（信号与信息处理专业论文）sar成像技术和sar图像处理算法研究.pdf

屯子科技大学博士论文 摘要 合成孔径雷达是- 利e 全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达，其原理 是利用基于脉冲压缩技术的合成孔径原理实现对地面目标的高分辨成像，该技术 已广泛应用于民用和军事领域，产生了巨大的社会效益和经济效益。随着应用范 围的扩大和相关技术水平的提高，人们对合成孔径雷达成像提出了更高要求，如 大斜视合成孔径成像技术、高分辨成像技术、动目标探测和成像、三维成像技术 等。 本论文的题目为“s a r 成像技术和s a r 图像处理算法研究”，文中首先对 s a r 的国内外研究动态作了简要概述，接着对s a r 的接收信号模型和成像机理 作了介绍。然后从匹配滤波理论出发，介绍了s a r 成像原理和常规处理步骤。 在此基础上，详细讨论了基于子孔径的阶梯变换算法的原理、计算过程和性能。 针对s a r 的高分辨聚束式工作模式，文中对频率变标算法进行了详细推导和分 析，给出了成像步骤和处理结果。s a r 图像的后期处理是s a r 得到成功应用的 重要步骤，文中对严重影响s a i l 图像的相干斑特性及抑制算法进行了研究，同 时讨论了基于纹理特征的s a r 图像分类算法，给出了基于神经网络的b - - p s a r 图像分类算法。 本文就上述研究内容，对s a r 成像技术和s a r 图像处理进行了深入而细 致研究，其主要工作和贡献可归结到以下几点： 1 ，从s a r 几何关系出发，分别推导了机载和星载情况下斜距和方位多普勒频率 的高阶近似表达式，讨论了r d 域的距离走动和距离弯曲对s a p 成像的影响 和校正方法。推导了s a p , 接收信号的表达式，给出了s a r 的二维冲激响应。 分析给出了s a r 的距离分辨率、方位分辨率、雷达脉冲重复频率、合成孔径 时间等参数。用信号处理的直观形式推导了s a r 接收信号的二维时问信号模 型。 2 推导介绍了波数域成像算法的原理，给出了波数域s a r 成像处理步骤。对 c s 算法进行了详细讨论，首先介绍了c s 算法的基本原理和处理步骤。接着 介绍了剁视时的修正c s 算法，考虑了回波信号二维频率域三次项、四次项 及线性调频斜率近似的影响，推导讨论了适用于大斜视s a i l 的非线性c s 算 电子科技大学博十论文 法。 3 研究了适用于大斜视的子孔径阶梯变换算法。从频率分析方法入手，给出了 阶梯变换算法的基本原理，详细推导了基于子孔径的阶梯变换算法。文中对 子孔径的形成和c r f f t ，相位补偿，子孔径的变c h i r p 速率去斜，f i 心f t 处 理，和最后的坐标旋转进行了详细推导，分析。提出了子孔径长度和子孔径 中心的确定方法，并对计算量进行了讨论。 4 ，针对s a r 的聚束工作模式，对频率变标算法进行了详细研究，从信号处理的 角度对算法原理进行了推导，给出了一个形象的信号频率变标流程图；文中 详细讨论了方位处理的原理和步骤，包括：方位变标处理，具有线性相位的 方位时延补偿，去斜处理，引入平方方位相位项等。 5 讨论了s a l t 图像的相干斑抑制技术。详细阐述了相干斑的产生机理、理论模 型及抑制方法，指出了小波软阀值去噪的非线性机理，分析了不同小波变换 的相干斑抑制性能，并用s a r 图像进行了去噪试验。 6 ，研究了利用纹理特征的s a r 图像分类方法。讨论了特征量的选择和提取，详 细介绍了采用神经网络中的b - p 网络进行s a r 图像分类的方法，提出了避免 初始权落入平坦区的方法。最后给出了计算机对图像的分类处理结果。 关建词：合成孔径雷达，s a r 成像算法，相干斑抑制，纹理特征 t i 电子科技大学博士论文 a b s t r a c t s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a p ) i so n ek i n do fh i g hr e s o l u t i o nm i c r o w a v e i m a g i n gr a d a rw i t h o u tb e i n ga f f e c t e db y t i m ea n dw e a t h e r i tc a r lt a k eh i g hr e s o l u t i o n i m a g i n gf o rt h eg r o u n dt a r g e tb yu s i n gt h es y n t h e t i ca p e r t u r ep r i n c i p l ea n dp u l s e c o m p r e s s i o nt e c h n i q u e s a rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ea r e a so f m i l i t a r ya n dc i v i l a n di th a sb r o u g h tg r e a tb e n e f i t si ne c o n o m i c sa n ds