合成孔径雷达——成像与仿真

本书围绕合成孔径雷达成像与仿真技术，探讨了合成孔径雷达的成像处理、运动补偿以及典 型地物数据仿真等核心问题。在介绍现有机载SAR成像处理算法的基础上，给出了慢速无人机载SAR和机载大前斜SAR的高精度成像处理算法,实现运动误差等非理想因素影响下的机载SAR高精度成像。在分析低轨SAR工作模式特点的基础上，给出低轨多模式SAR成像处理算法和高 效处理算法，实现低轨多模式SAR高 效成像。在分析高轨SAR特性的基础上，给出高轨SAR成像处理算法，实现对高轨SAR陆地静止目标和海面动目标的良好聚焦。在分析新体制SAR特点的基础上，给出顺轨多通道、交轨多通道、多频多极化等新体制SAR成像处理算法以及参数化SAR成像新方法，拓展SAR系统功能和适用范围。结合SAR数据仿真特点，给出SAR数据全链路仿真方法和仿真实例，为SAR系统性能评估提供数据保障。本书提出的SAR成像与仿真相关的技术为慢速无人机载SAR、机载大前斜 SAR、低轨多模式SAR、高轨SAR和新体制SAR相关研究提供了新的方法与思路。

本书可作为高等院校信息与通信工程、目标探测与识别等专业师生的教学与学习参考书，也可供信息相关领域的研究工作者和实践工作者参考。

丁泽刚 博士，北京理工大学信息与电子学院长聘教授、博士生导师、雷达技术研究所副所长。2020年获批国 家级人才项目，2019 年入选国家“万人计划”青年拔尖人才，现任北京电子学会雷达专委会副主任委员、《航空学报》青年编委、IEEE高 级会员。长期从事合成孔径雷达成像、天文雷达探测与成像等科研工作；主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、“863”计划等20余项科研项目。已发表SCI检索学术论文60余篇，以第 一/ 第 二发明人获授权发明专利40余项。 张天意 博士，北京理工大学信息与电子学院博士后，主要研究方向为合成孔径雷达与逆合成孔径雷达成像、天文雷达探测与成像。主持中国博士后科学基金特别资助(站前) 项目1项、中国博士后科学基金面上资助项目1项和CAST创新基金项目1项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目。 龙腾 博士，北京理工大学校长、党委副书记，信息与通信工程学科教授、博士生导师。研究方向为新体制雷达与实时信息处理。中国工程院院士、中国电子学会会士、俄罗斯工程院外籍院士、国际宇航科学院通讯院士、IEEE Fellow、IET Fellow。担任国务院学位委员会第七、第八届学科评议组成员，中国指挥与控制学会副理事长，中国电子学会常务理事，中国仪器仪表学会常务理事，中国电子学会、中国仪器仪表学会信号处理分会等主任委员。出版学术著 作3部，发表SCI检索论文130余篇，牵头授权发明专利50余项，获国家技术发明奖二等奖2项、国防技术发明奖特等奖1项(均排名第 一)。

