合成孔径雷达技术SAR技术问题讨论5月

SAR技术讨论2003年5月1系统幅频特性2系统相位误差3系统相干性4系统时间关系5系统动态范围6系统增益控制7分组自适应量化(BAQ)8运动补偿系统9系统控制和故障监测10成像处理11星载SAR波位设计合成孔径雷达技术讨论1系统幅频特性1.1理想传递特性分析•为简化计算，理论分析时经常假设系统幅频特性为矩形函数(rect)例如：天线口面均匀分布线性调频脉冲波形的包络合成孔径内的回波信号幅度分布发射机、接收机、放大器的频率响应，等等f20f0f11矩形(Rect)函数rect(f)＝0ff1rect(f)＝1f1≤f≤f2rect(f)＝0ff2B＝f2－f1•矩形(rect)函数幅频特性的冲击响应是Sinc函数下面以方位向合成孔径处理为例进行分析RR0xX雷达目标系统幅频特性•回波信号相位与雷达位置x是二次方关系，频率是线性调频•成像处理：回波信号进行相位加权，然后进行付里叶即得到图像系统幅频特性•定义Sinc函数•理想矩形传递特性的响应函数是Sinc函数，第一副瓣-13.3dB例如：理想线性调频信号的脉冲压缩波形理想合成孔径的方位向聚焦波形理想等幅同相天线的方向图，等等xSinxxSinc系统幅频特性•在理想矩形传递特性的响应函数是Sinc函数条件下理想等幅同相天线的方向图-3dB宽度为理想线性调频信号的脉冲压缩波形-3dB宽度为理想合成孔径的方位向聚焦波形-3dB宽度为BdBR150886.0)3(系统幅频特性1.2实际的传递特性：•各种因素使实际的传递特性不可能是理想矩形，例如：天线方向图不可能是矩形，所以合成孔径内信号不是矩形滤波器特性不可能是矩形，所以线性调频信号不是矩形滤波器特性不可能是矩形，所以接收机幅频特性不是矩形，等等•影响传递特性的因素：实际存在的幅度加权（天线方向图、滤波器特性等）人为的幅度加权（常用cos2加权、海明加权等降低副瓣）•实际的响应函数不可能是Sinc函数，各种加权的影响：响应函数主瓣宽度增宽，幅度降低副瓣电平降低或增高增添成对的副瓣(成对回波)积分副瓣比降低或增高等等系统幅频特性•天线方向图Sinc函数加权的影响：主瓣加宽；副瓣降低SAR图像指标与所取波束宽度的关系系统幅频特性波束宽度定义3dB4dB5dB6dB8dB主瓣0点宽度系数0.8861.0091.1141.2051.3562.000Ka1.1041.0000.9360.8920.8400.780PSLR(dB)17.7819.4921.3223.2627.3539.60ISLR(dB)14.7316.5618.4920.4724.5841.85合成孔径长度：Ls＝Ks×(lR／D)方位分辨率：a＝Ka×(D／2)系统幅频特性图像方位分辨率与加权的关系加权因素不加权成像处理斜率误差Sinc函数总加权加权系数1.001.0681.031.021.1221.4°,3dB4.8045.1314.9484.9005.3901.363°,4dB4.4704.7744.6044.5595.0151.4°，1.363°——天线方位向波束宽度3dB，4dB——成像处理合成孔径长度定义•在成像处理中，经常使用幅度加权的方法降低副瓣但会使主瓣加宽，降低分辩率；主瓣降低，损失信噪比•常用的加权函数是海明加权、余弦加权等，效果较好，实现较容易系统幅频特性•加权函数：基底cosn加权，底高K＝0～1，B＝信号带宽BfKKfHncos1•K越小加权越重，K越大加权越轻，K＝1为矩形函数•加权后的图像性能可用计算机仿真方法分析计算加权函数主瓣展宽峰值副瓣失配损耗海明(k=0.08,n=2)1.47-42.8dB-1.34dB余弦平方(k=0,n=2)1.62-32.2dB-1.76dB余弦(k=0.04,n=1)1.31-23dB-0.82dB矩形(k=1)1-13.3dB0实线——海明