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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SAR129

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RDA142

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ChirpScaling184

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ωKA215

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ωKA222

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 RDA286

11.2.2 CSA286

11.2.3 ωKA286

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 RDA293

11.5.3 CSA294

11.5.4 ωKA294

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——MiSAR362

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