第 1章 合成孔径雷达概述 1

1.1　概述　1

1.1.1　合成孔径雷达简介　1

1.1.2　SAR成像机理　2

1.2　SAR成像发展现状　7

1.2.1　慢速无人机载SAR成像　7

1.2.2　斜视模式SAR成像　8

1.2.3　低轨多模式SAR成像　8

1.2.4　弯曲轨迹高轨SAR成像　10

　1.3 本书的内容安排　10

参考文献　11

第　2章 SAR成像处理与运动补偿算法综述　13

2.1　概述　13

2.2　时域成像处理算法　15

2.2.1　BP算法原理　15

2.2.2　BP算法流程　16

2.3　波数域成像处理算法　17

2.3.1　RM算法流程　18

2.3.2　Stolt插值原理　19

2.4　频域成像处理算法　20

2.4.1　RD算法　20

2.4.2　CS算法　22

2.5　极坐标格式算法　27

2.5.1　PFA原理　27

2.5.2　PFA二维重采样　28

2.6　多普勒中心频率估计　29

2.6.1　基于能量均衡的多普勒中心频率估计算法　30

2.6.2　基于时域相关的多普勒中心频率估计算法　31

2.7　多普勒调频率估计　32

2.7.1　对比度法　32

2.7.2　子视图移法　33

2.8　高阶相位误差估计　34

2.8.1　基于子孔径分割的高阶相位误差估计策略　34

2.8.2　相位梯度自聚焦　36

2.9　小结　37

参考文献　38

第3章　机载SAR成像　40

3.1　概述　40

3.2　机载SAR回波模型　40

3.2.1　几何模型　40

3.2.2　回波信号模型　41

3.3　慢速无人机载SAR成像处理　42

3.3.1　慢速无人机载SAR信号特性分析　42

3.3.2　慢速无人机载SAR运动误差估计与成像处理　46

3.4　机载大前斜SAR成像处理　49

3.4.1　大前斜SAR信号特性分析　50

3.4.2　大前斜SAR成像处理算法　52

3.4.3　大前斜SAR多普勒参数估计　57

3.5　小结　62

参考文献　62

第4章　低轨多模式SAR成像　64

4.1　概述　64

4.2　低轨SAR回波模型　64

4.2.1　低轨SAR几何模型　64

4.2.2　低轨SAR信号模型　67

4.2.3　低轨SAR场景模型　68

4.3　条带模式成像处理算法　68

4.3.1　条带模式成像处理算法概述　68

4.3.2　条带模式成像参数估计方法概述　69

4.3.3　基于CS的条带模式成像处理算法　69

4.4　扫描模式成像处理算法　70

4.4.1　扫描模式成像处理算法概述　70

4.4.2　基于ECS的扫描模式成像处理算法　71

4.5　滑聚/聚束模式成像处理算法　72

4.5.1　滑聚/聚束模式成像处理算法概述　72

4.5.2　基于两步去斜的滑聚/聚束模式成像处理算法　73

4.6　多通道条带模式成像处理算法　74

4.6.1　多通道SAR信号模型及多普勒模糊现象　74

4.6.2　基于逆滤波的多通道条带模式成像处理算法　78

4.7　TOPS模式成像处理算法　78

4.7.1　TOPS模式成像处理算法概述　78

4.7.2　基于改进SPECAN的全孔径成像处理算法　80

4.7.3　基于CS的子孔径成像处理算法　84

4.8　高效成像处理算法　88

4.8.1　基于二维聚焦深度的相位因子区域更新处理　88

4.8.2　二维聚焦处理对成像质量影响分析　91

4.9　小结　96

参考文献　96

第5章　高轨SAR成像　98

5.1　概述　98

5.2　高轨SAR特性分析　98

5.2.1　基于曲率圆的高轨SAR运动模型　99

5.2.2　基于曲率圆运动模型的高轨SAR特性分析　102

5.3　高轨SAR陆地场景成像处理算法　108

5.3.1　高轨SAR高精度回波信号建模　108

5.3.2　基于多项式补偿的NCS成像处理算法　113

5.4　高轨SAR海面动目标成像处理算法　116

5.4.1　高轨SAR海面动目标精确信号模型　117

5.4.2　基于级联GRFT的海面动目标成像处理算法　118

5.5　非理想因素对高轨SAR成像影响的分析　122

5.5.1　天线振动影响分析　122

5.5.2　轨道摄动影响分析　126

5.5.3　电波非理想传输影响分析　127

5.6　小结　131

参考文献　131

第6章　新体制SAR成像处理技术　134

6.1　概述　134

6.2　顺轨多通道SAR动目标检测处理　134

6.2.1　基于DPCA的动目标检测　135

6.2.2　基于ATI的动目标检测　138

6.3　交轨多通道干涉SAR处理　138

6.3.1　单星双通道干涉SAR处理　139

6.3.2　双星编队干涉SAR处理　150

6.3.3　多航过干涉InSAR处理　150

6.4　多频多极化干涉SAR处理　151

6.4.1　多频InSAR高程重建方法　151

6.4.2　多极化InSAR树高反演方法　155

6.5　参数化SAR成像处理　159

6.5.1　SAR图像边缘不连续成因分析　160

6.5.2　基于双侧观测的参数化SAR成像处理算法　162

6.6　小结　166

参考文献　166

第7章　典型陆海地物的SAR数据仿真　171

7.1　概述　171

7.2　SAR数据全链路仿真　172

7.3　典型陆表地物散射模型　172

7.3.1　森林散射模型　172

7.3.2　水体散射模型　180

7.3.3　农田散射模型　183

7.4　海面场景散射模型　186

7.4.1　海浪波面模拟　186

7.4.2　海浪后向散射建模　189

7.5　SAR回波数据仿真方法　193

7.5.1　回波数据时域仿真方法　193

7.5.2　回波数据频域仿真方法　194

7.5.3　运算量对比　196

7.6　SAR数据仿真逼真性评估　197

7.6.1　SAR实测数据和仿真数据的相似度对比　197

7.6.2　SAR图像特性验证　197

7.7　小结　198

参考文献　198

名词索引　201

附录　彩色图　203

本书是关于合成孔径雷达成像处理技术的一部专著，主要取材于作者近年来在该领域所取得的研究成果。这些研究成果已在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing、IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters等知 名期刊发表。尽快将这些研究成果介绍给读者，服务于当前我国国防与航天事业的大发展，是作者撰写该书的目的和动力。

本书特色鲜明，专门论述了各种运动平台下的SAR成像处理算法与实现，既有深入的理论分析，也有浅显的物理概念和基本原理，全部内容涵盖整个雷达成像基础领域,除仿真数据外，本书进一步采用实测数据对所介绍成像方法的有效性进行了验证。总之，本书在理论深度和应用参考性方面均有自己鲜明的特色。

该书第 一作者丁泽刚是北京理工大学研究员，长期从事合成孔径雷达新体制论证、成像处理算法和星载SAR系统仿真研究等方面的技术研究。以项目负责人身份主持1项重大专项项目、承担2项国家自然科学基金项目；以项目负责人身份承担多项航天卫星相关横向课题；以第 一作者和通讯作者发表SCI和EI收录国际期刊论文40余篇，其中SCI收录文章20篇；获得已授权专利23项。