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摘要发展趋于成熟的小型无人机技术让成像系统的低价格化和高分辨率化的实现变为了可能，而传统的脉冲合成孔径雷达系统过于复杂、体积过于笨重，超出了小型无人机的承载能力。但调频连续波合成孔径雷达（FMCW-SAR）恰好能满足小型无人机成像系统体积小、成本低的要求,故而无可争议的是 FMCW-SAR 将在人们生活的各个领域发挥非常重要的作用。本文首先研究了一下FMCW-SAR的基本原理， 建立了FMCW-SAR信号的回波模型，并且利用点目标进行了回波仿真实验。本文接着分析了 FMCW-SAR 的两种传统成像算法：距离多普勒（RD）算法和 K 算法，并且给出了算法的仿真结果。但是由于传统成像算法通常需要计算量较大的插值运算， 本文基于NUFFT改进了FMCW-SAR成像算法，最后通过MATLAB 仿真实验来验证所编写的 NUFFT 算法的有效性。27388
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毕业论文关键词 FMCW-SAR 两种传统成像算法 NUFFT 算法 MATLAB 仿真
Title Research on the imaging method of FMCW-SARbased on NUFFTAbstractThe development of UAV technology tends to be mature, which makes the imaging systemwith low price and high resolution become possible. But the traditional pulsesynthetic aperture radar systems are too complex and too heavy , which beyond thecarrying capacity of small UAV. FMCW-SAR can meet the requirements of the imagingsystem with small size, low cost price, which is suitable to be applied in smallunmanned aerial vehicle (UAV).It is indisputable that FMCW-SAR will play a veryimportant role in all areas of people's lives.This paper studies the basic principles of FMCW-SAR, establishes the echo modelof FMCW-SAR signal, and uses point targets to carry out echo simulation experiment.This paper analyzes the two traditional FMCW-SAR imaging algorithm: distanceDoppler algorithm and K algorithm, and gives the algorithm simulation results.However, because conventional imaging algorithms generally requirecomputationally intensive interpolation operation, this paper improves FMCW-SARimaging algorithm based on NUFFT, and verifies the effectiveness of NUFFT algorithmthrough MATLAB simulation experiment.Keywords FMCW-SAR, Two traditional imaging algorithms, NUFFT algorithm, MATLABsimulation
目 次
1 绪论1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 调频连续波SAR的国内外研究综述.. 1
