合成孔径雷达原理SAR.ppt
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1、合成孔径雷达原理合成孔径雷达原理1 1 合成孔径雷达原理合成孔径雷达原理合成孔径雷达原理合成孔径雷达原理机载合成孔径雷达的几何关系如图所示:机载合成孔径雷达的几何关系如图所示:WhrLsWR0rxpLmaxRR0Lminx 飞机以速度飞机以速度v va a沿沿x x方向匀速直线飞行,飞行高度为方向匀速直线飞行,飞行高度为h h,机载雷达的天线以规定的俯角向航线正侧方,机载雷达的天线以规定的俯角向航线正侧方向地面发射无线电波。垂直波束角为向地面发射无线电波。垂直波束角为 r r,航向波,航向波束角为束角为 ,测绘带宽为,测绘带宽为WW,最大合成孔径长度为:,最大合成孔径长度为:L Lmaxmax
2、,最小合成孔径长度为:,最小合成孔径长度为:L Lminmin。被测目标为。被测目标为一理想点目标一理想点目标p p,p p点与航线点与航线x x的垂直斜距为的垂直斜距为R R0 0。取航线取航线x x和和R R0 0所构成的平面为坐标平面。所构成的平面为坐标平面。设飞机在设飞机在t=0t=0时处在坐标原点,某一时刻时处在坐标原点,某一时刻t t,飞机,飞机的位置的位置x xa a=v=va at t。点目标。点目标p p的位置在这个坐标系里是的位置在这个坐标系里是固定的,(固定的,(x xp p,R R0 0)。在)。在t t时刻,时刻,p p与飞机上雷达与飞机上雷达天线的斜距天线的斜距R
3、R为:为:一般情况下,一般情况下,则则R R可近似为:可近似为:天线发出的是周期性的相干等幅高频脉冲波,设天线发出的是周期性的相干等幅高频脉冲波,设其频率为其频率为f f0 0,振幅为,振幅为A A,脉冲重复频率为,脉冲重复频率为f fr r,脉宽,脉宽为为。假设发射的为一连续波余弦信号,假设发射的为一连续波余弦信号,把实际信把实际信号看成是对连续信号的抽样,其抽样率即为脉冲号看成是对连续信号的抽样,其抽样率即为脉冲重复频率重复频率f fr r;假定余弦信号的振幅归一化为假定余弦信号的振幅归一化为1 1,起始相位为,起始相位为0 0,则有:,则有:,发射信号发射信号回波信号:回波信号:K K表
4、示由距离表示由距离R R及其他因素引起的对信号幅度的衰及其他因素引起的对信号幅度的衰减因子,减因子,0 0为信号往返延迟。为信号往返延迟。,那么,那么,归一化以后有:归一化以后有:这里,这里,取实部后有:取实部后有:这个信号的相位部分由三项组成:这个信号的相位部分由三项组成:原始发射信号的一次相位(线性相位);:原始发射信号的一次相位(线性相位);:是随:是随R R0 0而变的相位项,但与时间无关。对同一而变的相位项,但与时间无关。对同一 垂直斜距的目标来讲,垂直斜距的目标来讲,R R0 0是常数,是常数,是常数相位;是常数相位;最重要的相位项最重要的相位项随时间呈平方律变化的二次相位项随时间
5、呈平方律变化的二次相位项那么回波的瞬时频率为:那么回波的瞬时频率为:f f0 0是发射信号的载频,第二项就是因天线与目标相是发射信号的载频,第二项就是因天线与目标相对运动而引起的对运动而引起的DopplerDoppler频移,即:频移,即:随时间呈线性变化。随时间呈线性变化。回波信号是一种线性调频信号,其调制斜率为:回波信号是一种线性调频信号,其调制斜率为:回波信号频率ff00tt发射信号相位(线性相位)回波信号相位(二次相位)t0 点目标点目标p p引起的引起的DopplerDoppler有一个范围,以有一个范围,以 为中为中心向正负两方向变化。当心向正负两方向变化。当 时,天线位置正好时,
