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【雷达通信】合成孔径雷达(SAR)的点目标仿真matlab源码

合成孔径雷达系统
  • *SAR原理简介*

用一个小天线作为单个辐射单元,将此单元沿一直线不断移动,在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”,这样可以得到较高的方位向分辨率,同时方位向分辨率与距离无关,这样SAR就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的SAR图像。

                                       图1 SAR成像原理示意图

1、几个参重要参数

为了更好的理解SAR和SAR图像,需要知道几个重要的参数。

  • 分辨率

SAR图像分辨率包括距离向分辨率(Range Resolution)和方位向分辨率(Azimuth Resolution)。

                                                                      图2 距离向和方位向示意图

  • 距离向分辨率(Range Resolution)

垂直飞行方向上的分辨率,也就是侧视方向上的分辨率。距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关,与脉冲持续时间成正比:

Res( r) = c*τ/2

其中c为光速,τ为脉冲持续时间。

  • 方位向分辨率(Azimuth Resolution)

沿飞行方向上的分辨率,也称沿迹分辨率。如下为推算过程:

• 真实波束宽度: β= λ/ D

• 真实分辨率:ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)

• 合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)

• 合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2

其中λ为波长,D为雷达孔径,R为天线与物体的距离。

   从这个公式中可以看到,SAR系统使用小尺寸的天线也能得到高方位向分辨率,而且与斜距离无关(就是与遥感平台高度无关)。

                                                                     图3 方位向分辨率示意图

  • 极化方式

雷达发射的能量脉冲的电场矢量,可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长,雷达信号可以传送水平(H)或者垂直(V)电场矢量。接收水平(H)或者垂直(V)或者两者的返回信号。雷达遥感系统常用四种极化方式———HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化,后两者为异向(交叉)极化。

极化是微波的一个突出特点,极化方式不同返回的图像信息也不同。返回同极化(HH或者VV)信号的基本物理过程类似准镜面反射,比如,平静的水面显示黑色。交叉极化(HV或者VH)一般返回的信号较弱,常受不同反射源影响,如粗糙表面等。

                                                                                图4 HV极化示意图

入射角也叫视角,是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角(如下图中的θ)。微波与表面的相互作用是非常复杂的,不同的角度区域会产生不同的反射。低入射角通常返回较强的信号,随着入射角增加,返回信号逐渐减弱。

根据雷达距离地表高度的情况,入射角会随着近距离到远距离的改变而改变,依次影响成像几何。\  

                                                                       图5 SAR入射角示意图

2、SAR拍摄模式

SAR主要有三种拍摄模式:Stripmap,ScanSAR和 Spotlight。

当然最新的SAR系统拥有更多的拍摄模式,比如RADARSAT-2还用于超精细、高入射角等拍摄模式

当运行Stripmap 模式时,雷达天线可以灵活的调整,改变入射角以获取不同的成像宽幅。

最新的SAR系统都具有这种成像模式,包括RADARSAT-1/2, ENVISAT ASAR, ALOS PALSAR,TerraSAR-X-1, COSMOSkyMed和RISAT-1。

扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间,最后获取一个完整的图像覆盖区域。它能解决Stripmap模式较小的刈幅。

当执行聚束模式采集数据时,传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。

它与条带模式主要区别为:

  1. 在使用相同物理天线时,聚束模式提供更好的方位分辨率;

  2. 在可能成像的以一个区域内,聚束模式在单通道上的提供更多的视角;

  3. 聚束模式可以更有效的获取多个小区域。

    1.                                                                          图8聚束模式

