基于MATLAB的SAR点目标成像仿真开题报告

基于MATLAB的SAR点目标成像仿真1课题来源雷达成像技术是20世纪50年代发展起来的。它是雷达发展的一个重要里程碑。从此，雷达的功能不仅仅是将所观测的对象视为“点”目标，来测定它的位置与运动参数，而且它能获得目标和场景的图像。同时，由于雷达具有全天候、全天时、远距离和宽广观测带，以及易于从固定背景中区分运动目标的能力，从而使雷达成像技术受到广泛重视。雷达成像技术应用最多的是合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）。当前，机载和星载SAR的应用已十分广泛，已可得到亚米级的分辨率，场景图像的质量可与同类用途的光学图像相媲美。利用SAR的高分辨能力，并结合其他雷达技术，SAR还可完成场景的高程测量，以及在场景中显示地面运动目标（GMTI）。SAR的高分辨，在径向距离上依靠宽带信号，几百兆赫的频带可将距离分辨单元缩小到亚米级；在方位上则依靠雷达平台运动，等效地在空间形成很长的线性阵列，并将各次回波存储作合成的阵列处理，这正是合成孔径雷达名称的来源。合成孔径长度可达几百米或更长，因而可获得高的方位分辨率。本课题是信号处理方面的理论研究课题，它的提出是为了使本人运用相关专业知识理解各种算法原理，从而进一步认识合成孔径雷达成像原理。在此基础上，利用MATLAB语言编程在MATLAB平台上实现仿真图像。2研究目的和意义合成孔径雷达是一种高分辨率成像雷达。即使在能见度极差的气象条件下，利用合成孔径雷达技术，我们也可以得到类似光学摄像的高分辨率雷达图像。这是因为微波成像不受气候、昼夜等因素的影响，具有全天时、全天候的优点。1951年，美国Goodyear航空公司的C.Wiley首次提出用多普勒频率分析方法分析改善机载雷达角分辨率的思想，这就是早期的合成孔径技术。接着，又有学者提出了利用载机的规则运动可以将雷达的真实天线尺寸合成为大尺寸的线性天线阵列的概念。合成后的孔径长度比真实天线大很多，因此合成孔径技术可以大大提高雷达方位向的分辨率。方位向利用合成孔径技术将眼雷达航迹采集的回波序列进行相干处理，等效于一个很大的孔径形成较窄的波束，大大提高了方位向分辨率。距离向发射宽带信号，利用脉冲压缩技术提高距离向分辨率，从而得到二维高分辨率遥感图像。目前，合成孔径雷达凭借高分辨率、全天时、全天候和可直接观察的特点在军事领域发挥着日益重要的作用，所以针对合成孔径雷达的点目标成像仿真研究具有十分重要的意义。本课题是利用RD或CS算法编程实现点目标成像仿真，使我通过查阅相关文献理解合成孔径雷达（SAR）成像原理，以及在MATLAB平台上实现点目标成像仿真。本次设计能极大提高我的自学能力和软件编程能力，为以后攻读硕士学位进行相关方面的深入研究打下坚实的基础。3阅读的主要文献、资料名称，研究现状和发展趋势，学术动态，综合分析提出研究课题的主攻方向阅读的主要文献、资料名称【01】（中国科学院电子学研究所）牛晓峰，单通道SAR运动目标检测方法研究（学位论文）【02】(南京理工大学)裘金飞，合成孔径雷达SAR成像技术研究（学位论文）【03】（西安电子科技大学）马仑，SAR成像自聚焦算法研究（学位论文）【04】（国防科学技术大学）李建阳，高分辨SAR成像技术研究（学位论文）【05】（北京航空航天大学）李兵，洪文，合成孔径雷达噪声干扰研究，电子学报，第12期2004年12月，文章编号：0372-2112（2004）12-2035-03【06】（电子科技大学）况凌，沈晓峰，杨万麟，机载双基地SAR成像算法比较，电子学报，第12期2006年12月，文章编号：0372-2112（2006）12-2311-04【07】（空军雷达学院电子工程研究所）朱振波，汤子跃，蒋兴舟，机载双站合成孔径雷达，电子与信息学报，第28卷第6期2006年6月，文章编号：1009-5896（2006）06-0977-05【08】（西安电子科技大学）