o c i e t y , w i t ht h e t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o ne x t e n s i o n ，t h eh i g hq u a l i t ys a p i m a g i n g ，n o to n l y t h eh j i g hr e s o l u t i o nt w o d i m e n s i o n a li m a g eo ft h eg r o u n d m o v i n gt a r g e t s ，b u ta l s ot h e t h r e e d i m e n s i o n a li m a g e ，t h eh i g hr e s o l u t i o ns i d e l o o k i n gs a r i m a g i n g ，a n dt h eh i g h s q u i n ts a ri m a g i n g i sn e e d e d t h et i t l eo ft i f f sd i s s e r t a t i o ni s “a s t u d yo nt h es a ri m a g i n gt e c h n i q u e sa n d t h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m sf o rs a r i m a g e s “、i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to f t h es a r s t u d y i n gi nt h ew o r l d i sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n dt h es i g n a lm o d e lo f t h es a r a n dt h eb a s i cc o n c e p to fs a i l i m a g i n g a r ea l s op r e s e n t e d t h e na c c o r d i n gt om a t c h e d f i l t e r i n gt h e o r y , t h es a ri m a g i n gp r i n c i p l em a dt h et y p i c a lp r o c e s s i n ga l g o r i t t u n sa r e d e s c r i b e d ，t h i r d l y , t h et h e o r e t i cp r i n c i p l e ，t h ep r o c e s s i n gs t e p s ，a n dt h ep r o p e r t i e so f t h es t e pt r a n s f o r ma l g o r i t h mb a s e do u s u b a p e r t u r ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l a n dt h e nt o t h es p o t l i g h ts a p , t h ef r e q u e n c y s c a l i n ga l g o r i t h mi sd e d u c e da n da n a l y z e di nt h e o r y , a n df l a e i m a g i n gp r o c e s s i n gp r o c e d u r e sa n dt h ei m a g i n gr e s u l ta r ep r e s e n t e dt o o t h e p o s tp r o c e s s i n go f t h es a r i m a g e si st h ek e yp r o c e d u r e sf o rs a ri m a g i n g ，i nt h i s p a p e r , t h ep r o p e r t i e so f t h e s p e c k l eo ft h es a rf i n a g e sa n dt h es p e c k l e1 e d u c t i o n a l g o r i t h m sa r ei n v o l v e d f i n a l l y , t h em e t h o d so fs a p i m a g ec l a s s i f i c a t i o nb a s e do n t h et e x t u r ef e a t u r e sa r ed e v e l o p e d ，a n dt h eb pn e u r a ln e t w o r k a l g o r i t t u ni sd e d u c e d i nt h i s p a p e r , t