加权；虚线——矩形加权海明加权的波形实用的加权函数f∈[-B/2,B/2]其中f为频率，B为信号的带宽经仿真分析，采用三阶泰勒频域加权可以满足：距离向展宽系数为1.09PSLR优于–20dBBfBffW4cos01724.02cos34479.067245.0)(系统幅频特性1.3系统幅频特性的误差误差形式误差来源主要影响固定误差实际幅频特性与要求或设计的不一致距离向分辨率增益不稳定系统增益随温度变化辐射精度降低纹波误差电源纹波造成的幅度调制距离向成对回波随机误差各分机噪声，主要来源于元器件的噪声图像信噪比•幅频特性固定误差：可通过改进硬件和在数据处理中补偿降低•增益不稳定：可通过改进硬件和温度补偿降低•纹波误差：只能通过改进电源和相应的硬件降低•随机误差：主要靠采用低噪声元器件降低，优化系统结构和各级增益分配使噪声尽可能降低•纹波误差、随机误差会降低辐射分辨率2系统相位误差2.1相位误差分类•从系统角度分为：系统相位误差：决定图像性能。是由分机相位误差合成的分机相位误差：分机相位误差合成系统相位误差系统要对各分机进行相位误差的适当分配•从对成像影响角度分为：距离向相位误差：影响图像距离向分辨率、副瓣、模糊、噪声等方位向相位误差：影响图像方位向分辨率、副瓣、模糊、噪声等•从误差函数的数学形式分解为：一次相位误差：相位误差值随频率线性增长二次相位误差：相位误差值随频率平方线性增长高次相位误差：相位误差值随频率高次方线性增长纹波相位误差：相位误差值随频率成周期性变化随机相位误差：相位噪声，波形无规则噪声按正态分布和均匀分布仿真结果相近距离向相位误差及其对图像的影响系统相位误差2.2各种相位误差的来源及其影响数学形式误差来源主要影响二次误差调频斜率误差、收发通道的二次相位误差距离向分辨率高次误差调频源、收发通道的高次相位误差距离向副瓣增大纹波误差频率源、调频源、收发通道电源纹波造成距离向成对回波随机误差频率源、调频源、收发通道的相位噪声，主要来源于元器件的噪声图像信噪比下降•前二项为固定误差时，可通过改进电路和数据处理中补偿降低•纹波误差只能通过改进电源和相应的电路降低•随机误差要靠采用低噪声元器件和改进电路降低•副瓣增大、成对回波、信噪比下降都会降低图像辐射分辨率系统相位误差方位向相位误差及其对图像的影响误差误差来源主要影响频率误差频率源、调频源固定频率误差目标方位向位移频率漂移频率源、调频源频率随温度和时间的慢变化目标方位向位移和目标相位变化随机误差频率源、调频源、收发通道的相位噪声，主要来源于元器件的噪声图像信噪比下降•固定的频率误差、频率漂移影响图像定位精度•频率漂移还影响相位精度，对于干涉SAR成像不利•随机误差使图像信噪比下降，影响图像辐射分辨率，主要靠采用低噪声元器件和改进电路来减小•运动误差主要造成方位向相位误差，将在以后讨论系统相位误差2.3相位误差影响分析•一次相位误差：相位误差值随频率线性增长，即频率误差Δf频率误差Δf主要是线性调频源中心频率偏移产生的载机径向速度引起的附加多普勒频率也造成频率误差ΔfΔf造成压缩波形位移，影响方位向定位精度：式中Δx＝目标方位向位移Δf＝频率误差LS＝合成孔径长度Bd＝多普勒带宽Δf造成的压缩波形距离向位移一般很小Δf造成通过发射、接收通道的有效信号带宽减小，影响距离向分辨率，但一般影响不大。