SAR技術(shù)及相關(guān)算法研究綜述

馮智鑫+彭業(yè)飛

摘要：首先簡要介紹有關(guān)合成孔徑技術(shù)等方面的知識，其次重點論述了距離[-]多普勒、線頻調(diào)變標(biāo)、頻率變標(biāo)和極坐標(biāo)格式等SAR成像算法，并適當(dāng)分析其優(yōu)缺點；對SAR圖像相干斑濾波的相關(guān)原理和算法進(jìn)行了簡要分析和歸納；最后給出了今后合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展方向，為合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的研究工作提供參考。

關(guān)鍵詞：合成孔徑；距離[-]多普勒；極坐標(biāo)格式；相干斑濾波

中圖分類號：TN958 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0242-02

雷達(dá)的發(fā)展可以說是無線電發(fā)展史上的一次革命。合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR） 是一種現(xiàn)代微波成像雷達(dá)，具有全天時、全天候、遠(yuǎn)距離、大范圍、高分辨率和多參數(shù)探測的特點[1]。SAR融合了合成孔徑技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)和信號處理技術(shù)，以較小的孔徑天線獲得較高的分辨率，且工作不受大氣傳播和氣候影響，穿透力強(qiáng)、識別能力強(qiáng)，成像清晰并且覆蓋面積大，因此SAR無論在民用方面還是軍用方面都得到了廣泛應(yīng)用，并成為雷達(dá)技術(shù)研究的重要方向[2]。本文主要概述SAR的主要原理，介紹當(dāng)前較為常見的幾種成像算法，并對SAR的發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

1基本概念

SAR通常安裝于星載或機(jī)載等移動平臺，向地面固定目標(biāo)發(fā)射電磁波[3]，通過接收反射波并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和成像解算，從而得到有關(guān)目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)[4]。

根據(jù)雷達(dá)的分辨率公式：

[δ=ra] （1）

[a=kλ/D] （2）

其中，[δ]表示雷達(dá)的分辨率，a表示雷達(dá)觀測的波束角，[λ]表示發(fā)射電磁波的波長，r表示雷達(dá)與目標(biāo)間的距離，[D]表示雷達(dá)孔徑，k為常數(shù)。SAR依托輻射單元發(fā)射和接收電磁波，這些輻射單元可以有多種排列方式，常見的有陣列式，又稱陣列式合成孔徑雷達(dá)。SAR的輻射單元在接收由目標(biāo)反射回來的電磁波信號時，以陣列方式儲存信號的幅度與相位信息。這種通過小孔徑天線之間的排列組合，并以陣列方式對信號進(jìn)行一系列運(yùn)算，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)長天線的功能，因此，它又被命名為合成孔徑。

SAR的基本工作過程是：雷達(dá)發(fā)射器向空間某一方向連續(xù)發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號，雷達(dá)接收器則接收由目標(biāo)反射回來的電磁波信號，雷達(dá)成像處理系統(tǒng)對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并在顯示屏上模擬出所觀測區(qū)域的目標(biāo)分布圖像[5]。

SAR距離向的成像直接利用所發(fā)射的線性調(diào)頻信號經(jīng)過處理就可以實現(xiàn)，但需要利用匹配濾波器對回波信號進(jìn)行脈沖壓縮，才能實現(xiàn)目標(biāo)在距離向的成像。方位向的成像則是基于多普勒原理實現(xiàn)的

2 SAR成像算法

SAR成像算法是SAR系統(tǒng)中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，它的實質(zhì)就是對回波信號進(jìn)行二維脈沖壓縮[6]。SAR系統(tǒng)中的成像處理流程如圖1所示。

在SAR接收器接收到的回波信號中，并沒有代表目標(biāo)的原始特征，由于雷達(dá)覆蓋面的所有物體都會發(fā)射電磁波，而不同物體的距離徙動曲線會相互交叉，導(dǎo)致不同物體的回波信號相互疊加，這種現(xiàn)象在雷達(dá)學(xué)中被稱為距離徙動現(xiàn)象。除此之外，在不同斜距上的目標(biāo)其回波信號所體現(xiàn)的多普勒特性也不相同。因此，如何消除距離徙動現(xiàn)象給雷達(dá)觀測帶來的干擾，是研究雷達(dá)成像的難題。研究者也因此提出了較多的消除算法，但是這些算法在解決成像質(zhì)量與成像效率問題上仍存在較大差異[7]。

2.1距離[-]多普勒（RD）算法

RD算法是最經(jīng)典的成像算法之一。SAR接收器在接收到目標(biāo)后，首先對信號在距離上進(jìn)行壓縮；壓縮后的信號被變換到距離[-]多普勒域（距離向時域）；利用距離上的差值消除由于距離遷移帶來的影響；最后在方位向上進(jìn)行聚焦處理[8]。目前，基于RD算法而進(jìn)行的改進(jìn)研究主要有兩類：一類是時頻域混合算法，這類算法基于時域處理距離維上的數(shù)據(jù)，而基于頻域處理方向維上的數(shù)據(jù)，但這種算法的計算量會隨著距離移動量的不斷增加而變得復(fù)雜；另一種是基于二次距離壓縮的改進(jìn)RD算法，這種算法能夠提高成像的精度，但增加了計算量，誤差變大。