h es a ri m a g i n gm e t h o d sa n dt h ea l g o r i t h m sf o rs a ri m a g e p r o c e s s i n gw i l lb es t u d i e di n d e t a i l t h em a i nw o r k sa n dt h ec o n t r i b u t i o n so ft h i s p a p e r a r ea sf o l l o w s f r o mt h e s a p g e o m e t r y , t h eh i g h o r d e ra p p r o x i m a t e r a n g e a n d l i _ | = 子科控大学博士论文 2 4 a z i m u t h d o p p l e rf r e q u e n c ye q u a t i o n sf o ra i r b o r n ea n dt h es p a c eb o r n e s a p sa r ei n e d u c e d t h er a n g ew a l k ，t h er a n g ec u r v a t u r ea n dt h e i r e f f e c t so n s a p - i m a g i n g ，a s w e l la st h ec o r r e c t i o n sa r ed i s c u s s e di nr d d o m a i n t h er e c e i v e d s i g n a le q u a t i o n a n dt w od i m e n s i o ni m p u l s e r e s p o n s e sa r ep r e s e n t e d t h er a n g er e s o l u t i o n ，t h ea z i m u t hr e s o l u t i o n ， t h ep r f , a n dt h es y n t h e t i ca p e r t u r et i m ea r ea n a l y z e d a l s o ，t h et w o d i m e n s i o nt i m es i g n a lm o d e la r ed e d u c e di nd i r e c ts i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o d t h ew a v en u m b e rd o m a i ns a r i m a g i n ga l g o r i t h mi sd e d u c e d ，a n di t s p r o c e s s i n gs t e p sa r ep r e s e n t e d t h ec sa l g o r i t h mi sd i s c u s s e d i nd e t a i l f i r s t ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n di t sp r o c e s s i n gp r o c e d u r e sa r ei n t r o d u c e d ， a n dt h em o d i f i e dc sa l g o r i t h mf o r s q u i n t s a ri s g i v e n a f t e r c o n s i d e r i n gt h ea p p r o x i m a t i o n so ft h ec u b i c a l a n dt h eq u a d m p l i c a t e p h a s e f a c t o r sa n dt h e c h i r p r a t ei nt h er e c e i v e dt w od i m e n s i o n f r e q u e n c ys i g n a l ，t h en o n l i n e a rc sa l g o r i t h mf o rh i g hs q u i n ts a r i s d e v e l o p e d i nt h e o r y t h es t e pt r a n s f o r ma l g o r i t h mb a s e do ns u b a p e r t u r ef o rh i 【g hs q u i n t s a ra r es t u d i e d b yu s i n gf r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d ，t h ec o n c e p to f t h es t e pt r a n s f o m aa l g o r i t h mm a dt h es u b a p e r t u e rs t e pt r a n s f o r