合成孔徑雷達成像演算法及都普勒參數估測之研究

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莊博仁(Po-Jen Chuang) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

合成孔徑雷達成像演算法及都普勒參數估測之研究
(Study on Synthetic Aperture Radar Imaging Algorithm and Doppler Parameter Estimation)

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摘要(中)

合成孔徑雷達是一種常被應用在執行遙測任務的雷達系統，而此雷達系統藉由雷達天線的移動來合成一個大孔徑的真實天線，藉此得到更好的影像解析度。為了追求更好的解析度，本論文主要研究合成孔徑雷達常用的成像演算法與都普勒質心估測，在成像演算法方面，我們比較了不同的二次距離方向壓縮與所提出的距離區塊獨立之二次距離壓縮法對成像演算法的效能影響，而我們會以距離都普勒成像演算法配上不同的二次距離方向壓縮法來觀察成像結果，同時，估計每個二次距離方向壓縮方法的計算量，另外，我們也會介紹鳥鳴刻度成像演算法的步驟，並且與距離都普勒成像演算法比較其成像結果，而在成像步驟的距離偏移修正中，距離都普勒成像演算法主要以內插器逐點修正距離與方位方向的取樣點，而鳥鳴刻度成像演算法會以相位乘法一次修正擁有同樣都普勒頻率的目標物之距離偏移，但是所需的相位乘法參數需隨時而變化，因此，需要評估並比較距離都普勒成像演算法與鳥鳴刻度成像演算法在計算複雜度與效能上的差異。而在都普勒質心估測演算法方面，主要觀察三個都普勒質心估測演算法在不同場景與不同訊雜比下，估測出的都普勒質心之正確性，並以分析回波之特徵，來判定該次的都普勒質心估測是否為可信任的結果。

摘要(英)

Synthetic Aperture Radar (SAR) is a radar system that is often used to perform telemetry tasks. This radar system synthesizes a large aperture to improve image resolution by moving the radar antenna. In order to pursue better resolution, this paper mainly implements the imaging algorithms and Doppler centroid estimation commonly used. In terms of imaging algorithm, we compare different secondary range compression method and proposed compression method. We will use the range Doppler algorithm with different secondary range compression method to compare the imaging performance and the computational complexity with different secondary range compression method. In addition, we will also introduce the chirp scaling algorithm, and compare the imaging performance with the range Doppler algorithm. In the range cell migration correction, the range Doppler algorithm mainly uses the interpolator to correct the position of sampling point in the range and azimuth direction point by point, while the chirp scaling algorithm correct the position of sampling points with the same Doppler frequency by phase multiplication. The parameters of phase multiplication change with time, therefore, we have to evaluate the imaging performance and the computational complexity when we select the imaging algorithm. In the part of the Doppler centroid estimation algorithm, first of all, we will check the correctness of the Doppler centroid estimation in different scenarios and in different signal-to-noise, and then, we can determine whether the Doppler centroid estimation results can be used for imaging algorithms by analyzing the characteristics of the received signal.

關鍵字(中)

★ 合成孔徑雷達成像演算法
★ 都普勒參數估測

關鍵字(英)

論文目次

摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
表目錄 v
圖目錄 vii
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 1
1.3 論文組織 2
第二章掃描式合成孔徑雷達系統 3
2.1 掃描式合成孔徑雷達回波訊號 3
2.1.1 發射波訊號形式 4
2.1.2 回波訊號形式 6
2.2 凱澤窗(Kaiser window) 11
2.3 內插器 14
2.4 規格簡介 16
2.5 用於模擬之場景假設 22
第三章合成孔徑雷達成像演算法 27
3.1 基本距離都普勒演算法(Basic Range Doppler Algorithm, Basic RDA) 27
3.1.1 距離方向壓縮 28
3.1.2 距離偏移修正 28
3.1.3 方位方向壓縮 30
3.2 二次距離壓縮(Secondary Range Compression, SRC) 31
3.2.1 理想二次距離壓縮(SRC Option 1) 32
3.2.2 距離簡化之二次距離壓縮(SRC Option 2) 33
3.2.3 距離與都普勒頻率簡化之二次距離壓縮(SRC Option 3) 34
3.2.4 距離區塊獨立之二次距離壓縮(SRC Segment) 35
3.2.5 二次距離壓縮法之比較 36
3.3 三階二次距離壓縮(Third-Order Secondary Range Compression, TRC) 40
3.4 鳥鳴刻度演算法(Chirp Scaling Algorithm, CSA) 46
3.4.1 鳥鳴刻度對不同距離之偏移修正 48
3.4.2 距離方向壓縮與二次距離壓縮與二次距離壓縮 50
3.4.3 方位方向壓縮與殘餘相位修正 52
3.4.4 加入三階之二次距離壓縮 53
3.5 由演算法效能決定接收器之接收時間與計算複雜度比較 56
3.5.1 由演算法效能決定接收器之接收時間 56
3.5.2 計算複雜度比較 57
第四章都普勒質心估測 60
4.1 都普勒質心 60
4.2 都普勒基頻質心估測 60
4.2.1 以回波能量估測都普勒基頻質心 60
4.2.2 以回波相位估測都普勒基頻質心 64
4.3 都普勒歧義值估測 70
4.3.1 波長差異演算法(The Wavelength Diversity Algorithm, WDA) 70
4.3.2 多視互相關演算法(Multilook Cross Correlation Algorithm, MLCC) 75
4.3.3 多視互乘頻率演算法(Multilook Beat Frequency Algorithm, MLBF) 77
4.4 以場景特性評斷都普勒估測之結果 80
4.4.1 回波的訊號雜訊比 94
4.4.2 回波的波形失真度 96
4.4.3 回波的對比度 101
4.4.4 評斷都普勒估測結果之程序 103
第五章結論 104
參考文獻 105

參考文獻

[1] I. G. Cumming, Frank H. Wong, Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation, Artech House, 2005.
[2] 邱偉哲, “電腦模擬掃描式人造二維合成孔徑雷達影像資料之產生與處理,” 中央大學, 2012.
[3] S. W. McCandless, SAR in space, The theory, design, engineering and application of a space-based SAR system, Norwood: Artech House, 1989.
[4] J. F. KAISER, “Nonrecursive digital filter design using the I_0-sinh window function,” 1974, pp. 20-23.
[5] L. Erup, F. M. Gardner, R. A. Harris, “Interpolation in digital modems. II. Implementation and performance,” IEEE Transactions on communications, pp. 998-1008, 1993.
[6] 許欣哲, “合成孔徑雷達基頻接收機之FPGA設計與實現,” 中央大學, 2013.
[7] C. Hu, Y. Tian, T. Zeng, T. Long, X. Dong, “Adaptive Secondary Range Compression Algorithm,” IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, pp. 1397-1413, 4 9 2015.
[8] W. Wang, W. Wu, W. Su, R. Zhan, J. Zhang, “High squint mode SAR imaging using modified RD algorithm,” 2013, pp. 589-592.
[9] I. G. Cumming, “A spatially selective approach to Doppler estimation for frame-based satellite SAR processing,” IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, pp. 1135-1148, 2004.
[10] Z. Zhang, Z. Jiang, X. Meng, S. Cheng, W. Sun, “Research on prediction method of api based on the enhanced moving average method.,” 2012, pp. 2388-2392.

指導教授

蔡佩芸

審核日期

2019-7-23

推文