星载高轨合成孔径雷达成像球面地表效应分析

作     者：郭淑婷 邓钱钰 王纪平 毛新华 GUO Shuting;DENG Qianyu;WANG Jiping;MAO Xinhua

作者机构：南京航空航天大学电子信息工程学院雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室江苏南京211106 

出 版 物：《信号处理》 (Journal of Signal Processing)

年 卷 期：2025年第41卷第1期

页      面：55-69页

核心收录：

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家自然科学基金(62071225) 上海航天科技创新基金(SAST2022-066,SAST2023-029) 

主　　题：高轨合成孔径雷达 球面地表效应 弯曲轨道 距离-多普勒 二次相位误差 

摘      要：星载高轨合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)具有短时重访周期和大范围测绘能力,在军事和民用中都具有独特的优势。然而,高轨SAR的成像几何也更加复杂,较长的合成孔径时间使得轨道的弯曲效应不可忽视,宽大的波束覆盖范围也导致平面地表假设不再适用,因此必须考虑球面地表效应对成像的影响。本文从简单的直线轨迹和更具有现实意义的曲线轨迹两方面对成像出现的几何失真和散焦进行分析。首先,假设雷达短时间内做直线运动,由“距离-多普勒关系得到成像平面与弯曲地表的位置映射关系,并通过回波历程分析得到直线轨迹时聚焦良好。然后,在曲线轨迹情况下,同样根据“距离-多普勒关系解决了高轨SAR由于球面地表效应导致的几何失真问题。另外,基于对球面地表真实目标和成像域内像素点的距离历程分析,得到回波的二次相位误差,该误差导致雷达运行在弯曲轨道时成像出现散焦,而且由于该误差相位与成像场景宽度呈正相关,散焦会随着合成孔径时间的增长以及成像场景的扩大而愈加明显,具有显著空变性。接着,通过对相位误差进一步分析得到有效成像半径。最后,利用仿真实验对球面地表与成像平面的映射关系和成像散焦特性进行了验证。本文解决了由于地表弯曲效应带来的成像几何失真问题,得到了雷达运行在曲线轨迹时造成成像出现散焦的二次相位误差,为后续的基于该误差相位的补偿成像算法研究提供了便利。