基于回波数据的圆迹SAR高精度三维成像处理方法研究

This study is to develop the high precision circular SAR 3-D imaging technique based on the echo signal to solve the key problems that circular SAR 3-D imaging technique has faced. First, to release the need of DEM got from other instruments, the echo signal based circular SAR DEM extraction method will be studied to offer parameters for image formation. Secondly, the isotropic assumption only holds true for a limited azimuth angle of circular SAR geometry, and the coherent processing over the full aperture is not the best image formation strategy, so the auto-adaptive image formation method will be studied to obtain image of maximum signal-to-noise ratio. The third, high quality circular image depends on the high demand of the radar position measurement accuracy, and the echo signal based motion compensation method will be studied to ensure the image quality. Finally, the validation experiments will be carried out. This study is to lay the theoretical and technical foundation for the development of circular SAR from experiments to practical applications.

本项目针对圆迹SAR三维成像处理的难点和关键问题开展基于回波数据的高精度圆迹SAR三维成像处理方法研究。针对现有成像处理依赖于外源DEM数据的问题，研究基于回波数据的圆迹SAR DEM提取方法，为圆迹SAR成像处理提供参数；针对圆迹SAR大角度观测几何下，目标各向同性假设仅在一定角度范围内成立，全孔径相干成像处理影响图像信噪比的问题，研究随目标散射特性自适应的聚焦成像方法，以获取最高信噪比图像；针对圆迹SAR对雷达位置的高测量精度要求问题，研究基于回波数据的圆迹SAR高精度运动补偿方法，以保证聚焦质量；并开展可控环境的原理性实验验证及实际机载数据验证，以期进一步完善圆迹SAR三维成像理论和处理方法，为圆迹SAR由试验迈向实际应用奠定理论和技术基础。

圆迹SAR具有全方位观测、高分辨、三维重建等优势，是实现SAR精细观测的一种有效手段。国际上有多家研究机构开展了机载圆迹SAR实验，其中德宇航和中科院电子所分别获取了自然场景的机载圆迹SAR全方位观测图像，展示了其在目标精细特征描述方面的巨大应用潜力。.然而，圆迹SAR与常规直线SAR在成像机理方面存在的巨大差异给其成像处理带来了很大挑战，本项目主要围绕圆迹SAR三维成像处理的三个关键技术开展了基于回波数据的圆迹SAR高精度三维成像方法研究：. 1）针对现有成像处理依赖于外源DEM数据，影响方法实用性问题，针对不同应用条件，提出了三类基于回波数据的圆迹SAR 高程提取方法，为圆迹SAR成像处理提供输入参数：包括基于立体像对的方法，可用于大面积平坦区域成像；基于目标几何先验信息的方法，适用于结构简单的典型目标的精处理，如建筑物、输电线等；基于干涉圆迹SAR方法，适用于结构复杂的典型目标精处理。. 2）针对圆迹SAR大角度观测几何下，目标散射非各向同性，全孔径相干成像造成图像信噪比恶化、目标主要散射特征不准确、方位散射信息损失问题，提出了两类非各向同性目标的聚焦成像方法：一种是基于电磁仿真模型的相干角估计方法，适用于散射单元的散射特性已知的目标；另一种是基于回波数据散射响应提取的自适应成像方法，适用于任意目标。上述方法将估计得到的非各向同性目标的相干角信息用于成像，获得高质量聚焦图像。. 3）针对圆迹SAR对雷达位置的高测量精度、长时间稳定性要求问题，提出了两种圆迹SAR高精度运动补偿方法，以保证聚焦精度：一种是基于特显点图像域相位误差估计的圆迹SAR自聚焦算法，适用于成像区域尺寸相对于观测距离较小，相位误差空变性可忽略的情况；另一种是基于多标志点的圆迹SAR高精度轨迹反演方法，该方法考虑了相位误差的空变性，适用于整个大尺寸区域的有效聚焦。. 本项目利用已有的P波段圆迹SAR数据以及项目执行期间设计获取的金属坦克模型暗室转台实验数据对所提出的理论和方法进行了有效性验证。本项目的研究将为进一步深入开展基于圆迹SAR的目标精细特征描述研究提供理论和技术基础。