合成孔徑雷達(dá)SAR的點(diǎn)目標(biāo)仿真成像

1、合成孔徑雷達(dá)（SAR）的點(diǎn)目標(biāo)仿真成像電子與通信工程侯智深 MF0923008一.SAR原理簡(jiǎn)介合成孔彳5雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar ,簡(jiǎn)稱SAR遢一種高分辨率成像雷達(dá)技術(shù)。它利用脈沖壓縮技術(shù)獲得高的距離向分辨率，利用合成孔徑原理獲得高的方位向分辨率，從而獲得大面積高分辨率雷達(dá)圖像。SAR回波信號(hào)經(jīng)距離向脈沖壓縮后，雷達(dá)的距離分辨率由雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬決定：R = ,式中匕表示雷達(dá)的距離分辨率，Br表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬，C表示光速。同2Br樣，SAR回波信號(hào)經(jīng)方位向合成孔徑后，雷達(dá)的方位分辨率由雷達(dá)方位向的多譜勒帶寬決定：- 9 -已=也，式中巳表示雷達(dá)的方位分辨率,

2、BaBa表示雷達(dá)方位向多譜勒帶寬，Va表示方位向SAR平臺(tái)速度。二.SAR的成像模式和空間幾何關(guān)系根據(jù)SARM束照射白方式，SAR的典型成像模式有 Stripmap（條帶式），Spotlight（聚束 式）和Scan（掃描模式），如圖。條帶式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像最簡(jiǎn) 單最有效的方式；聚束式成像是在一次飛行中，通過(guò)不同的視角對(duì)同一區(qū)域成像，因而能獲得較高的分辨率；掃描模式成像較少使用，它的信號(hào)處理最復(fù)雜。行印mp保帶式）SpolHghl鼐束式JScan存三描模式】SAR典型的成像模式這里分析SAR點(diǎn)目標(biāo)回波時(shí)，只討論正側(cè)式 Stripmap SAR ,正側(cè)式表示 SAR波束

3、中心 和SAR平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向垂直，如圖 2.2,選取直角坐標(biāo)系 XYZ為參考坐標(biāo)系，XOY平面為地平 面；SAR平臺(tái)距地平面高 h,沿X軸正向以速度 V勻速飛行；P點(diǎn)為SAR平臺(tái)的位置矢量，設(shè)其坐標(biāo)為（x,y,z） ; T點(diǎn)為目標(biāo)的位置矢量，設(shè)其坐標(biāo)為（xT,yT,a）；由幾何關(guān)系，目標(biāo) 與SAR平臺(tái)的斜距為：pt ；(x-Xt)2 (y - yj (z -zj由圖可知：y =0,z = h,ZT =0；令x =vs ,其中v為平臺(tái)速度，s為慢時(shí)間變量（slow time）,假設(shè)Xt =vs,其中s表示SAR平臺(tái)的X坐標(biāo)為Xt的時(shí)刻；再令r = Jh2 +y, , r表示目 標(biāo)與SAR的垂直斜距

4、，重寫 2.1式為:2222= R（s;r）=qr v （s 生）R(s;r)就表示任意時(shí)刻 s時(shí)，目標(biāo)與雷達(dá)的斜距。一般情況下，v s-so r ,于是上式可近似寫為： 2R(s;r) = . r2 v2 (s - 8)2 ： r (s -8)22r可見(jiàn)，斜距是s和r的函數(shù)，不同的目標(biāo)，r也不一樣，但當(dāng)目標(biāo)距SAR較遠(yuǎn)時(shí)，在觀測(cè)帶內(nèi)，可近似認(rèn)為r不變，即r=R0。（b）空間幾何關(guān)系(a) 圖(a)中，Lsar表示合成孔徑長(zhǎng)度， 中，日為雷達(dá)天線半功率點(diǎn)波束角， 近距點(diǎn)距離，Rmax為遠(yuǎn)距點(diǎn)距離，正視圖(b)側(cè)視圖它和合成孔徑時(shí)間Tsar的關(guān)系是Lsar = vTsar。(b)日為波束軸線與Z

