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干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)是SAR二维成像技术的发展与延伸,通过多个天线同时观测地面同一区域,利用干涉相位差提取地面三维高程信息,有广泛的军事和民用价值。干涉SAR信号仿真技术在系统指标设计及验证,检验SAR成像处理和干涉处理算法性能,以及干涉性能分析等方面具有重要的意义。本论文针对柔性基线干涉SAR系统信号仿真技术进行了深入的研究。重点从干涉SAR去相干性仿真、干涉SAR回波仿真算法、考虑地形和考虑运动误差的干涉SAR信号仿真方法四个方面展开研究。论文主要内容及创新点如下:
1.论文围绕干涉SAR系统中散射系数差异、系统误差、热噪声、模糊噪声和量化噪声等去相关效应进行了分析和仿真建模。重点分析了散射系数去相关,提出了一种新的相关性后向散射模型。模型利用主通道散射系数实部和虚部,通过引入一组满足要求的独立分布随机数控制双通道散射系数间相关性,生成副通道复散射系数。仿真结果表明本方法能够产生已知相关性的复后向散射系数对。
2.为了解决当前回波仿真精度和效率的矛盾,从算法本身和硬件加速两个方面对回波算法展开研究。一方面提出了一种基于混合域的SAR回波快速算法。该算法利用空变的系统传递函数参与计算,沿距离时域积分计算回波信号二维频谱,从而实现了回波信号的精确仿真。该算法不存在任何的公式近似,在保证较高的仿真效率的同时,提高了二维频域算法的相位仿真精度。另一方面利用高性能并行运算设备GPU实现了一种干涉SAR回波快速模拟。针对常用的回波算法设计了相应的并行模拟方案,详细分析并解决了方案实现过程中存在线程划分、计算精度和内存竞写等问题。分别从算法正确性、加速性能和仿真精度三个方面对算法进行了仿真验证,结果表明基于GPU的并行回波模拟在高精度仿真回波的同时能够大幅度提高仿真效率。
3.目前干涉SAR仿真中很少考虑地形起伏导致的几何畸变效应,特别是叠掩现象,基于此本论文提出了一种考虑地形起伏的干涉SAR信号仿真方法。从几何畸变产生机理出发,分析了一般几何畸变仿真方法中由于有限散射点导致回波幅度变化不连续现象。为解决此问题,提出一种基于目标信息重采样的几何畸变仿真算法,依据斜距曲线进行分段插值,使得散射点近距能刚好被雷达采集到,改善了有限散射点导致的回波幅度变化不连续问题,提高了回波仿真的精度。
4.在运动误差仿真方面,首先提出了一种融合POS运动数据的机载干涉SAR运动误差仿真方法,通过坐标转换将POS数据中载机位置信息和姿态信息融合到干涉SAR回波模拟中,实现了考虑实际运动误差的干涉SAR回波仿真；针对柔性基线干涉SAR系统中两种最为重要的两种运动误差——基线抖动和波束指向抖动分别进行了回波仿真建模和相干性能分析建模,揭露了运动误差对系统相干性能的影响规律。针对不同的抖动参数进行了大量的仿真实验,结果验证了理论模型的正确性。
5.综合本文主要的研究成果,基于MicroSoft VC++2005设计出一套干涉SAR信号仿真软件,并对软件进行了InSAR信号仿真测试。