ma r e i n t r o d u c e di nd e t a i l m a n yk e yt e c h n i q u e s ，s u c ha ss u b a p e m r ef o r m i n g ， c r a r f t , p h a s ec o m p e n s a t i o n ，t h es i g n a ld e r a m p i n g w i t hv a r i a b l ec h i r p r a t e ，f r f f t , a n d t h ea x e sr o t a t i o nt r a n s f o r ma r ed e d u c e da n da n a l y z e d ， i nt h i sp a p e r , am e t h o df o rd e t e r m i n i n gt h es u b a p e r u r el e n g t ha n dt h e s u b a p e r t u r ec e n t e r a r cp r o p o s e d f i n n l gt h ec o m p u t a t i o n a lb u r d e n sa r e d i s c u s s e d t h ef r e q u e n c ys c a l i n ga l g o r i t h mf o rs p o t l i g h ts a r i ss t u d i e di nt h i s p a p e r i t sb a s i cp r i n c i p l e sa r ep r e s e n t e d i ns i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d a f l o w i n gd i a g r a mo ft h ef r e q u e n c ys c a l i n ga l g o r i t h m i sp r o p o s e dt o i n t e r p r e tt h et h e o r i e sc l e a r l y t h ep r i n c i p l e a n dt h es t e p so ft h ea z i m u t h p r o c e s s i n g a r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，s u c ha s t h ea z i m u t hs c a l i n g ，t h e i v 龟于科挫大学博士论文 5 6 c o m p e n s a t i o no f t h et i m ed e l a yw i t hl i n e a ra z i m u t hp h a s e ，d e r a m p i n g ， a n di n t r o d u c i n gt h eq u a d r a t i cp h a s ea n ds oo u t h e t e c h n i q u e s o ft h e s p e c k l e r e d u c o o no ft h es a ri m a g e sa r e d i s c u s s e d t h ep r o d u c i n gm e c h a n i s mo ft h e s p e c k l e ，t h es p e c k l e t h e o r e t i cm o d e l ，a n dt h em e t h o do f t h es p e c k l er e d u c t i o na r ep r e s e n t e d i nd e t a i l t h en o n l i n e a rp r o p e r t yo ft h ew a v e l e tt r a n s f o r m s p e c k l e r e d u c t i o ni sp o i n t e do u t t h ep r o p e r t i e so ft h es p e c k l er e d u c t i o nf o r d i f f e r e n tw a v e l e tt r a n s f o r m sa r ea n a l y z e d d e e p l y , a n d t h e s p e c k l e r e d u c t i o nt e s t sf o rs a p i m a g e sa r ec a r r i e do u ti ni t t h es a ri m a g ec l a s s i f i c a t i o nb a s e do nt e x t u r ef e a t u r e si sd i s c u s s e d t h e o r e t i c a l l y t h e s e l e c t i o nm e t h o d so ft