5、軸的夾角，即波束視角，Rmin為W為測(cè)繪帶寬度，它們的關(guān)系為：Rmin = H tg（1-口2）Rmax = H tg（?口2）W = Rmax- Rmin三.點(diǎn)目標(biāo)SAR的成像處理算法仿真SAR的回波數(shù)據(jù)不具有直觀性，不經(jīng)處理人無(wú)法理解它。從原理上講，SAR成像處理的過(guò)程是從回波數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)區(qū)域散射系數(shù)的二維分布，本質(zhì)上是一個(gè)二維相關(guān)處理過(guò)程：因此最直接的處理方法是對(duì)回波進(jìn)行二維匹配濾波，但其運(yùn)算量很大，再加上SAR的數(shù)據(jù)率本來(lái)就高，這使得實(shí)時(shí)處難于實(shí)現(xiàn)。通常，可以把二維過(guò)程分解成距離向和方位向兩個(gè)一維過(guò)程，Range-Dopper Algorithm （簡(jiǎn)稱RD算法）就是采用這種思想的典

6、型算法。Stripmap SAR after range compressionSlnpmap SAR after range and azimulh compression-400300產(chǎn)1 oX04.10302累96 o97o明o95 mDD口OOBDIOOIOO口 口-11 3 d巴 miaul ssrKU 百寸SAR的點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果Re I part of the- raw sig 同1OT0兩點(diǎn)目標(biāo)的回波仿真 3D圖2015Resolution D&rno: -3dB contour5Q5-1015-200.999511 0005 1.001 10015 1002 1.0025 1.

7、003 1.0035 1 00$ 1.0045 1 005f 高刖噌5 杷JWfefS或1 口妝苫Etr正片占rNq兩點(diǎn)目標(biāo)壓縮后的3dB等高線圖附錄：SAR的點(diǎn)目標(biāo)仿真 Matlab程序主程序：stripmapSAR.m%= %Filename: stripmapSAR.m%Help file: stripmapSAR.doc%Project: Stripmap SAR Simulation using point targets and Reconstrction%with Range-Doppler Algorithm%Author: houzhishen ,nju,2010/6%= c

8、lear;clc;close all;%= %Parameter-constantC=3e8;%propagation speed%Parameter-radar characteristicsFc=1e9;lambda=C/Fc;%Parameter-target areaXmin=0;Xmax=50;Yc=10000;Y0=500;%Parameter-orbital informationV=100;H=5000;R0=sqrt(YcA2+HA2);%Parameter-antennaD=4;Lsar=lambda*R0/D;Tsar=Lsar/V;%Parameter-slow-tim

9、e domain%carrier frequency 1GHz%wavelength%target area in azimuth is withinXmin,Xmax%center of imaged area%target area in range is withinYc-Y0,Yc+Y0 %imaged width 2*Y0%SAR velosity 100 m/s%height 5000 m%antenna length in azimuth direction%SAR integration length%SAR integration timeKa=-2*VA2/lambda/R

10、0;Ba=abs(Ka*Tsar);PRF=Ba;PRT=1/PRF;ds=PRT;%doppler frequency modulation rate%doppler frequency modulation bandwidth%pulse repitition frequency%pulse repitition time%sample spacing in slow-time domainNslow=2Anextpow2(Nslow);%for fftNslow=ceil(Xmax-Xmin+Lsar)/V/ds); %sample number in slow-time domain%

11、refreshTr=5e-6;Br=30e6;Kr=Br/Tr;Fsr=3*Br;dt=1/Fsr;Rmin=sqrt(Yc-Y0)A2+HA2);sn=linspace(Xmin-Lsar/2)/V ,(Xmax+Lsar/2)/V,Nslow);%discrete time array in slow-time domainPRT=(Xmax-Xmin+Lsar)/V/Nslow;PRF=1/PRT;ds=PRT;fu=linspace(-1/2/PRT,1/2/PRT,Nslow);%fu 域序列%Parameter-fast-time domain%pulse duration 10u

12、s%chirp frequency modulation bandwidth 30MHz%chirp slope%sampling frequency in fast-time domain%sample spacing in fast-time domainRmax=sqrt(Yc+Y0)A2+HA2+(Lsar/2)A2);Nfast=ceil(2*(Rmax-Rmin)/C/dt+Tr/dt);%sample number in fast-time domainNfast=2Anextpow2(Nfast);%for ffttm=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C+Tr