6、天线位置正好处在处在p p点与航线的垂直斜距点点与航线的垂直斜距点 ;在;在 时刻以前,时刻以前,其最大值发生在:,其最大值发生在:L Ls s为为p p点所在位置的合成孔径长度,点所在位置的合成孔径长度,T Ts s为合成孔径为合成孔径时间。此时的时间。此时的DopplerDoppler频移为:频移为:在在 时刻以后,时刻以后,为正,为正,f fd d 为负值,其最大为负值,其最大 值发生在值发生在 ,此时的,此时的DopplerDoppler频频移为:移为:那么点目标那么点目标p p的回波的回波DopplerDoppler频移的带宽为:频移的带宽为:由于由于 所以有所以有从线性调频信号的频
7、谱来考察回波信号的特点,即从线性调频信号的频谱来考察回波信号的特点,即这里这里回波信号的包络为幅度归一化的矩形脉冲:回波信号的包络为幅度归一化的矩形脉冲:假定假定 于是有于是有 ,其频谱为:,其频谱为:利用驻定相位原理来计算上述积分。被积函数的利用驻定相位原理来计算上述积分。被积函数的相位为相位为 驻定相位点的时刻驻定相位点的时刻t tk k为:为:表示驻定相位点表示驻定相位点t tk k附近的时刻。附近的时刻。把相位项把相位项 在驻定相位点在驻定相位点t tk k展成幂级数,展成幂级数,用用 表示回波信号的相位表示回波信号的相位 ,有,有在在 很小的条件下,取前三项即可。很小的条件下,取前三
8、项即可。那么,那么,回波信号的相位谱为:回波信号的相位谱为:2 2 从频谱分析、相关、匹配角度看合成孔径原理从频谱分析、相关、匹配角度看合成孔径原理从频谱分析、相关、匹配角度看合成孔径原理从频谱分析、相关、匹配角度看合成孔径原理 地面上有二个点目标地面上有二个点目标p p1 1、p p2 2,它们与飞行航向的垂,它们与飞行航向的垂直斜距相同,均为直斜距相同,均为R R0 0,二者所处方位不同。在,二者所处方位不同。在x x方方向的坐标分别为向的坐标分别为x x1 1、x x2 2。p2(x2)p1(x1)R0rxx=0t=0 x=Lsf00tTs/2Ts 回波信号的回波信号的DopplerDo
9、ppler带宽为:带宽为:,T Ts s是合是合成孔径时间。成孔径时间。p p1 1、p p2 2的区别的区别 多普勒频率变化过程的起始点多普勒频率变化过程的起始点和终点不同。和终点不同。设设p p1 1的回波信号的多普勒频率变化过程起始点为的回波信号的多普勒频率变化过程起始点为 ;目标目标p p2 2和和p p1 1的直线距离为:的直线距离为:,则,则p p2 2的回的回波信号多普勒频率变化的起始点为:波信号多普勒频率变化的起始点为:因为因为v va a是常数,所以如果能够区分出是常数,所以如果能够区分出 t t也就是能分也就是能分辨辨 x x。从频域角度看:在同一时刻二个回波信号从频域角度
10、看:在同一时刻二个回波信号的瞬时频率不一样,在的瞬时频率不一样,在t t 时刻飞机的位置为时刻飞机的位置为 对于对于p p1 1:对于对于p p2 2:二者之差为:二者之差为:如果能够分辨这个频率差,也就能分辨如果能够分辨这个频率差,也就能分辨 x x。分辨频率或分辨时间的途径:混频和相关分辨频率或分辨时间的途径:混频和相关 混频:采用一个具有同样调频斜率的线性调频信混频:采用一个具有同样调频斜率的线性调频信 号作为本振信号和二个回波信号号作为本振信号和二个回波信号s sr1r1(t)(t)及及s sr2r2(t)(t)进行混进行混频频 差频差频+和频信号和频信号+低通滤波低通滤波 得到二个恒
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