  1. %%================================================================
  2. %%Filename: stripmapSAR.m
  3. %%Help file: stripmapSAR.doc
  4. %%Project: Stripmap SAR Simulation using point targets and Reconstrction
  5. %% with Range-Doppler Algorithm
  6. %%Author: Zhihua He ,National University of Defence Tecnology ,2005/3
  7. %%E-mail: skynismile@yahoo.com.cn
  8. %%================================================================
  9. clear;clc;close all;
  10. %%================================================================
  11. %%Parameter--constant
  12. C=3e8; %propagation speed
  13. %%Parameter--radar characteristics
  14. Fc=1e9; %carrier frequency 1GHz
  15. lambda=C/Fc; %wavelength
  16. %%Parameter--target area
  17. Xmin=0; %target area in azimuth is within[Xmin,Xmax]
  18. Xmax=50;
  19. Yc=10000; %center of imaged area
  20. Y0=500; %target area in range is within[Yc-Y0,Yc+Y0]
  21. %imaged width 2*Y0
  22. %%Parameter--orbital information
  23. V=100; %SAR velosity 100 m/s
  24. H=5000; %height 5000 m
  25. R0=sqrt(Yc^2+H^2);
  26. %%Parameter--antenna
  27. D=4; %antenna length in azimuth direction
  28. Lsar=lambda*R0/D; %SAR integration length
  29. Tsar=Lsar/V; %SAR integration time
  30. %%Parameter--slow-time domain
  31. Ka=-2*V^2/lambda/R0; %doppler frequency modulation rate
  32. Ba=abs(Ka*Tsar); %doppler frequency modulation bandwidth
  33. PRF=Ba; %pulse repitition frequency
  34. PRT=1/PRF; %pulse repitition time
  35. ds=PRT; %sample spacing in slow-time domain
  36. Nslow=ceil((Xmax-Xmin+Lsar)/V/ds); %sample number in slow-time domain
  37. Nslow=2^nextpow2(Nslow); %for fft
  38. sn=linspace((Xmin-Lsar/2)/V,(Xmax+Lsar/2)/V,Nslow);%discrete time array in slow-time domain
  39. PRT=(Xmax-Xmin+Lsar)/V/Nslow; %refresh
  40. PRF=1/PRT;
  41. ds=PRT;
  42. %%Parameter--fast-time domain
  43. Tr=5e-6; %pulse duration 10us
  44. Br=30e6; %chirp frequency modulation bandwidth 30MHz
  45. Kr=Br/Tr; %chirp slope
  46. Fsr=3*Br; %sampling frequency in fast-time domain
  47. dt=1/Fsr; %sample spacing in fast-time domain
  48. Rmin=sqrt((Yc-Y0)^2+H^2);
  49.  
  50. Refa=exp(j*pi*Ka*ta.^2).*(abs(ta)<Tsar/2);
  51. Sa=iftx(ftx(Sr).*(conj(ftx(Refa)).'*ones(1,M)));
  52. Ga=abs(Sa);
  53. %%================================================================
  54. %%graw the intensity image of signal
  55. colormap(gray);
  56. figure(1)
  57. subplot(211);
  58. row=tm*C/2-2008;col=sn*V-26;
  59. imagesc(row,col,255-Gr); %intensity image of Sr
  60. axis([Yc-Y0,Yc+Y0,Xmin-Lsar/2,Xmax+Lsar/2]);
  61. xlabel('\rightarrow\itRange in meters'),ylabel('\itAzimuth in meters\leftarrow'),
  62. title('Stripmap SAR after range compression'),
  63. subplot(212);
  64. imagesc(row,col,255-Ga); %intensity image of Sa
  65. axis([Yc-Y0,Yc+Y0,Xmin-Lsar/2,Xmax+Lsar/2]);
  66. xlabel('\rightarrow\itRange in meters'),ylabel('\itAzimuth in meters\leftarrow'),
  67. title('Stripmap SAR after range and azimuth compression'),
  68. %%================================================================
  69. %%draw 3D picture
  70. figure(2)
  71. waterfall(real(Srnm((200:205),:)));axis tight
  72. xlabel('Range'),ylabel('Azimuth'),
  73. title('Real part of the raw signal'),
  74. figure(3)
  75. waterfall(Gr((200:205),(600:1000)));axis tight
  76. xlabel('Range'),ylabel('Azimuth'),
  77. title('Stripmap SAR after range compression'),
  78. figure(4)
  79. mesh(Ga((200:300),(750:860)));axis tight
  80. xlabel('Range'),ylabel('Azimuth'),
  81. title('Stripmap SAR after range and azimuth compression'),
  82. %%================================================================
  83. %%draw -3dB contour
  84. figure(5)
  85. a=max(max(Ga));
  86. contour(row,col,Ga,[0.707*a,a],'b');grid on
  87. axis([9995,10050,-20,20]),
  88. xlabel('\rightarrow\itRange in meters'),ylabel('\itAzimuth in meters\leftarrow'),
  89. title('Resolution Demo: -3dB contour');
  90. %%================================================================

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