13、,Nfast); %discrete time array in fast-time domain dt=(2*Rmax/C+Tr-2*Rmin/C)/Nfast; %refreshFsr=1/dt;f=linspace(-1/2/dt,1/2/dt,Nfast);%f 域序列%Parameter-resolutionDY=C/2/Br;DX=D/2;%Parameter-point targetsNtarget=3;%format x, y, reflectivityPtarget=Xmin,Yc,1Xmin,Yc+10*DY ,1%range resolution%cross-range

14、resolution%number of targets%position of targetsXmin+20*DX,Yc+50*DY ,1;disp(Parameters:)disp(Sampling Rate in fast-time domain);disp(Fsr/Br)disp(Sampling Number in fast-time domain);disp(Nfast)disp(Sampling Rate in slow-time domain);disp(PRF/Ba)disp(Sampling Number in slow-time domain);disp(Nslow)di

15、sp(Range Resolution);disp(DY)disp(Cross-range Resolution);disp(DX)disp(SAR integration length);disp(Lsar)disp(Position of targets);disp(Ptarget)%= %Generate the raw signal dataK=Ntarget;%number of targetsN=Nslow;%number of vector in slow-time domainM=Nfast;%number of vector in fast-time domainT=Ptar

16、get;%position of targetsSrnm=zeros(N,M);for k=1:1:Ksigma=T(k,3);Dslow=sn*V-T(k,1);R=sqrt(Dslow.A2+T(k,2)A2+HA2);tau=2*R/C;Dfast=ones(N,1)*tm-tau*ones(1,M);phase=pi*Kr*Dfast.A2-(4*pi/lambda)*(R*ones(1,M);Srnm=Srnm+sigma*exp(j*phase).*(-Tr/2Dfast&DfastTr/2).*(abs(Dslow)Lsar/2)*ones(1,M) ;end%Range com

17、pressiontr=tm-2*Rmin/C;Refr=exp(j*pi*Kr*tr.A2).*(-Tr/2tr&trTr/2);%Sr=ifty(fty(Srnm).*(ones(N,1)*conj(fty(Refr);%Gr=abs(Sr);%src_uf=fty(Srnm).*(ones(N,1)*conj(fty(Refr);% 距離壓縮src_ut=fftshift(ifft(fftshift(src_uf.).;% 距離壓縮后的信號(hào)src_fut=fftshift(fft(fftshift(src_ut);% 距離多普勒域src_fuf=fftshift(fft(fftshift(

18、src_uf);% 距離壓縮后的二維頻譜F=f*ones(1,Nslow);% 擴(kuò)充為矩陣FU=ones(Nfast,1)*fu;fdc=0;p0_2f=exp(j*pi/FcA2/Ka*(FU.*F).A2+j*pi*fdcA2/Fc/Ka*F-j*pi/Fc/Ka*FU.A2.*F);s2rc_fuf=src_fuf.*(p0_2f.);s2rc_fut=fftshift(ifft(fftshift(s2rc_fuf).).;% 距離多普勒域Sr=fftshift(ifft(fftshift(s2rc_fut);Gr=abs(Sr);p0_2fu=exp(j*pi/Ka*(FU-fdc).

19、A2);% 方位向壓縮因子s2rcac_fut=s2rc_fut.*(p0_2fu.);% 方位壓縮s2rcac_fuf=fftshift(fft(fftshift(s2rcac_fut).).;% 距離方位壓縮后的二維頻譜s2rcac_ut=fftshift(ifft(fftshift(s2rcac_fut);% 方位向 IFFT%Azimuth compressionta=sn-Xmin/V;Refa=exp(j*pi*Ka*ta.A2).*(abs(ta)Tsar/2);Sa=iftx(ftx(Sr).*(conj(ftx(Refa).*ones(1,M);Ga=abs(Sa);%=%graw the intensity image of signalcolormap(gray);figure(1)row=tm*C/2-2008;col=sn*V-26;imagesc(row,col,255-Gr);%intensity ima