h ef e a t u r ea n dh o wt oe x t r a c t t h et e x t u r ef e a t u r ea r ei n t r o d u c e d t h es a ri m a g ec l a s s i f i c a t i o n a l g o r i t h mb yu s i n gb p n e u r a ln e t w o r ki sd e d u c e da n da n a l y z e di n d e t a i l t h em e t h o do fa v o i d i n gt h ei n i t i a lw e i g h t sf a l l i n gf l a ta r e ai s p r o p o s e d i nt h i s p a p e r f i n a l l y , s o m ec o m p u t a t i o n a l c l a s s i f i c a t i o n r e s u l t so f t h es a r i m a g e s a r ep r e s e n t e dt ov e i l f yt h et h e o r y k e yw o r d s ：s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) ，a l g o r i t h m sf o rs a p i m a g i n g , s p e c k l er e d u c t i o n ，t e x t u r ef e a t u r e v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示i 身 意。 签名：锄斛 日期：砷年绢相 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本入授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：诉狲 i 导师签名：王彳，妒4 日期： 口中年彳爿窘日 屯子科技大学博士论文 本文主要通用符号 舻：等效斜视角，其余角为斜视角 0 ：方位侧视角 c t ：波束投射角 v ：载机( 平台) 飞行速度 r o ：f 。时刻目标斜距 r 。： 距载机飞行方向的最短斜距，对应时间为t 。 r ( t ，r 。) ：f 时刻的目标斜距，强调f o 时刻目标斜矩为民 ：f 。：方位向多普勒频率质心 厶：方位向多普勒调频斜率 l ( o ：方位向瞬时多普勒频率 t ：方位向时间变量( 慢时间) f ：距离向时间变量( 快时间) 正，： 方位向傅氏变换频率变量 f ，： 距离向傅氏变换频率变量 l ：雷达发射脉冲时宽 r ：雷达工作脉冲重复周期，其倒数为p r f i ：s a r 合成孔径时间 五：雷达工作频率 峨：雷达工作角频率 旯：雷达工作波长 “：雷达发射信号线性调频斜率 c ：光速 e ：方位向线性调频信号带宽 晓：方位向波束宽度 、，t 电子科技大学博士论立 瓯：方位向分辨率 瓯( f ) ：方位向天线增益函数 b 。：距离向线性调频信号带宽 o r ：距离向波束宽度 参：距离向分辨率 s ( t r r ) ：二维时间回波信号 a ( f ) ： 雷达发射信号波形函数 x = = r v ：方位向距离变量 r = c r 2 ：距离向距离变量 h ( x ，r ) ：方位向冲激响应 见( z ，r ) ：距离向冲激响应 v l l 屯子科技大学博士论文 第一章概述 1 1 合成孔径雷达( s a r ) 技术 自1 9 5 1 年美国的c w i l e y 提出合成孔径雷达( s a r ) 概念以来，机载和星载 s a r 得到了迅速的发展，使雷达从探测目标发展到对目标的成像。合成孔径雷达 成像原理是通过飞行载体运动来形成巨大的虚拟天线，从而获得高方位分辨率雷 达图像。合成孔径雷达从飞行载体的不同可以分为星载和机载，星载和机载各有 其优点和用武之地，机载s a r 有较高的分辨率，而卫星能够合法飞越他国领空， 观察更广泛地域。s a r 和光学成像相比有其独特优点，即不受时问和云雾限制， 随着s a r 技术的发展和提高，其分辨率越来越高，目前已接近光学分辨率。s a r 作为地貌和地物传感器，涉及面十分广泛，其应用引起了较大关注，国外发达国 家前期对s a r 系统的研制投入很大。s a r 的研制和应用研究已经在军事应用和民 用方面取得了令人瞩目的成就。s a r 作为一种先进的微波成像系统，其高分辨率、 大区域和全天候工作的优点，使它被广泛地用于地球遥感、海洋研究、资源勘探、 实情预报和军事侦察等领域，目前常规的正侧视s a r 已得到广泛应用，其成像处 理技术也比较成熟”1 1 。 在j 下侧视$ a r 中，雷达天线发射波束的方向垂直于雷达平台的飞行方向，它 在一个合成孔径中造成的距离弯曲和走动很小，处理相对简单斜视s a r 成像是 雷达发射波束方向与正侧视方向在侧视平面内有一个夹角，因此在斜视中，一个 合成孔径内的距离移动会是距离分辨率的上百倍，距离弯曲也大大高于距离分辨 率，因此回波信号中有严重的距离方位耦合项存在，这造成其成像处理为严格的 二维过程虽然存在成像处理困难，但斜视s a r 成像具有多模式、机动性强、成像 范围大的特征，其实际应用前景十分广阔。 