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第一部分 合成孔径雷达基础 2

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 6

1.5 内容概要 8

1.5.1 星载合成孔径雷达图像示例 9

参考文献 10

第2章 信号处理基础 12

2.1 简介 12

2.2 线性卷积 12

2.2.1 连续时间卷积 12

2.2.2 离散时间卷积 13

2.3 傅里叶变换 15

2.3.1 连续时间傅里叶变换 15

2.3.2 离散傅里叶变换 16

2.3.3 傅里叶变换性质 17

2.3.4 傅里叶变换示例 19

2.4 卷积的离散傅里叶变换计算 21

2.5 信号采样 22

2.5.1 采样信号的频谱 22

2.5.2 信号类型 23

2.5.3 奈奎斯特采样率和混叠 25

2.6 平滑窗 29

2.7 插值 30

2.7.1 sinc插值 31

2.7.2 插值核的频谱 33

2.7.3 非基带和复插值 34

2.8 点目标分析 35

2.9 小结 38

2.9.1 “麦哲伦号”获得的金星坑图像 38

参考文献 39

第3章 线性调频信号的脉冲压缩 41

3.1 概述 41

3.2 线性调频信号 41

3.2.1 时域表达 41

3.2.2 线性调频脉冲的频谱 42

3.2.3 调频信号采样 45

3.2.4 频率和时间不连续性 47

3.3 脉冲压缩 47

3.3.1 脉冲压缩原理 47

3.3.2 线性调频信号的时域压缩 49

3.3.3 频域匹配滤波器 52

3.3.4 窗效应 54

3.3.5 过采样率重定义 55

3.4 匹配滤波器的实现 55

3.4.1 目标定位和匹配滤波器弃置区 58

3.5 调频率失配 59

3.5.1 基带信号中的失配影响 59

3.5.2 非基带信号中的失配影响 61

3.5.3 滤波器失配和时间带宽积 61

3.6 小结 62

3.6.1 ENVISAT/ASAR宽带图像 63

参考文献 64

附录3A 匹配滤波输出的推导 65

附录3B 相位失配误差推导 68

第4章 合成孔径的概念 69

4.1 概述 69

4.2 SAR几何关系 69

4.2.1 术语定义 70

4.2.2 卫星地距几何 73

4.2.3 卫星轨道几何 74

4.3 距离方程 76

4.3.1 距离方程的双曲线模型 76

4.3.2 速度与角度的关系 78

4.4 SAR距离向信号 79

4.4.1 发射脉冲 79

4.4.2 数据获取 80

4.5 SAR方位向信号 81

4.5.1 什么是SAR中的多普勒频率 81

4.5.2 相干脉冲 82

4.5.3 PRF的选择 83

4.5.4 方位向信号强度和多普勒历程 83

4.5.5 方位向参数 85

4.6 二维信号 86

4.6.1 信号存储器中的数据排列 86

4.6.2 解调后的基带信号 88

4.6.3 SAR冲激响应 89

4.6.4 典型雷达参数值 89

4.7 SAR分辨率与合成孔径 90

4.7.1 分辨率的带宽推导 90

4.7.2 合成孔径 92

4.8 小结 93

4.8.1 温哥华岛的窄幅ScanSAR图像 94

参考文献 95

附录4A 近似雷达速度的推导 96

附录4B 正交解调 98

附录4C 合成孔径的概念 101

第5章 SAR信号的性质 104

5.1 简介 104

5.2 低斜视角情况下的信号频谱 104

5.2.1 距离多普勒频谱 105

5.2.2 二维频谱 106

5.3 一般情况下的信号频谱 106

5.3.1 距离向傅里叶变换 107

5.3.2 方位向傅里叶变换 108

5.3.3 距离向傅里叶逆变换 109

5.4 方位混叠与多普勒中心 112

5.4.1 方位混叠和模糊的起因 112

5.4.2 多普勒中心 114

5.4.3 多普勒模糊 116

5.4.4 距离向的多普勒中心变化 117

5.5 距离徙动 120

5.5.1 距离徙动的分量 120

5.5.2 同一距离处的多个目标 122

