本书专门论述SAR成像处理算法及其涉及的数字信号处理理论和技术。全书首先讨论了合成孔径雷达基础知识，重点介绍SAR成像处理所涉及的信号处理理论、合成孔径基本概念、合成孔径雷达信号特征分析等；接着讨论SAR成像处理算法、实现及其比较，包括距离－多普勒算法、ChirpScaling算法、Ω－k算法、SPECAN 算法等成像处理算法，此外还论述了宽成像带ScanSAR工作模式的成像处理方法等；最后，本书讨论了SAR成像处理算法中的重要辅助算法，即多普勒参数估计，包括多普勒中心估计和方位调频率估计等。

第一部分 合成孔径雷达基础

第1章 概论 2

1.1 合成孔径雷达背景简介 2

1.2 遥感中的雷达 3

1.3 SAR基础 3

1.4 星载合成孔径雷达传感器 7

1.5 内容概要 9

1.5.1 星载合成孔径雷达图像示例 10

参考文献 11

第2章 信号处理基础 14

2.1 简介 14

2.2 线性卷积 14

2.2.1 连续时间卷积 14

2.2.2 离散时间卷积 16

2.3 傅里叶变换 18

2.3.1 连续时间傅里叶变换 18

2.3.2 离散傅里叶变换 18

2.3.3 傅里叶变换性质 19

2.3.4 傅里叶变换示例 22

2.4 卷积的DFT计算 24

2.5 信号采样 25

2.5.1 采样信号的频谱 25

2.5.2 信号类型 26

2.5.3 奈奎斯特采样率和混叠 28

2.6 平滑窗 32

2.7 插值 33

2.7.1 sinc插值 34

2.7.2 插值核的频谱 37

2.7.3 非基带和复插值 38

2.8 点目标分析 38

2.9 小结 42

2.9.1 金星坑的麦哲伦图像 42

参考文献 43

第3章 线性调频信号的脉冲压缩 45

3.1 概述 45

3.2 线性调频信号 45

3.2.1 时域表达 45

3.2.2 线性调频脉冲的频谱 47

3.2.3 调频信号采样 49

3.2.4 频率和时间不连续性 51

3.3 脉冲压缩 52

3.3.1 脉冲压缩原理 52

3.3.2 线性调频信号的时域压缩 53

3.3.3 频域匹配滤波器 57

3.3.4 窗效应 58

3.3.5 过采样率重定义 60

3.4 匹配滤波器的实现 60

3.4.1 目标定位和匹配滤波器弃置区 63

3.5 调频率失配 64

3.5.1 基带信号中的失配影响 64

3.5.2 非基带信号中的失配影响 66

3.5.3 滤波器失配和时间带宽积 67

3.6 小结 67

3.6.1 ENVISAT/ASAR宽带图像 68

参考文献 69

附录3A 匹配滤波输出的推导 71

附录3B 相位失配误差推导 74

第4章 合成孔径的概念 75

4.1 概述 75

4.2 SAR几何关系 76

4.2.1 术语定义 76

4.2.2 卫星地距几何 79

4.2.3 卫星轨道几何 81

4.3 距离等式 82

4.3.1 距离等式的双曲线模型 83

4.3.2 速度与角度的关系 84

4.4 SAR距离向信号 86

4.4.1 发射脉冲 86

4.4.2 数据获取 87

4.5 SAR方位向信号 88

4.5.1 什么是SAR中的多普勒频率 88

4.5.2 相干脉冲 89

4.5.3 PRF的选择 90

4.5.4 方位向信号强度和多普勒历程 90

4.5.5 方位向参数 92

4.6 二维信号 93

4.6.1 信号存储器中的数据排列 94

4.6.2 解调后的基带信号 96

4.6.3 SAR冲激响应 97

4.6.4 典型雷达参数值 97

4.7 SAR分辨率与合成孔径 98

4.7.1 分辨率的带宽推导 98

4.7.2 合成孔径 100

4.8 小结 101

4.8.1 温哥华岛的窄幅ScanSAR图像 103

参考文献 104

附录4A 近似雷达速度的推导 105

附录4B 正交解调 107

附录4C 合成孔径的概念 111

第5章 SAR信号的性质 115

5.1 简介 115

5.2 低斜视角下的信号频谱 115

5.2.1 距离多普勒域频谱 116

5.2.2 二维频谱 117

5.3 一般情况下的信号频谱 117

5.3.1 距离向傅里叶变换 118

5.3.2 方位向傅里叶变换 119