与光学遥感成像相比，s a r 成像的分辨率要略差一些，但是s a p 成像具有 以下显著的特点”。1 ”： ( 1 ) 、适应性和透射性强 s a p , 成像具有全天候成像的优点，不受云雾、阴、雨、雪等气候条件的限 制。如果选择合适的雷达波长，还能够透过一定的遮蔽物。s a r 成像的这一特 性在民用和现代军事领域得到广泛运用。 ( 2 ) 、含目标散射信息多 第一章概述 s a r 不仅能提供地貌信息，而且可以提供其它地面物理化学信息，由于不 同的目标具有不同的介电常数、表面粗糙度等不同的物理化学特性，它们对微波 的不同频率、投射角和极化方式呈现不同的散射特性和不同的穿透力。这些性质 为目标分类及识别提供了极为有效的新途径。 ( 3 ) 、二维( 或三维) 高分辨率成像 s a r 成像在方位向利用平台与目标的相对运动，获得方位高分辨，在距离 向利用宽带信号，可获得距离高分辨，因此，s a r 图像是二维高分辨图像。从 现有的技术状况来看，一般军用系统的分辨率比民用系统至少要高一个数量级。 民用系统的分辨率约为l o 米量级，而军用系统则要求达到米级甚至更高。星载 s a r 一般兼有军用和民用双重任务，图像细节在宏观上可与光学图像相比拟。 近年来，s a r 的分辨率越来越高，已有分辨率达到0 3 米的系统，大大增加了 s a r 的军事应用价值。随着军事和民用应用需要的扩展，s a r 的分辨率必将进 一步提高。 当采用并行轨道或者一定基线长度的双天线时，利用干涉技术和相位解模糊 技术，可以获得包括地面高度信息在内的三维离分辨图像。 由于s a r 成像的高分辨特性、全天候特性，使得其在民用和军用两个方面 得到广泛应用。 ( 1 ) 民用方面 地质和矿产资源勘探，普查地质结构，研究地质分布和矿产分布。地形测绘 和制图学，测绘大面积地形，测量山脉、河流、城市、乡村、道路、桥梁等的位 置和形状，研究城市变迁、湖泊分布及变迁等。海洋监视，研究大面积海浪特性， 研究冰山分布、海洋变迁和海洋污染等。农、林业应用，鉴别农作物，研究农作 物生长状况并估计农业产量，研究田地分界，研究自然植被分布、覆盖，研究森 林生长状况。自然灾害监测。发现森林火灾，洪涝灾害。 ( 2 ) 军用方面 s a r 战略应用，全天候全球战略侦察，全天候海洋军事动态监视，战略导 弹终端要点防御的目标识别与拦截，战略导弹多弹头分导自动导引，战略地下军 事设旌的探测。战术应用，全天候重点战区军事动态监视，大型坦克群的成像监 视，反坦克雷场的探测。 电子科技大学博士论文 1 。2 合成孔径雷达( b a r ) 的国内外研究动态口 5 “枷 1 9 7 2 年4 月，美国n a s a 的喷气推进实验室( j p l ) 进行了机载l 波段s a r 的试验，获得了颇有希望的成果，引起了海洋学术界的兴趣，星载合成孔径雷达 被列入n a s a 海事卫星的“海卫1 ”( s e a s a t a ) 计划。 1 9 7 8 年6 月2 8 日“海卫一1 ”卫星发射升空，首次获得了大范围高分辨率海 域图，并显示了光学遥感未观察到的特征。实现了距离和方位分辨率均为2 5 m 的高质量对地观测图像，完成了微波雷达对海洋的全天候、全天时观测。 美国n a s a 从“海卫1 ”的图像研究提出，为了最大限度地改进图像质量， 并解决电磁波与地表相互作用方面的有关问题，需要多种频率和多极化方式进行 比较，以找出各种不同应用情况的最佳频率范围和极化。9 0 年代初期发射成功 的s i r c x s a r ( 47 】航天飞机s a r 系统具有l 、c 和x 等三个波段，并具有可交 入射角、多极化和“聚束模式”的能力，主要用于环境监测和资源勘探等方面【4 ”。 8 0 年代，哥伦比亚号和挑战者航天飞机分别成功地发射了单频、单极化成 像雷达s i r a 和s i r b 。1 9 8 8 年美国又用航天飞机阿特兰帝斯发射了军用的“长 曲棍球”( l a c r o s s e ) s a r 卫星，星载s a r 的分辨率达到l m ，用于全天候全球 侦察。1 9 9 1 年3 月“大力神”火箭从范登堡发射场发射了“长曲棍球i i ”s a r 卫星。 前苏联于1 9 8 3 年6 月发射第一颗s a r 卫星，用于金星探测。1 9 8 4 年1 月 1 7 日发射了第二颗用于金星探测的s a r 卫星一v e n u s 一1 6 。继金星计划之后，前 苏联于1 9 8 7 年7 月发射了第一颗钻石( 原型) 卫星( a l m a z ，即宇宙1 8 7 0 ) ， 在轨工作2 年，采集了大量不同国家和地区以及海洋的s a r 图像数据。1 9 9 1 年 3 月3 1 日发射了a l m a z - - i ( 钻石1 号) ，这是第一颗s 波段的星载s a r 系统。 仍留下了许多有用的s a r 数据。 欧洲空间局于1 9 9 1 年利用阿里亚娜4 火箭发射了欧洲的地球资源卫星 ( e r s 一1 ) 。