5.5.3 目标轨迹卷绕 123

5.6 点目标示例 124

5.6.1 仿真参数 124

5.7 SAR处理算法初窥 127

5.7.1 时域匹配滤波 127

5.7.2 机载实时处理图像 128

5.7.3 非聚焦SAR 129

5.7.4 更好的处理算法 130

5.8 小结 131

参考文献 133

附录5A 距离向/方位向的耦合 134

附录5B 方位调频率注释 137

第二部分 SAR处理算法 140

第6章 距离多普勒算法 140

6.1 简介 140

6.2 算法概述 140

6.3 低斜视角情况下的RDA 142

6.3.1 雷达原始数据 142

6.3.2 距离压缩 144

6.3.3 方位向傅里叶变换 145

6.3.4 距离徙动校正 146

6.3.5 残余距离徙动导致的展宽 150

6.3.6 方位压缩 151

6.3.7 低斜视角情况下的RADARSAT-1图像 154

6.4 大斜视角情况 155

6.4.1 斜视的处理改进 155

6.4.2 二次距离压缩的实现 157

6.4.3 星载和机载中的二次距离压缩方式 159

6.4.4 二次距离压缩仿真试验 160

6.4.5 机载L波段雷达图像示例 164

6.5 多视处理 165

6.5.1 子视时频关系 165

6.5.2 子视抽取、检测及求和 166

6.5.3 等效视数 168

6.5.4 多视处理示例 169

6.5.5 调频率误差 172

6.5.6 多视处理图像 174

6.6 小结 174

参考文献 175

第7章 Chirp Scaling算法 177

7.1 介绍 177

7.1.1 Chirp Scaling算法概览 177

7.2 Chirp Scaling原理 179

7.3 距离徙动校正中的ChirpScaling 184

7.3.1 一致距离徙动校正和补余距离徙动校正 185

7.3.2 距离徙动的精确表达 187

7.4 变标方程推导 188

7.4.1 补余距离徙动量级示例 189

7.5 CSA处理细节 190

7.5.1 距离处理 190

7.5.2 方位处理 193

7.6 处理示例 194

7.6.1 点目标仿真处理 194

7.6.2 SRTM/X-SAR数据处理 197

7.7 小结 198

参考文献 199

第8章 ωK算法 202

8.1 简介 202

8.1.1 ωKA概述 202

8.2 参考函数相乘 204

8.3 Stolt插值 206

8.3.1 变量代换 206

8.4 对Stolt映射的理解 209

8.4.1 Stolt映射的组成部分 209

8.4.2 基于傅里叶变换性质的理解 209

8.4.3 基于支持域的理解 212

8.4.4 基于成像几何关系的理解 213

8.5 误差分析 214

8.6 近似ωKA 215

8.6.1 近似项 215

8.6.2 与RDA和CSA的关系 217

8.6.3 近似ωKA的误差讨论 217

8.7 处理示例 217

8.7.1 完整ωKA仿真 217

8.7.2 近似ωKA 222

8.7.3 X波段机载聚束雷达图像示例 222

8.8 小结 223

参考文献 224

附录8A 波数域的Stolt映射 226

第9章 SPECAN算法 230

9.1 简介 230

9.1.1 SPECAN算法概述 230

9.2 SPECAN算法的推导 231

9.2.1 SPECAN的卷积推导 232

9.2.2 几何解释 232

9.2.3 混叠与快速傅里叶变换长度 235

9.2.4 输出采样间隔 236

9.2.5 快速傅里叶变换的有效输出点数 237

9.2.6 后续快速傅里叶变换位置 239

9.2.7 快速傅里叶变换的输出结果的拼接 240

9.3 多视处理 241

9.4 处理效率 243

9.5 距离徙动校正 246

9.5.1 时域线性距离徙动校正 246

9.5.2 数据倾斜与校直 246

9.6 相位补偿 247

9.7 关于图像质量的一些问题 250

9.7.1 拼接点处的频率间断 250

9.7.2 方位调频率误差 252