5.3.3 距离向傅里叶逆变换 121

5.4 方位混叠与多普勒中心 124

5.4.1 方位混叠和模糊的起因 124

5.4.2 多普勒中心 126

5.4.3 多普勒模糊 128

5.4.4 距离向的多普勒中心变化 129

5.5 距离单元徙动 132

5.5.1 RCM的分量 133

5.5.2 同一距离处的多个目标 134

5.5.3 目标轨迹卷绕 135

5.6 点目标示例 136

5.6.1 仿真参数 136

5.7 SAR处理算法初窥 140

5.7.1 时域匹配滤波 140

5.7.2 机载实时处理图像 141

5.7.3 非聚焦SAR 142

5.7.4 更好的处理算法 143

5.8 小结 144

参考文献 145

附录5A 距离向/方位向的耦合 147

附录5B 方位调频率注释 150

第二部分 SAR处理算法

第6章 距离多普勒算法 154

6.1 简介 154

6.2 算法概述 154

6.3 低斜视角下的RDA 156

6.3.1 雷达原始数据 156

6.3.2 距离压缩 157

6.3.3 方位向傅里叶变换 159

6.3.4 距离徙动校正 160

6.3.5 残余RCM导致的展宽 164

6.3.6 方位压缩 166

6.3.7 低斜视下的RADARSAT-1图像 169

6.4 大斜视角情况 170

6.4.1 斜视的处理改进 170

6.4.2 SRC的实现 172

6.4.3 星载和机载中的SRC方式 174

6.4.4 SRC仿真试验 175

6.4.5 机载L波段雷达图像示例 179

6.5 多视处理 179

6.5.1 子视时频关系 180

6.5.2 子视抽取、检测及求和 181

6.5.3 等效视数 183

6.5.4 多视处理示例 183

6.5.5 调频率误差 187

6.5.6 多视处理图像 188

6.6 小结 189

参考文献 190

第7章 Chirp Scaling算法 192

7.1 介绍 192

7.1.1 Chirp Scaling算法概览 192

7.2 Chirp Scaling原理 194

7.3 RCMC中的Chirp Scaling 200

7.3.1 一致RCMC和补余RCMC 200

7.3.2 RCM的精确表达 202

7.4 变标方程推导 203

7.4.1 补余RCM量级示例 205

7.5 CSA处理细节 206

7.5.1 距离处理 206

7.5.2 方位处理 209

7.6 处理示例 210

7.6.1 点目标仿真处理 210

7.6.2 SRTM/X-SAR数据处理 213

7.7 小结 215

参考文献 215

第8章 wK算法 219

8.1 简介 219

8.1.1 wKA概述 219

8.2 参考函数相乘 221

8.3 Stolt插值 223

8.3.1 变量代换 223

8.4 对Stolt映射的理解 226

8.4.1 Stolt映射的组成部分 226

8.4.2 基于傅里叶变换性质的理解 227

8.4.3 基于支持域的理解 230

8.4.4 基于成像几何关系的理解 231

8.5 误差分析 232

8.6 近似wKA 233

8.6.1 近似项 234

8.6.2 与RDA和CSA的关系 235

8.6.3 近似wKA的误差讨论 235

8.7 处理示例 236

8.7.1 完整wKA仿真 236

8.7.2 近似wKA 240

8.7.3 X波段机载聚束雷达图像示例 241

8.8 小结 241

参考文献 243

附录8A 波数域的Stolt映射 245

第9章 SPECAN算法 249

9.1 简介 249

9.1.1 SPECAN算法概述 249

9.2 SPECAN算法的推导 250

9.2.1 SPECAN的卷积推导 251

9.2.2 几何解释 251

9.2.3 混叠与FFT长度 254

9.2.4 输出采样间隔 255

9.2.5 FFT有效输出点数 256

9.2.6 后续FFT位置 258

9.2.7 FFT输出结果的拼接 259

9.3 多视处理 260

9.4 处理效率 262

9.5 距离徙动校正 265

9.5.1 时域线性RCMC 265

9.5.2 数据倾斜与校直 265