fBLxdS系统相位误差•二次相位误差：相位误差值随频率平方线性增长距离向是调频源产生的线性调频斜率误差Δk方位向是载机速度误差造成的多普勒调频斜率误差收发系统的相位误差中也有一部分二次相位误差二次相位误差造成压缩波形主瓣宽度展宽，幅度下降，降低分辨率和增加系统损耗表•三次相位误差：主要是调频源和收发系统的相位误差产生的三次相位误差造成点目标距离向压缩波形不对称，有一边的旁瓣电平升高，影响PSLR和ISLR•高次相位误差:主要是调频源和收发系统的相位误差产生的高次相位误差，在主瓣的远区产生成对回波，主要造成ISLR的增加，对主瓣宽度的影响可以忽略•方位向的二次、三次、高次相位误差都是平台运动误差造成的系统相位误差•随机相位误差影响下的积分副瓣比能量比值没有误差时的积分副瓣方差积分副瓣比002lg10ISLISLRISLISLR频率源随机相位误差可用上式计算，σφ＝2πfσyσy＝阿仑方差•纹波误差影响产生成对回波的峰值副瓣比：)(6lg20dBPSLR信号幅度纹波幅度系统相位误差2.4相位误差的计算机仿真:相位误差的影响很难进行理论计算•在系统设计阶段，采用计算机仿真分析是最经济实用的方法•对已建立的系统，有些性能参数可直接测试，有些须采用半物理仿真或物理仿真方法进行测试和分析随机相位误差仿真结果(正态分布)相位误差的方差05101520相对幅度(dB)00.030.130.300.54-3dB展宽因子1.091.091.091.091.09PSLR(dB)27.3027.2627.0626.6026.68ISLR(dB)20.9420.8620.6720.2620.01表中图像参数为采用泰勒加权距离压缩以后的系统相位误差距离向点目标响应的仿真结果压缩处理方法展宽因子3dB主瓣)峰值旁瓣比PSLR(dB)积分旁瓣比ISLR(dB)无误差，不加权0.8913.269.72无误差，泰勒加权1.0927.3020.94调频斜率差0.1%,加权1.1824.6920.66调频斜率差0.08%,加权1.1425.9921.113次误差,最大150，加权1.0920.4019.564次误差,最大160，加权1.0920.1216.94调频斜率差0.08%3次误差,最大1504次误差,最大160,加权1.1426.21-21.65系统相位误差•脉冲间相位随机误差的仿真分析：脉冲间相位随机误差影响方位向分辨率、PSLR、ISLR采用两阶泰勒频域加权，可以满足：方位向展宽系数1.068，PSLR优于–20dB（包括天线方位向双程方向图的加权）其中w∈[-△w/2,△w/2]w＝方位向多普勒频率△w＝方位向多普勒处理带宽www2cos15.085.0)(W系统相位误差脉冲间（方位向）正态分布随机相位误差仿真结果相位误差方差05101520压缩后相对幅度dB00.030.130.290.55方位向3dB展宽因子1.0671.0661.0671.0661.066方位压缩后PSLR(dB)23.3423.1823.0323.2922.96方位压缩后ISLR(dB)18.5518.4818.2517.8217.33对于距离向和方位向，同样大小的正态分布随机相位误差，影响应该相同，实际仿真结果的差别是由于两个方向的加权函数不同I/Q正交解调误差中频信号正交解调后，变换成正交的I/Q两路视频信号•I/Q两路信号存在幅度不平衡和相位不正交的误差•I/Q两路幅度不平衡和相位不正交主要是固定误差，但在频带内可能会有变化，中间较平坦，边上误差较大•I/Q误差主要影响：压缩后的幅度降低，积分副瓣增大（距离向、方位向基本相同）•仿真计算结果（仅供参考）：当误差较小时I/Q幅度不平衡0.5dB，积分副瓣比增大0.5dBI/Q相位不正交误差4°，积分副瓣比增大0.5dB当误差较大时，影响会增大很多I/Q幅度不平衡1.5dB，积分副瓣比增大3dBI/Q相位不正交误差10°，积分副瓣比增大3dB3系统相干性•系统相干性是获取信号相位信息的基本条件•要求SAR系统具有空间相干性和时间相干性•相干性表现在回波信号的相位只与接收信号的空间位置有关，而随时间的变化是由发射信号形式决定的固定不变的函数。也就是说：假如目标和雷达的位置都固定不变，则回波信号的波形就是固定不变的•破坏相干性的主要因素有⑴频率源、调频源产生的频率或相位不稳定（漂移、随机）⑵系统内各部分工作的相对时间关系不稳定（时钟抖动）⑶系统内各部分相