

9.2  SPECAN算法的推导  250

9.2.1  SPECAN的卷积推导  251

9.2.2  几何解释  251

9.2.3  混叠与FFT长度  254

9.2.4  输出采样间隔  255

9.2.5  FFT有效输出点数  256

9.2.6  后续FFT位置  258

9.2.7  FFT输出结果的拼接  259

9.3  多视处理  260

9.4  处理效率  262

9.5  距离徙动校正  265

9.5.1  时域线性RCMC  265

9.5.2  数据倾斜与校直  265

9.6  相位补偿  266

9.7  关于图像质量的一些问题  269

9.7.1  拼接点处的频率间断  269

9.7.2  方位调频率误差  271

9.7.3  扇贝辐射效应  273

9.8  处理示例  279

9.8.1  仿真点目标  279

9.8.2  SPECAN算法处理出的ERS图像  281

9.9  小结  282

参考文献  283

第10章  ScanSAR数据处理  285

10.1  简介  285

10.2  ScanSAR数据获取  286

10.3  单一Burst中的目标压缩  289

10.4  全孔径处理算法  291

10.5  SPECAN算法  292

10.6  改进SPECAN算法  293

10.6.1  算法概述  293

10.6.2  SRTM处理示例  296

10.7  SIFFT算法  297

10.8  ECS算法  299

10.9  Burst图像拼接  301

10.10  小结  303

10.10.1  RADARSAT-1的ScanSAR图像  304

参考文献  304

第11章  算法比较  308

11.1  简介  308

11.2  算法精度回顾  308

11.2.1  RDA  308

11.2.2  CSA  308

11.2.3  wKA  308

11.3  处理功能对比  309

11.3.1  距离等式形式  310

11.3.2  方位匹配滤波器的实现  310

11.3.3  RCMC的实现  310

11.3.4  SRC实现  311

11.4  处理误差概述  311

11.4.1  方位匹配滤波器中的QPE  311

11.4.2  SRC中的QPE  312

11.4.3  残余RCM  312

11.4.4  处理误差量级示例  313

11.5  计算开销  315

11.5.1  基本算法运算  315

11.5.2  RDA  316

11.5.3  CSA  317

11.5.4  wKA  317

11.6  算法利弊  318

11.6.1  RDA利弊  318

11.6.2  CSA利弊  318

11.6.3  wKA利弊  319

11.7  小结  319

11.7.1  墨西拿海峡的ASAR图像  320

第三部分  多普勒参数估计

第12章  多普勒中心估计  322

12.1  简介  322

12.1.1  多普勒中心频率  322

12.1.2  星载SAR几何  322

12.1.3  本章概述  324

12.2  多普勒中心精度要求  326

12.2.1  基带中心的精度要求  326

12.2.2  多普勒模糊的精度要求  331

12.3  多普勒中心的几何计算  331

12.3.1  多普勒中心计算示例  334

12.3.2  偏航角和俯仰角控制  335

12.4  基于接收数据的基带中心估计  335

12.4.1  基于幅度的估计方法  336

12.4.2  基于相位的估计方法  339

12.5  基于接收数据的多普勒模糊估计  343

12.5.1  基于幅度的DAR估计方法  343

12.5.2  基于相位的DAR估计方法  346

12.5.3  多波长算法  348

12.5.4  多视互相关法  351

12.5.5  多视差频法  355

12.5.6  PRF变调法  358

12.5.7  DAR算法比较  358

12.6  全局估计原理  360

12.6.1  空间变化检测  360

12.6.2  估计器质量检测  361

12.7  曲面拟合法  363

12.7.1  全局多项式曲面拟合  363

12.7.2  基于几何模型的全局拟合  364

12.7.3  自动拟合过程  365

12.8  小结  367

参考文献  367

附录12A  多普勒计算详细步骤  370

附录12B  DAR算法中的偏移频率  376

第13章  方位调频率估计  380

13.1  简介  380

13.2  方位调频率精度要求  380

13.3  方位调频率的几何计算模型  382

13.4  方位线性调频率的数据估计  385

13.4.1  最大对比度法  385

13.4.2  视错位法  386

13.4.3  基于相位的自聚焦方法  390

13.5  小结  391

13.5.1  一部小型SAR系统—MiSAR  391

参考文献  392

附录A  RADARSAT数据光盘  393

缩略语对照表  395

符号表  398

参考书目  401

索引  415