9.7.3 扇贝辐射效应 253

9.8 处理示例 260

9.8.1 仿真点目标 260

9.8.2 SPECAN算法处理出的ERS图像 262

9.9 小结 263

参考文献 264

第10章 ScanSAR数据处理 265

10.1 简介 265

10.2 ScanSAR数据获取 266

10.3 单一Burst中的目标压缩 269

10.4 全孔径处理算法 270

10.5 SPECAN算法 272

10.6 改进的SPECAN算法 273

10.6.1 算法概述 273

10.6.2 SRTM处理示例 275

10.7 SIFFT算法 276

10.8 ECS算法（ECSA） 278

10.9 Burst图像拼接 280

10.10 小结 282

10.10.1 RADARSAT-1的ScanSAR图像 282

参考文献 283

第11章 算法比较 286

11.1 简介 286

11.2 算法精度回顾 286

11.2.1 RDA 286

11.2.2 CSA 286

11.2.3 ωKA 286

11.3 处理功能对比 287

11.3.1 距离方程形式 288

11.3.2 方位匹配滤波器的实现 288

11.3.3 距离徙动校正的实现 288

11.3.4 二次距离压缩实现 288

11.4 处理误差概述 289

11.4.1 方位匹配滤波器中的二次相位误差 289

11.4.2 二次距离压缩中的二次相位误差 289

11.4.3 残余距离徙动 290

11.4.4 处理误差量级示例 291

11.5 计算开销 292

11.5.1 基本算法运算 292

11.5.2 RDA 293

11.5.3 CSA 294

11.5.4 ωKA 294

11.6 算法利弊 295

11.6.1 RDA利弊 295

11.6.2 CSA利弊 295

11.6.3 ωKA利弊 296

11.7 小结 296

11.7.1 墨西拿海峡的ASAR图像 297

第三部分 多普勒参数估计 299

第12章 多普勒中心估计 299

12.1 简介 299

12.1.1 多普勒中心频率 299

12.1.2 星载SAR几何 299

12.1.3 本章概述 301

12.2 多普勒中心精度要求 302

12.2.1 基带中心的精度要求 302

12.2.2 多普勒模糊的精度要求 307

12.3 多普勒中心的几何计算 307

12.3.1 多普勒中心计算示例 309

12.3.2 偏航角和俯仰角控制 311

12.4 基于接收数据的基带中心估计 311

12.4.1 基于幅度的估计方法 311

12.4.2 基于相位的估计方法 315

12.5 基于接收数据的多普勒模糊估计 318

12.5.1 基于幅度的DAR估计方法 319

12.5.2 基于相位的DAR估计方法 321

12.5.3 多波长算法 323

12.5.4 多视互相关法 326

12.5.5 多视差频法 329

12.5.6 PRF变调法 332

12.5.7 DAR算法比较 332

12.6 全局估计原理 334

12.6.1 空间变化检测 334

12.6.2 估计器质量检测 335

12.7 曲面拟合法 336

12.7.1 全局多项式曲面拟合 337

12.7.2 基于几何模型的全局拟合 338

12.7.3 自动拟合过程 338

12.8 小结 340

参考文献 341

附录12A 多普勒计算详细步骤 343

附录12B DAR算法中的偏移频率 349

第13章 方位调频率估计 352

13.1 简介 352

13.2 方位调频率精度要求 352

13.3 方位调频率的几何计算模型 354

13.4 方位线性调频率的数据估计 356

13.4.1 最大对比度法 356

13.4.2 视错位法 357

13.4.3 基于相位的自聚焦方法 361

13.5 小结 362

13.5.1 一部小型SAR系统——MiSAR 362

参考文献 363

附录A RADARSAT-1数据 364

缩略语对照表 365

符号表 368

参考书目 371

索引 381