1.3 论文研究内容及章节安排.. 3
2 调频连续波SAR原理4
2.1 合成孔径技术原理.. 4
2.2 线性调频信号. 6
2.3 匹配滤波器.. 7
2.4 FMCW-SAR信号回波模型9
2.5 点目标回波仿真. 11
2.6 本章小结. 12
3 FMCW-SAR 的两种传统成像算法. 14
3.1 距离多普勒算法. 14
3.2 K 算法.. 20
3.3 两种算法比较.. 23
3.4 本章小结. 23
4 基于NUFFT 的调频连续波SAR 成像算法.. 25
4.1 NUFFT 算法原理.. 25
4.2 基于NUFFT 的成像算法. 28
4.3 本章小结. 33
结论.34
致 谢..35
参考文献..36
1 绪论1.1 研究背景及意义雷达(Radar )，在第二次世界大战中兴起，最初应用于追踪飞机和战船等等，它为二战的早日结束做出了重大贡献[1]。成像雷达的产生是建立在对提高雷达成像分辨率的需求之上的，伴随着雷达及天线等理论体系的发展，二十世纪五十年代兴起了其相关理论研究。合成孔径雷达（SAR）通常是指雷达在动但是目标不动的雷达，它分别通过回波信号的脉冲压缩、大合成孔径获得距离的高分辨率及方位向高分辨率，且合成孔径是通过雷达与目标之间的相对运动才产生的。截止至今 SAR 成像被应用到了生活的各方各面及诸多领域，发挥着越来越重要的作用[2]。上世纪50 年代美国科学家提出的多普勒锐化是SAR 的最初概念[21]，SAR 其实质是具有高分辨率的遥感设备，是利用信号进行的主动式遥感感知。由于不受周围环境的影响，SAR可全天候对目标进行探测、成像及侦察。SAR 成像是能够获得较高分辨率的成像图形的，这是因为 SAR 是将合成孔径技术与脉冲压缩技术结合起来的， 这样才能满足高分辨率的成像要求。SAR通常采用脉冲调制体制，但是结构复杂、价格昂贵、体积庞大等特点限制了它的应用范围[3]。之后随着雷达成像各方面技术的发展出现了调频连续波合成孔径雷达（FMCW-SAR）成像， 其能够弥补传统脉冲型雷达的缺陷， 具备了成本低、 结构简单、 体积小等方面的优势[22-24]。FMCW-SAR 具有这些优势是因为其发射的调频连续波信号是在一个调制周期内不断发射线性调频脉冲信号的连续波信号，且 FMCW的信号占空比为一。就因为 FMCW-SAR的种种优势，其被应用到了军事和民用等各个方面，举例来说，由于调频连续波雷达由于在扫频时间长，故而有较大的时宽带宽积，所以侦察时难以被敌方截获，这一项技术指标在军事上有很大的技术优势[4]。FMCW-SAR作为研制小型低廉 SAR的重要方式，其与传统的脉冲 SAR 相比，在信号处理与成像算法方面均有所不同，所以FMCW-SAR具有重要的研究意义。1.2 调频连续波SAR 的国内外研究现状由于 FMCW 雷达存在收发隔离的问题，其发展一直受到限制。但随着信号处理水平的提升和雷达各方面理论体系的发展[4]，且 FMCW-SAR 具备成本低、体积小、分辨率高且不受自然环境影响等各方面的优势，国内外研究人员投入了大量精力开展 FMCW-SAR 研究，在众多领域有着广泛的应用。1.2.1 国外研究现状一九八八年调频连续波合成孔径雷达成像（FMCW-SAR）的概念在英国率先被提出，并且将 FMCW 应用到了雷达高度计之中[24]。 然后同样是在二十世纪八十年代， 科学家们将 SAR与高度计捆绑到一起应用到了物理实验当中。自一九九一年开始日本也开始了 FMCW-SAR的研究，并且FMCW-SAR还被用来探测雪下的埋藏物[25-27]，这次探测所使用的雷达工作在 L波段，距离向的分辨率为 5.5 厘米而方位向的分辨率也为 5.5 厘米。这次探测的结果表明在短距离成像方面 FMCW-SAR比脉冲型雷达具有更高的成像精度。英国的科学家们也不甘落后，从一九九七年开始他们就开始利用 FMCW-SAR来探测海洋内波[22,23,28,29]，探测的目的是为了获得海洋中信号的幅度及相位信息，之后他们又以此为依据建立后向散射的分布图。英国科学家们探测所使用的雷达的工作频率为94GHz，距离向和方位向的分辨率均为5 厘米[4]。随着小型无人机应用地越来越广泛，荷兰、德国、美国等国家相继进行了将调频连续波合成孔径雷达应用到小型无人机上的研究，促进了FMCW-SAR的发展。自2001开始的三年内荷兰的 理工 TuDelft 大学进行了搭载FMCW-SAR系统的小型无人机的成像研究。