2.2線頻調(diào)變標(biāo)（CS）與頻率變標(biāo)（FC）算法

CS算法由德國科學(xué)家AlbertoMoreira等人提出[9]，用于解決距離遷移問題。該算法在原始RD算法的基礎(chǔ)上引入了線性調(diào)頻參考信號，根據(jù)參考距離對不同的遷移軌跡進(jìn)行校正，由于這一過程是對壓縮后的距離信號進(jìn)行再處理，因此被稱為“二次距離壓縮”。這種算法不需要多數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算，因此提高了成像過程的計算效率。

在CS算法的基礎(chǔ)上， J. Mittermayer[10]提出了頻率變標(biāo)（FS）算法。該算法采用對Scaling函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，對不同距離上的目標(biāo)距離徙動曲線作進(jìn)一步地修正。它通過復(fù)乘運(yùn)算和FFT完成了整個成像處理過程。同樣，F(xiàn)S算法也不需要插值處理，因此能在大合成孔徑和大斜視的情況下保持較高的成像精度。

2.3 極坐標(biāo)格式（PF）算法

極坐標(biāo)格式 （PF）算法是隨著聚束式合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展而被提出來的，它已經(jīng)被當(dāng)為一種標(biāo)準(zhǔn)圖像格式算法[11]?；诙SFFT變換的原理，PF算法先將接受到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理（也稱開窗處理）；然后將濾波后的數(shù)據(jù)插入笛卡爾格中；最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行二維FFT變換以消除旁瓣干擾。這種算法的分辨率受到系統(tǒng)帶寬的限制，它是目前合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)采用的最為普遍的方法[12]。

3 SAR圖像相干斑濾波

數(shù)據(jù)經(jīng)過SAR的成像系統(tǒng)處理之后，實際上還不能直接得到有關(guān)目標(biāo)的位置特征，而必須進(jìn)行相干斑濾波。所謂相干斑濾波是指采用某種濾波算法對SAR圖像進(jìn)行干擾消除操作。物理學(xué)中的干涉原理指出，同頻同向的電磁波在空間相遇時會相互疊加（也稱相互干涉），且合成波的振幅為原始波振幅的矢量和。相互干涉的電磁波稱為相干波。而SAR系統(tǒng)所發(fā)射的電磁信號均為相干信號[13]，所以接收器接收到的均為干涉信號，不能完全表征目標(biāo)的特性參數(shù)，這種現(xiàn)象稱為SAR相干斑噪聲。

相干斑噪聲的干擾嚴(yán)重影響了SAR的成像質(zhì)量，因此，學(xué)者們研究了很多抑制SAR相干斑的算法。這些算法主要分為兩類：空域濾波法和頻域濾波法?？沼驗V波法主要有基于均值的濾波算法、基于中值的濾波算法和基于順序統(tǒng)計量的濾波算法等；頻域濾波法通過將圖像分解到不同的頻率空間，對頻率域的系數(shù)進(jìn)行處理，從而達(dá)到去除噪聲的目的，最典型的處理方法就是小波變換法[14]。文獻(xiàn)[15]基于快速離散曲波變換（FDCT）理論，將SAR圖像進(jìn)行軟、硬闡值處理，這種通過曲波域的處理方法其去噪效果比小波域的去噪效果要好。

4 SAR技術(shù)發(fā)展趨勢

干涉式合成孔徑雷達(dá)（InSAR）技術(shù)是在SAR基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它是SAR技術(shù)的又一發(fā)展方向。InSAR技術(shù)將SAR的測量從二維拓展到了三維空間，測繪成果覆蓋面大、精度高，是目前一種非常重要的遙感測繪技術(shù)。

超寬帶合成孔徑雷達(dá)（UWB SAR）融合了超寬帶技術(shù)和合成孔徑技術(shù)。UWB SAR技術(shù)能同時具有很高的距離分辨率和方向分辨率。UWB SAR工作在微波的低頻段，不僅能夠?qū)θ~簇、地表等覆蓋下的目標(biāo)進(jìn)行探測和成像識別[16]，而且能提高對隱身目標(biāo)的探測能力。

激光合成孔徑雷達(dá)（laser SAR）采用激光器作為輻射源，它的工作頻率比微波還高，探測目標(biāo)時能產(chǎn)生較大的多普勒頻移，因此它能提供較高的橫向距離分辨率，而且可以利用單個脈沖瞬時測出多普勒頻移，因而無需高重頻發(fā)射脈沖。laser SAR技術(shù)已經(jīng)受到了許多研究專家的重視。

5 結(jié)語

隨著SAR技術(shù)的不斷向前發(fā)展，SAR技術(shù)所研究的層次將越來越高，同時，也會面臨越來越多的問題。在軍事領(lǐng)域中，電子對抗領(lǐng)域的斗爭異常激烈，受各種反雷達(dá)技術(shù)的干擾與破壞，要獲取更真實清晰的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)將會越來越困難，因此，加強(qiáng)SAR相關(guān)技術(shù)的升級與創(chuàng)新迫在眉睫。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，將SAR技術(shù)與人工智能相結(jié)合，實現(xiàn)SAR系統(tǒng)的智能化發(fā)展，將會是未來的發(fā)展趨勢。

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