竺红伟，基于Ts101的SAR成像实时信号处理机设计（学位论文）【09】（第二炮兵工程学院）谢学铭，基于改进的RD成像算法的SAR点目标仿真，中国西部科技2009年10月(上旬)第08卷第28期总第189期【10】（南京航空航天大学）张玮，基于方位向尺度变换的聚束SAR成像算法研究（学位论文）通过阅读这些文献、资料，我了解了SAR的研究现状和发展前景，对雷达信号模型有了具体概念，熟悉了RD和CS算法的基本原理，同时对合成孔径雷达（SAR）成像原理也有一个概念性的认识，为我进一步进行多个点目标仿真图像的实现途径及程序编写开拓了思路。雷达信号模型：由于距离徙动，使得雷达回波信号压缩产生失配，其距离变化规律为2/)5.0();(2tftfrrtRrd信号空间飞行轨迹目标空间徙动轨迹图SAR系统点目标回波模型雷达信号的点目标响应表达式为);(4exp].):(2[).().,();,(rtRjcrtRptGrxrts式中，)(tG为天线加权函数，(.)p为天线信号的包络。由于);(rtR是随时间变化的函数，使得某一点目标的雷达回波信号产生方位维和距离维的耦合，使方位处理变为复杂的二维处理。为了简化方位处理，必须对距离徙动进行校正（RCMC）。在RD算法中，由于距离徙动的影响，使得每一分辨单元中的调频信号的时间带宽积减小，信号的方位谱在RD域中展宽，弥散在不同的距离门中。如果不对这些展宽的信号进行压缩处理，将丢失信号信息，使得图像散焦。对方位谱沿距离向展宽的修正是通过调整距离参考函数的调频率在一定程度上改善相位补偿的二次距离压缩来完成。在机载大前视角情况下，距离徙动量很大，该方法不能满足相位补偿的精度要求。因此，产生了CS算法，它能改善RD算法的缺陷。研究现状和发展趋势SAR在国内的发展经历漫长的阶段，现在SAR技术的研究正处于高峰期。国内中科院电子所从1976年起开始了合成孔径雷达的研制，并在80年代初期研制成机载SAR，分辨率为10*10米，并用光学系统进行成像处理。到90年代更进一步用数字方法进行实时成像。“863“计划于80年代后期，对星载L波段合成孔径雷达立项研究已于前几年完成模样机的研制，并进行试飞，同时在它的推动下，许多高校如北航、南航、成电等，利用从国外引进的实测数据（星载和机载的）开展了SAR成像方法的研究。人们对合成孔径雷达(SAR)的优越性能和高分辨能力闻名已久，但是这项技术的发展多年来一直处于高度保密状态。近年来，随着掩盖该技术真实发展的神秘面纱逐渐被揭开，SAR已成为世界注目的焦点，合成孔径雷达的时代已经来临。装备SAR的飞机包括载人侦察机，如U-2和SR-71间谍飞机；战斗机和轰炸机，如F-15战斗机和F/A-18战斗轰炸机以及B-2轰炸机。美国西屋公司的AN/APG-76多模式合成孔径雷达已经出口以色列，用于装备F-4E空中优势战斗机。无人驾驶飞机上装备SAR的日子也为期不远了，准备装备“掠夺者”无人驾驶飞机的SAR已经进行了测试试验，并且SAR将列为Tier2+高空长航时无人驾驶飞机以及她的隐身姐妹机Tier3-的机上传感器之一。学术动态及研究课题的主攻方向合成孔径雷达(SAR)卫星能克服云雾雨雪和夜暗条件的限制对地面目标成像,可全天时、全天候、高分辨率、大幅面对地观测,这对于观测长年受云覆盖的地区尤为重要。在军事侦察、军事测绘及诸多民用领域可发挥重要作用,近年来受到世界各国高度重视并得到迅速发展。雷达平台相对于固定地面运动形成合成孔径，实现SAR成像。反过来，若雷达平台固定，而目标运动，则以目标为基准，雷达在发射信号过程中，可视为等效反向运动而形成阵列，据此也可对目标成像，通常称为逆合成孔径雷达（ISAR）。ISAR显然可以获取更多的目标信息。空中侦察的目标自动识别是合成孔径雷达重要的应用领域。为了尽可能降低目标识别的误差率，必须提高合成孔径雷达的分辨率以及提供专用的算法。美国国防高级研究计划局在这方面将进行三个阶段的工作：近期目标（2年）是建立高分辨率的机载合成孔径雷达系统，研制相应的软件，保障自动发现显示图像中目标的变化，从而识别目标。