RD成像算法分析RD成像算法分析摘 要本文是雷達(dá)成像原理的第一次課程作業(yè)。在此次作業(yè)中我完成了對已提供RD算法的Matlab程序的分析，并且根據(jù)自己對該算法的理解重新編寫了Matlab程序，用它對RADARSAT-1的真實回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像實驗。本文分三部分：第一部分對經(jīng)典RD算法做了一個簡單的介紹；第二部分對已提供RD算法的Matlab程序進(jìn)行了分析；第三部分用自己編寫的RD算法的Matlab程序?qū)ADARSAT-1的真實回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像實驗，并給出了實驗結(jié)果。- 8 -一、 經(jīng)典RD算法簡介RD（Range Doppler）算法是一種非常經(jīng)典的SAR成像算法。雖然它有著比較長的歷史，但它鮮明的特點使得它能“長盛不衰”，在一些SAR系統(tǒng)中，它是一種實際采用的成像算法。經(jīng)典的RD算法只考慮了相位展開的一次項，它分為三個步驟：距離壓縮（Range Compression，RC）、距離遷移校正（Range Cell Migration Correction，RCMC）和方位壓縮（Azimuth Compression，AC）。其中RCMC既可以在Range-Doppler域完成，也可以在Frequency-Azimuth Range域完成。它的流程如圖 1所示。回波數(shù)據(jù)距離向FFT距離匹配函數(shù)距離向IFFT方位向FFT方位匹配函數(shù)方位向IFFTSAR圖像FFTFFT回波數(shù)據(jù)距離向FFT距離向IFFT方位向FFT方位向IFFTSAR圖像RCMC距離匹配函數(shù)方位匹配函數(shù)FFTFFT線性相位函數(shù)（a）Range-Doppler域RCMC（b）Frequency-Azimuth Range域RCMC圖 1 經(jīng)典RD算法流程圖二、 RD算法的Matlab程序分析已提供的RD算法Matlab程序是嚴(yán)格基于圖 1（a）中的流程進(jìn)行編寫的。由于該程序并沒有特別新穎的地方，所以本文只利用該程序?qū)D算法作進(jìn)一步的理解，而將工作重點主要放在對RADARSAT-1真實回波數(shù)據(jù)的成像上。該程序可以分為六個小部分：設(shè)定參數(shù)、模擬回波、RC、RCMC、AC以及結(jié)果顯示。1、 設(shè)定參數(shù)該程序是在空域中實現(xiàn)SAR成像的，所以距離是基本的度量單位。程序采用的坐標(biāo)系如圖 2所示。y/mx/mAzimuthRange圖 2 程序采用的坐標(biāo)系其中一些重要變量和表達(dá)式的意義見表 1（若程序中有明確注釋，在此不予列出）。表 1 變量和表達(dá)式意義變量/表達(dá)式意義Xc測繪帶中心距離2*X0測繪帶寬2*Y0方位向上接收回波的距離2、 模擬回波程序假定了5個點目標(biāo)，并且它們對電磁波的反射能力是相同的，它們各自回波的線性迭加就構(gòu)成了仿真的SAR回波數(shù)據(jù)，其幅值如圖 3所示。圖 3 回波幅值圖3、 RC進(jìn)行RC時先產(chǎn)生距離向上所發(fā)射的LFM信號，然后對其作FFT得到發(fā)射信號的頻譜，根據(jù)匹配濾波器的原理，它的共軛就是距離向上匹配濾波器的頻譜。將匹配濾波器的頻譜與回波沒距離向的FFT相乘進(jìn)行匹配濾波，再將結(jié)果作IFFT就完成了RC。其流程見圖 1（a）中相應(yīng)部分。RC后的數(shù)據(jù)的幅值圖如圖 4所示。圖 4 RC后的幅值圖從圖 4可以明顯的看出，RC后的圖像在距離向上有明顯的遷移，所以要進(jìn)行RCMC。4、 RCMC由于算法只考慮了相位展開中的一線性項，故RCM只是距離的線性函數(shù)。程序是通過Sinc插值來補償RCM的。插值的運算量是比較大的。RCMC后的幅值圖如圖 5所示。圖 5 RCMC后的幅值圖5、 ACAC的步驟和RC是一樣的。也是先產(chǎn)生方位向上的LFM信號，然后進(jìn)行匹配濾波，其流程見圖 1（a）中相應(yīng)部分，在這里就不多加表述了。完成這一步后就得到了最終的SAR圖像，如圖 6所示。圖 6 SAR圖像三、 RADARSAT-1真實回波數(shù)據(jù)成像實驗如果要用已提供的程序?qū)ADARSAT-1的真實回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，在參數(shù)方面要做較大的修改，為了更好的理解RD算法，本文針對RADARSAT-1回波數(shù)據(jù)的特點重新編寫了RD算法的Matlab程序，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了成像實驗。RADARSAT-1是將回波數(shù)據(jù)進(jìn)行自動增益控制（AGC）后，以CEOS的格式進(jìn)行文件存儲的。所以先要從CEOS格式文件中讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行AGC還原后才能得到真正的回波數(shù)據(jù)。在不引起混淆的情況下，下文中的回波數(shù)據(jù)是指RADARSAT-1的經(jīng)過以上兩個步驟后獲得的真正回波數(shù)據(jù)。得到回波數(shù)據(jù)后，本文是按圖 1（b）所示的流程來實現(xiàn)RD算法的。算法所需的RADARSAT-1的參數(shù)是從Ian Cumming等所著Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data一書及其相關(guān)Matlab程序中得到的。本文在Matlab R2006b（Matlab 7.3.0）編寫和調(diào)試的程序，程序文件名為RADARSAT_RDA_Imaging.m。由于程序中注釋比較詳盡，在此不對程序本身作過多的說明，只對RD算法本身的關(guān)鍵步驟加以分析。圖 7是回波數(shù)據(jù)經(jīng)過RC后的幅值圖，從圖中可以看到一些明亮的條紋，它們表明了在回波數(shù)據(jù)中有強散射目標(biāo)。但是這些條紋并不與方位向平行，而是有一定的傾斜，這種傾斜就是由于距離遷移造成的，所以需要進(jìn)行RCMC。圖 8是RCMC的幅值圖，從圖中可以看到圖 7中的斜條紋現(xiàn)在已基本與方位向平行了，說明算法中的RCMC是十分有效的。圖 7 RC后的幅值圖圖 8 RCMC后的幅值圖在進(jìn)行AC時，理論上方位向上的匹配濾波器的調(diào)頻斜率是與距離的關(guān)系的，但是對于星載SAR來說這二者的關(guān)系不是很明顯。所以在一些應(yīng)用場合下可以用某一固定距離下的匹配濾波器來對方位向進(jìn)行脈沖壓縮。圖 9是用最近距離下的匹配濾波器來對整個實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行AC后的幅值圖。為了作一對比，圖 10是用與距離相對應(yīng)的匹配濾波器進(jìn)行AC后的幅值圖，可以發(fā)現(xiàn)圖 9只是在某些細(xì)節(jié)上稍稍遜色于圖 10。圖 11是將不同數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖像進(jìn)行拼接，得到的整個測繪區(qū)域的SAR圖像，從成像質(zhì)量上看經(jīng)典RD算法對星載SAR的成像是比較有效的。當(dāng)然，一般來說，用單純的成像算法得到的SAR圖像質(zhì)量往往是不