卫星采用法国s p o t - i 和s p o t - i i 卫星的m k 一1 平台，装载了c 波段 s a r ，获得了3 0 m 空间分辨率和1 0 0 k i n 观测带宽的高质量图像。1 9 9 5 年，欧空 局发射了性能类似的e r s 一2 卫星。欧空局计划发射的地球遥感计划e n v i s a t 1 卫 星采用了先进s a r ( a s a r ) ，与e r s l 和e r s 2 ( 即a m l ) 相比，它在覆盖范 围、入射角范围、极化和工作方式等方面有其特色。它采用分布式收发组件的有 源相控阵天线，以及可编程的数字线性调频信号产生，接收信号的分块自适应量 第一章概述 化( b a q ) 和扫描s a r ( s c a n s a r ) 等技术。加拿大航天局1 9 8 9 年开始研制加 拿大的s a p 卫星( r a d a r s a t 1 【46 j ) ，1 9 9 5 年底发射成功，1 9 9 6 年4 月正式工作。 与其它s a r 卫星不同，它首次采用了可变视角的s c a n s a r 工作模式，以5 0 0 k m 的足迹每天可以覆盖北极区一次，几乎可以覆盖整个加拿大，每隔三天覆盖一次 美国和其它北纬地区，全球覆盖一次不超过5 天。r a d a r s a t 1 用于海水测绘，地 质、地形、农业、林业、海洋、沿海地图的绘制等。目前加拿大正在研制分辨率 为3 m 的r a d a r s a t 一2 卫星。 日本于1 9 9 2 年发射了地球资源卫星j e r s 一1 ，用于地质研究和资源勘测等方 面。j e r s 1 的主要有效载荷为l 波段、水平极化的s a r ，空间分辨率为1 8 m ， 观测带宽度7 5 k m 。日本计划在2 0 0 3 年，采用h i 认火箭发射第二颗s a p , 卫星 ( a l o s ) ，将空间分辨率提高到小于1 0 m 。 近年来，美国防部高级研究计划局( d a r p a ) 认为使用相对廉价的雷达卫 星星座系统，为战区作战人员提供近连续、全天时、全天候的合成孔径雷达( s a r ) 图像，战区指挥员能直接向它发指令，星座系统能将侦察信息直接传输给战区进 行处理和应用是可能的。在此基础上，d a r p a 于1 9 9 7 年初提出新的小型成像雷 达卫星星座方案。后经国防部国防科学委员会专门任务小组审议，将该方案修改 为可实施广域、全天候的天基雷达监视计划( s b r ) 。1 9 9 8 年2 月底，d a r p a 、 空军和国家侦察局( n r o ) 签署制定联合计划的协议备忘录，并成立联合计划办 公室，以实施天基雷达风险降低演示计划。同年4 月，该计划被命名为”发现者 i i ”。 ”发现者i i ”如能按计划部署，它将是第一个使用g m t i 的航天系统，将使 地面活动目标的侦察发生革命性的变化，进一步发展将可能取代现役的”联合监 视与目标攻击雷达系统”( 即e 一8 飞机) 。 美国n a s a 曾开展l i g h t s a r ( l i g h ts y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 项目的研究，其 目的是研制一颗体积小、重量轻和成本低的先进合成孔径雷达小卫星。 n a s a l 9 9 8 年3 月向国际上发布那对地观测商业计划一一合成孔径雷达的研究申 请指南：1 ) 促进新型及创新性成像雷达数据产品的市场发展，特别是开发 l i g h t s a r 的市场潜力：2 ) 最大程度地利用n a s a 地技术投资；3 ) 验证l i i g h t s a r 的真实和模拟数据；4 ) 基于市场需求，研究商业化s a r 卫星的最佳性能。 r a d a r s a t 一2 是加拿大第二代地球观测卫星，将由加拿大空间局( c s a ) 和 m a c d o n a l d d e t t w i l e r ( m d a ) 共同研制，将于2 0 0 4 年发射。r a d a r s a t 一2 采用多极 化工作模式，大大增加可识别地物或目标的类别，可为用户提供3 m 一1 0 0 m 分辨 4 电子科技火学博士论文 率、幅宽从1 0 k r a - - 5 0 0 k m 范围的雷达数据，用于全球环境和自然资源的监测、 制图和管理，尤其是在海冰监测、制图、地质勘探、海事监测、救灾减灾和农林 资源监测以及地球上的一些脆弱生境的保护等。新的技术将会在一定程度上增加 雷达数据的应用范围，拥有更大的应用市场，极大地促进人类对地观测技术的发 展。 t e c h s a t 2 1 计划由美国空军提出，其目的是发展一种分布式群聚卫星组合系 统及其新型的应用技术。“t e c h s a t 一2 1 ”将设计成一个互助微型卫星星座，每一个 微型卫星重量约为1 5 0 千克，相互邻近飞行。星座最后将围绕地球旋转，以代替 目前的单一大型卫星。微型卫星相互联系并共享数据处理，目前传统卫星的有效 载荷和任务功能将小型化、轻型化、低费用发射，提供多种即时多功能信息收集 功能。微型卫星将在时间和空间上紧密配合雷声公司生产的合成孔径雷达运行， 以形成一个虚拟卫星，提供比目前单独卫星更好性能和更多的功能。 