9.6 相位补偿 266

9.7 关于图像质量的一些问题 269

9.7.1 拼接点处的频率间断 269

9.7.2 方位调频率误差 271

9.7.3 扇贝辐射效应 273

9.8 处理示例 279

9.8.1 仿真点目标 279

9.8.2 SPECAN算法处理出的ERS图像 281

9.9 小结 282

参考文献 283

第10章 ScanSAR数据处理 285

10.1 简介 285

10.2 ScanSAR数据获取 286

10.3 单一Burst中的目标压缩 289

10.4 全孔径处理算法 291

10.5 SPECAN算法 292

10.6 改进SPECAN算法 293

10.6.1 算法概述 293

10.6.2 SRTM处理示例 296

10.7 SIFFT算法 297

10.8 ECS算法 299

10.9 Burst图像拼接 301

10.10 小结 303

10.10.1 RADARSAT-1的ScanSAR图像 304

参考文献 304

第11章 算法比较 308

11.1 简介 308

11.2 算法精度回顾 308

11.2.1 RDA 308

11.2.2 CSA 308

11.2.3 wKA 308

11.3 处理功能对比 309

11.3.1 距离等式形式 310

11.3.2 方位匹配滤波器的实现 310

11.3.3 RCMC的实现 310

11.3.4 SRC实现 311

11.4 处理误差概述 311

11.4.1 方位匹配滤波器中的QPE 311

11.4.2 SRC中的QPE 312

11.4.3 残余RCM 312

11.4.4 处理误差量级示例 313

11.5 计算开销 315

11.5.1 基本算法运算 315

11.5.2 RDA 316

11.5.3 CSA 317

11.5.4 wKA 317

11.6 算法利弊 318

11.6.1 RDA利弊 318

11.6.2 CSA利弊 318

11.6.3 wKA利弊 319

11.7 小结 319

11.7.1 墨西拿海峡的ASAR图像 320

第三部分 多普勒参数估计

第12章 多普勒中心估计 322

12.1 简介 322

12.1.1 多普勒中心频率 322

12.1.2 星载SAR几何 322

12.1.3 本章概述 324

12.2 多普勒中心精度要求 326

12.2.1 基带中心的精度要求 326

12.2.2 多普勒模糊的精度要求 331

12.3 多普勒中心的几何计算 331

12.3.1 多普勒中心计算示例 334

12.3.2 偏航角和俯仰角控制 335

12.4 基于接收数据的基带中心估计 335

12.4.1 基于幅度的估计方法 336

12.4.2 基于相位的估计方法 339

12.5 基于接收数据的多普勒模糊估计 343

12.5.1 基于幅度的DAR估计方法 343

12.5.2 基于相位的DAR估计方法 346

12.5.3 多波长算法 348

12.5.4 多视互相关法 351

12.5.5 多视差频法 355

12.5.6 PRF变调法 358

12.5.7 DAR算法比较 358

12.6 全局估计原理 360

12.6.1 空间变化检测 360

12.6.2 估计器质量检测 361

12.7 曲面拟合法 363

12.7.1 全局多项式曲面拟合 363

12.7.2 基于几何模型的全局拟合 364

12.7.3 自动拟合过程 365

12.8 小结 367

参考文献 367

附录12A 多普勒计算详细步骤 370

附录12B DAR算法中的偏移频率 376

第13章 方位调频率估计 380

13.1 简介 380

13.2 方位调频率精度要求 380

13.3 方位调频率的几何计算模型 382

13.4 方位线性调频率的数据估计 385

13.4.1 最大对比度法 385

13.4.2 视错位法 386

13.4.3 基于相位的自聚焦方法 390

13.5 小结 391

13.5.1 一部小型SAR系统—MiSAR 391

参考文献 392

附录A RADARSAT数据光盘 393

缩略语对照表 395

符号表 398

参考书目 401

索引 415