第二阶段（随后的4年）将研制出超高分辨率的合成孔径雷达，借助两种模式对目标进行识别。第三阶段（3～6年）将研制基于运动目标波束原则的合成孔径雷达、三维合成孔径雷达、多波段自动识别设备和外差式地图识别设备。这些技术将保障可探测到复杂自然环境中、隐蔽在森林地区或伪装后的低可探测性目标。被称为“树叶穿透探测”（FOPEN）的目标探测方法在近20年来一直以超带宽机载合成孔径雷达为基础进行研究。其分辨率在90年代中期达到0.3m。预计系统的研制工作于2001年10月完成。目前进行飞行试验的雷达样机有P-3UWBSAR、SRIFOLPENⅢ、FOACarabasⅡ和LFSAR。试验证明这些系统可以探测到隐蔽在森林中的具有某些固定特征的目标。本课题的主攻方向是利用RD和CS算法实现静止点目标成像仿真，并比较两种算法的优缺点。RD算法是实现合成孔径雷达成像的经典算法，它需要对回波信号作空间变换的二维相关处理。RD算法显著地提高了计算效率，主要优点是在频域完成距离徙动校正和方位维聚焦，缺点是差值运算所带来的附加计算量以及差值所引起的图像失真。CS算法完全避免了差值操作，但是它没有考虑二次距离压缩（SRC）随目标距离的变化。在讨论了两种算法的优劣之后，将一个点目标拓展为多个点目标，再用同样的成像算法观察仿真图像，进而对成像原理有更深的认识。4研究的内容、途径及技术路线研究的内容本文将通过研究RD和CS算法原理及过程来探究合成孔径雷达（SAR）成像原理。设计中先建立雷达平台与成像目标之间相对位置模型，再利用正逆傅立叶变换和匹配滤波器相关知识实现距离向和方位向脉冲压缩，从而得到点目标仿真图像。本试验要求在MATLAB环境中实现仿真图像，整个算法过程通过MATLAB语言实现。研究途径及技术路线本次设计方案分四步：（1）研究距离多普勒（RD）算法原理，并编程实现仿真图像距离多普勒（RD）算法距离多普勒算法包括距离压缩和方位压缩两个部分，其中距离压缩利用脉冲压缩技术也就是使接收信号通过匹配滤波器，实现距离向高分辨率；方位压缩利用回波中的多普勒信息，通过距离徙动校正和方位匹配滤波器，完成目标的方位分辨率。距离多普勒算法流程图如下所示：原始数据距离FFT方位FFT距离参考函数二次距离压缩距离IFFT距离徙动校正方位IFFT方位参考函数图像数据（2）研究CS算法原理，并编程实现仿真图像CS算法是在波方程算法的基础上提出的。其基本思路是在信号变换到二维波数域之前，校正所有距离单元的距离徙动曲线，使得所有信号的距离弯曲都相同（与参考距离refR相同）。当信号变换到二维波数域之后就可以通过简单的相位相乘完成距离徙动校正，从而避免了插值运算。与RD算法不同，CS算法是以方位傅立叶变换而不是距离处理开始，并且以方位逆傅立叶变换结束，距离处理则隐含其中。这种处理比RD算法多需要两次矩阵转置处理。在整个处理过程中，CS只用到了两种操作：傅立叶变换和复数相乘，而避免了插值运算。距离压缩（包括二次距离压缩）在二维波数域完成，方位压缩在距离压缩后的距离－多普勒域完成。CS算法流程图如下：SAR原始数据（3）通过研究两种成像算法将所成仿真图像进行对比，分析两种算法的优劣。（4）在此基础上，将一个点目标增加为多个点目标，利用相同的算法实现仿真图像，观察成像特点。5工作的主要阶段、进度和技术指标09-12-22至10-2-13根据老师下达的任务书及提供的参考资料，搜寻文献，完成“开题报告”和“外文翻译”初稿。10-02-16至10-2-28指导老师审查、修改“开题报告”和“外文翻译”，并完成定稿，交指导教师。10-03-03至10-5-14根据指导老师修改后的开题报告定稿，在老师指导下，完成毕业论文撰写、修改和定稿。10-05-18至10-5-28将毕业论文正文上交，形式审查，指导教师批阅，交教学办，装订论文。10-06-01至10-6-15根据指定时间地点参加毕业答辩。6