在本世纪，天基成像雷达将广泛用于军事和民用领域。近几年来，几乎所有 的大国都开始研制未来的雷达侦察系统。这些系统的主要特点是使用高分辨率 ( 达1 米) 的合成孔径雷达和小型航天平台。其中有德国的“s m a r t s a r 计划、 意大利的c o s m o 计划( c o n s t e l l a t i o no fs m a l ls a t e l l i t e sf o rm e d i t e r r a n e a nb a s i n o b e s e r v a t i o n ) 、英国与德国的t e r r a s a r 计划和俄罗斯的“e k o r m k a ”计划等。 机载s a r 的出现主要源于军事需要，因为与星载s a r 相比，它具有更大的 机动性、针对性和更高的分辨率。尽管机载s a r 的理论早于星载s a r ，但机载 s a r 的实用时间却比星载s a r 迟。机载平台比星载平台具有更大的扰动，这就 带来了实现时的困难。并且机载s a r 成像处理的数据量比星载s a r 小，可做到 实时处理，因此，在军事运用上，机载s a p , 得到了世界各军事大国的高度重视。 美国n a s a 于1 9 8 8 年研制出一部以n a s a d c ，8 飞机为平台称作为a i r s a r 的系统。a i r s a r 是n a s a j p l 为研制星载s a r 及航天飞机成像雷达新技术的 实验装置，它为从航天飞机或卫星雷达系统获取地球科学研究数据及分析的基础 实验系统。a i r s a r 同时工作在三个波段：c 波段( 5 6 e r a ) ，l 波段( 2 5 c m ) 和p 波段( 6 8 c m ) 。它有三个工作模式：极化模式( p o l s a r ) ，交叉轨道干涉 测量( t o p s a r ) 模式及方位向干涉测量( a l o n g t r a c ki n t e r f e r o m e t e r i cs a r a t i ) 模式。 典型的机载s a r 雷达系统有，瑞典的c a r a b a s 雷达，美国的l y n x ( 山猫) 机载s a r 系统等。 第一章概述 瑞典研制了一个从高频( 2 0 m h z ) 延伸至甚高频( 9 0 m h z ) 的超宽带s a r 。产 生此带宽的方法是用3 7 个阶梯频率，每个阶梯为1 8 7 5 m h z ，中心频率为5 5 m h z 带宽为7 0 m h z 的超宽带。雷达天线的方向图非常宽。c a r a b a s 雷达的用途： 其一是探测埋在泥地或沙土深度不超过10 m 的较大物体。其二是发现躲在森林 里或大树底下的车辆( 例如坦克或装甲车) ，因此采用h h 极化，因树杆是垂直的，对 水平极化衰减很小，而树下的车辆有强反射。 l y n x ( 山猫) 机载s a r 由美国s a n d i a ( 圣迪亚) 国家试验室与美国通用原 子公司协作研制。l y n xs a r 适用于装在中空长航时蚋蚊i 型( i - g n a t ，亦称 t i e ri ) 无人机上。该无人机由通用原子公司研制，机长5 米，翼展1 0 7 5 米， 最大起飞重量5 0 0 公斤，有效载荷重量6 4 公斤，巡航速度8 3 公里d , 时，升限 7 6 2 0 米，活动半径9 0 0 - - 2 2 0 0 公里，续航时间大于4 0 小时，采用机上自主导航 系统，并装有数传和中继系统，机上还可安装电视红外传感器。自1 9 9 8 年7 月， l y n xs a r 装在s a n d i a d o e d e f l a v i l a n d d h 一6 有人机上试飞。1 9 9 9 年3 月开始在 蚋蚊i 型无人机上试飞。目前，已获得满意的s a r 图像质量和高分辨力图像， 已处理出第一批相干变化检测图像。l y n xs a r 还适用于p r e d a t o r ( t i e r i i ) 等无 人机平台。 综上所述可以看出，s a n 发展水平的高低己经成为衡量一个国家军事力量与 综合国力水平的标志之一，其发展受到各国越来越多的重视。 在国内，7 0 年代中期，中国科学院电子学研究所率先开展了s a r 技术的研 究。1 9 7 9 年取得突破，研制成功了机载s a r 原理样机，获得我国第一批机载s a r 图像。目前机载s a r 系统已成为我国民用遥感的一种有效工具，近年来多次在我 国洪涝监测中发挥了重要作用。 我国高技术研究发展计划( 简称“8 6 3 ”) 将“星载合成孔径雷达及其成像处 理技术”专题列入信息获取与处理技术主题( 简称3 0 8 主题) ，开创了国内研究 星载合成孔径雷达及其应用的新局面。由中国科学院电子学研究所，原航空航天 部5 0 1 部、5 0 4 部研究所、5 0 9 研究所，原电子工业部十四研究所，北京航空航 天大学，中国电子科技大学等单位开展了星载合成孔径雷达及其成像处理的研究 工作。经过十多年的努力，国内的这些研究机构在s a r 的研究中都有取得了相 当大的成果，理论水平接近国际先进水平。 1 3 合成孔径雷达的发展方向 未来的合成孔径雷达将在下面几个方