合成孔徑雷達影像成像及都普勒參數估測改良

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姓名

李鈺傑(Yu-Chieh Lee) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

合成孔徑雷達影像成像及都普勒參數估測改良
(Synthetic Aperture Radar Imaging and Improvement Doppler Parameter Estimation)

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摘要(中)

合成孔徑雷達藉由雷達天線的移動，分析雷達與目標物的相對運動，處理雷達回波訊號的資料，藉此合成大的天線孔徑，以提高雷達的解析度。本論文首先介紹兩種合成孔徑雷達的成像演算法的流程，包含基本距離都卜勒演算法以及鳥鳴刻度演算法，利用機載雷達及衛載雷達的參數，模擬單點目標物的成像，並將模擬數據與成像標準做比較，機載雷達在斜視角7度，衛載雷達在斜視角6度可以得到合乎要求的峰值副瓣比。在雷達成像演算法中，都卜勒參數的估測是不可或缺的一環，都卜勒參數的誤差會導致雷達影像成像品質下降，為了降低雜訊對估測造成的影響，我們使用距離壓縮後的回波信號，搭配選擇性區間篩選出高能量的雷達資料，分別以多視互相關演算法及多視互乘頻率演算法進行點目標物的都卜勒參數估測，可得到較為準確的估測結果。根據參考文獻[1]，我們正確地判讀並萃取出RADARSAT-1的原始回波訊號及雷達發送訊號，利用RADARSAT-1的雷達訊號進行成像演算法及都卜勒參數估測的驗證，根據回波的頻譜失真程度，篩選可信賴的都卜勒基頻估測值，降低都卜勒基頻估測值誤差約二十赫茲，並且以回波的平均頻譜能量加權都卜勒歧義估測值，提高都卜勒歧義估測值的準確率。為了達成合成孔徑雷達的即時成像，必須使用硬體加速實現合成孔徑雷達成像演算法訊號以提升訊號處理的效率，由於雷達訊號的動態範圍非常大，我們使用客製化浮點數的形式設計雷達訊號處理的硬體架構，利用RADARSAT-1的雷達訊號決定分別以6位元及10位元表示客製化浮點數中整數位及小數位的位元數，並以10次迭代的座標旋轉數字計算來實現雷達成像演算法中的複數乘法，最終可達55dB的訊號量化雜訊比。

摘要(英)

Synthetic Aperture Radar (SAR) synthesizes a large aperture to improve image resolution by moving the radar antenna and using signal processing techniques. This thesis introduces data flow of two SAR imaging algorithms, Range Doppler Algorithm (RDA) and Chirp Scaling Algorithm (CSA). A point target environment is simulated by using aircraft and satellite SAR parameters. The requirement of PSLR can be satisfied with squint angle smaller than 6 degrees for satellite SAR imaging and 7 degrees for aircraft SAR imaging. Doppler parameter estimation is essential in SAR imaging algo-rithm. The error of Doppler parameter estimation lowers the quality of SAR image. Using range-compressed radar signals with selective window technique helps to choose the region with large signal strength, which can improve the estimation accu-racy by the Multilook Beat Frequency (MLBF) algorithm. We use data of RADARSAT-1 to verify the SAR imaging algorithm and Doppler parameter estimation algorithm. The whole data of RADARSAT-1 are divided into several chunks to evaluate the relia-bility of estimated Doppler parameter by analyzing the symmetry of spectrum and the SNR level. The weighted combination of the Doppler ambiguity is used, which improves the correctness of detection. In order to implement real-time SAR imaging, the data quantization during the RDA flow is evaluated. The customized float-ing-point representation is employed with 10-bit mantissa for the FFT/IFFT processing. The complex multiplication can be realized by 10-stage CORDIC rotation to support 55dB output SNR.

關鍵字(中)

★ 合成孔徑雷達
★ 都卜勒參數估測

關鍵字(英)

★ Synthetic Aperture Radar
★ Doppler Parameter Estimation

論文目次

摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
表目錄 v
圖目錄 vi
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
第二章合成孔徑雷達成像演算法模擬與比較 4
2.1 合成孔徑雷達演算法 4
2.1.1 基本距離都卜勒演算法(Range Doppler Algorithm, RDA) 6
2.1.2 鳥鳴刻度演算法(Chirp Scaling Algorithm, CSA) 10
2.2 雷達相關參數 13
2.3 雷達成像模擬與比較 14
第三章都卜勒參數估測 18
3.1 都卜勒參數估測演算法改良 18
3.1.1 使用距離壓縮後的回波 18
3.1.2 使用距離壓縮後的回波 22
3.1.3 選擇性區間 24
3.2 都卜勒質心誤差影響 28
3.2.1 成像中心參考點 28
3.2.2 成像有效區間 29
3.3 都卜勒質心誤差容忍度 30
第四章真實衛載雷達影像處理 35
4.1 RADARSAT-1 資料流 35
4.2 RADARSAT-1 資料萃取 36
4.2.1 RADARSAT-1 相關參數 37
4.2.2 RADARSAT-1 原始資料解讀 37
4.2.3 RADARSAT-1 原始回波訊號及雷達發送訊號萃取 38
4.2.4 RADARSAT-1 資料型態轉換 40
4.3 RADARSAT-1 都卜勒參數估測 40
4.3.1 都卜勒基頻質心估測 40
4.3.2 都卜勒歧義值估測 45
4.4 RADARSAT-1 都卜勒參數估測信賴指數 47
4.4.1 訊雜比(Signal to Noise Ratio, SNR) 47
4.4.2 回波頻譜失真度 50
4.4.3 回波對比度 59
4.4.4 都卜勒參數估測及信賴指數資料流 62
4.5 RADARSAT-1 成像模擬 62
第五章硬體架構評估 71
5.1 影像訊雜比與失真程度 71
5.2 真實雷達資料動態範圍 71
5.2.1 真實雷達資料之整數部分 71
5.2.2 真實雷達資料之客製化浮點數 81
5.3 複數乘法器硬體架構 82
5.3.1 複數乘法搭配查表法 82
5.3.2 座標旋轉數字計算旋轉模式 84
5.3.3 複數乘法器硬體架構比較 88
第六章結論 90
參考文獻 91

參考文獻

[1] Ian G. Cumming, Frank H. Wong , Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation, Artech House, 2005.
[2] WANG, Wei, et al., “High squint mode SAR imaging using modified RD algorithm,” IEEE China Summit and International Conference on Signal and Information Processing, pp. 589-592, 2013.
[3] ERUP, Lars; GARDNER, Floyd M.; HARRIS, Robert A., “Interpolation in digital modems. II. Implementation and performance,” IEEE Transactions on communications, pp. 998-1008, 1993.
[4] W. Li, J. Yang, Y. Huang, "Improved Doppler parameter estimation of squint SAR based on slope detection," Int. J. Remote Sens. 2014, 35, 1417–1431.
[5] S. Jiao and W. Dong, "SAR Image Quality Assessment Based on SSIM Using Textural Feature," 2013 Seventh International Conference on Image and Graphics, Qingdao, 2013, pp. 281-286
[6] 莊博仁, "合成孔徑雷達成像演算法及都普勒參數估測之研究," 碩士論文, 國立中央大學電機工程學系, 2019.

指導教授

蔡佩芸(Pei-Yun Tsai)

審核日期

2020-7-24

推文