此次研究选用的雷达工作波段为Ka 波段，最终得到的成像图像的分辨率为 0.3米，值得一提的是此次研究使用的雷达还具有动目标检测的能力，促进了无人机侦察的发展。二零零三年的时候德国的EADS 成功地研制出了 Micro SAR 成像系统，此系统有一个优势就是其实现了无人监测的功能。他们研制的雷达工作在Ka 波段，质量轻于四千克，功耗小于一百瓦，其最终的成像分辨率为二分之一米。08 年德国应用科学研究院再一次对 Micro SAR进行研究，但是这次使用的不是调频连续波而是多频段连续波，最终得到了分辨率为 0.1 米的图像。不光是德国，美国也在从事有关 Micro SAR 的研究。从一九九四年开始美国的Brigham Young 大学就开始钻研小型的合成孔径雷达[30-32]， 终于在二零零四年的时候他们研发成功了双频连续波的合成孔径雷达，之后他们再接再厉又在二零零八年的时候在之前的基础上研发成功了MicroA合成孔径雷达，此雷达工作在 C 波段，质量轻于二点五千克，功耗低于三十五瓦，最终的成像分辨率为零点七五米。该系统在研发成功的第二年被应用到了北极冰川情况的考察之中。同时08 年的时候美国的 IMSAR 公司研发成功了NanoSAR，此系统雷达的工作波段为 X 波段，重量轻于一千克，最终的成像分辨率为一米。其实人们不光想在 FMCW-SAR 的二文成像领域取得成绩，也想在三文成像方面有所突破。在 04 年到08 年的四年间，德国的 FGAN 研制出了 FMCW-SAR 三文成像的样机，该样机中雷达的工作波段为Ka 波段，成像的三文分辨率均为 0.2 米[4]。1.2.2 国内研究现状我国进行合成孔径雷达成像研究的时间比较晚，1979 的时候才得到了第一张 SAR 成像的图像。但是随着对合成孔径技术的不断深入研究，我国的电子 14 所、504 航天研究所等机构对机载 SAR 进行了研究，获得了大量的实测数据。目前我国的 FMCW-SAR 的研究方面也不甘落后，南京理工大学、南京航空航天大学、北京理工大学、 北京航空航天大学、 国防科技大学、 中电十四所等单位相继展开了FMCW-SAR研究工作，在二文成像和三文成像方面均有所收获。在二零一一年底的时候，中科院电子研究所研发出了紧凑型可重构小型合成孔径雷达（CARMSAR），此雷达有一个特点就是装配了 GPS 系统，并且其是被装载在小型无人机上的。雷达的成像系统中包含了各种实时和数字的处理单元。1.3 论文研究内容及章节安排本文建立了 FMCW 信号的回波模型并进行了相应的点目标回波仿真，接着介绍了FMCW-SAR 的两种传统成像算法：RD算法和 K 算法，分别给出了算法应用的成像图形，并总结了这两种算法的缺陷。最后分析研究了基于 NUFFT 的 FMCW-SAR成像算法，重点给出了 NUFFT 算法的推导过程以及将NUFFT 应用到二文和三文成像中的仿真实验。本文的具体章节安排如下：第一章为绪论，阐述了 FMCW-SAR 的研究背景，并分析了其研究历史和国内外发展现状，介绍了本文的章节安排。第二章为 FMCW-SAR 的基本原理，在介绍了合成孔径技术、线性调频信号以及匹配滤波器等理论知识的基础之上，建立了 FMCW 信号回波模型，并且用点目标仿真验证建立的回波模型的正确性。第三章介绍了两种 FMCW-SAR 成像距离多普勒算法（RDA）和 K 算法。本章中给出了两种算法的结构流程图，最后还给出了两种算法应用到雷达成像中的成像仿真图形。第四章分析了基于 NUFFT 的 FMCW-SAR 成像算法，给出了 NUFFT 算法的推导过程以及将其应用到二文及三文成像中的推导过程，然后基于 NUFFT 进行 FMCW-SAR 成像的MATLAB 点目标仿真并给出结果，来判断算法的正确性。2 调频连续波 SAR 原理2.1 合成孔径技术原理2.1.1 合成孔径技术简介将合成孔径技术（SAR）和调频连续波（FMCW）结合起来就能够得到一种新型的雷达就是现在被人熟知的 FMCW-SAR（调频连续波合成孔径雷达），其分别通过脉冲压缩技术和合成孔径技术（SAR）来获得距离向和方位向的高分辨率。FMCW-SAR 在方位向是利用单个移动的小型天线模拟真实的大口径天线，如图 2.1 所示。雷达中装载的天线将按照给定的某种方式来进行扫描，经过不同的位置时小型天线记录下该位置对应的回波信号的相位及幅度信息，当天线完成整个扫描任务时，雷达就会对其记录的信息进行集中处理，并利用成像算法来对之前处理好的信息完成成像处理[2]。