星载SAR系统仿真软件设计与实现毕业论文

2020-02-23 21:59:29

摘要

合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，在军事侦察、环境和灾害监测、地形测绘、农作物植被分析和资源勘探等方面发挥了重要作用。为了全方面检验星载SAR系统的性能，需要完整地仿真合成孔径雷达系统的工作过程，不断改进其设计参数，从而提高系统设计的智能化和工程化。为此，本文开展了星载SAR系统仿真系统的设计与开发。

根据星载SAR系统仿真设计要求，本文详细分析了星载合成孔径雷达系统相关理论，结合面向对象软件开发方法，详细阐述了软件中模块的实现功能和实现过程，形成了一套星载合成孔径雷达系统仿真软件的设计方案，并基于C#语言完成了软件开发工作。本文解决了传统仿真软件可操作性差、拓展性不强和功能不完善的问题，实现了条带工作模式下的SAR系统参数设计，波位设计，以及地距分辨率、系统灵敏度和模糊性的分析计算等功能。

关键词：星载合成孔径雷达；波位；性能参数；系统仿真；软件架构

Abstract

Synthetic Aperture Radar (SAR) is a high-resolution imaging radar that has played an important role in military reconnaissance, environmental and disaster monitoring, terrain mapping, crop vegetation analysis and resource exploration. In order to fully examine the performance of the spaceborne SAR system, it is necessary to completely simulate the working process of the synthetic aperture radar system and continuously improve its design parameters so as to improve the intelligence and engineering of the system design. For this reason, this article has carried on the design and development of the spaceborne SAR system simulation system.

According to the requirements of spaceborne SAR system simulation design, this paper analyzes the relevant theory of spaceborne synthetic aperture radar system in detail, and combines object-oriented software development methods to form a set of satellite-based synthetic aperture radar system simulation software design program and complete it based on C# language. Software development work. This paper solves the problems of poor operability, poor scalability, and imperfect function of traditional simulation software, and realizes parametric design, wave-position design, and ground-distance resolution, system sensitivity, and ambiguity of the SAR system in strip mode. Analytical calculations and other functions. This article also elaborated the realization function and implementation scheme of the module in software, and put forward the future work prospect.

Key Words：spaceborne SAR；wave position；performance parameter；system simulation； software architecture

第1章绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 星载SAR系统仿真软件发展史及国内外研究现状 1

1.2.1 星载SAR发展史及研究现状 1

1.2.2 星载SAR仿真软件研究现状 2

1.3 课题研究内容和目的 3

第2章星载SAR系统设计理论 5

2.1 合成孔径雷达基本理论 5

2.1.1 合成孔径的形成 5

2.1.2 SAR的不同工作模式 6

2.2 系统参数设计 8

2.2.1 雷达方程 8

2.2.2 模糊性 9

2.2.3 脉冲重复频率选择 11

2.2.4 绘制斑马图基本公式 12

2.2.5 发射干扰和星下点回波干扰 14

2.2.6 分辨率 15

2.2.7 系统灵敏度 17

第3章星载SAR系统仿真软件框架 19

3.1 软件开发理论 19

3.2 星载SAR系统仿真软件架构设计 20

3.2.1 星载SAR系统仿真软件结构图 20

3.2.2 星载SAR系统仿真软件模块分析 22

第4章星载SAR系统仿真软件实现 26

4.1 用户界面 26

4.2 软件关键模块实现 28

4.2.1 工程信息模块 28

4.2.2 设置仿真参数模块 30

4.2.3 波位设计模块 32

4.2.4 性能参数计算模块 35

4.2.6 性能统计分析模块 37

4.2.7 文件读写模块 41

4.2.8 显示模块 43

第5章全文总结 45

5.1 论文总结 45

5.2 工作前景展望 45

参考文献 47

致谢 49

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

合成孔径雷达是一种现代高分辨率微波侧视成像雷达，自上世纪50年代发明以来，已取得巨大的发展。它可广泛应用于多个领域，如：军事侦察、环境和灾害监测、地形测绘、农作物植被分析和资源勘探等，并发挥了重要作用。

研制星载合成孔径雷达系统会消耗大量的人力资源，硬件设备成本很高，一旦设计完成，系统参数就很难修改。利用计算机仿真软件可以弥补这个缺点，因为可以反复修改各项参数，以达到设计要求。利用系统仿真软件可以根据各种实际需求来设计系统参数和计算性能参数。尽管星载合成孔径雷达系统仿真技术发展很成熟，但是由于SAR系统包含多方面的内容，如卫星平台、信号发射接收和数据处理等，所以系统的结构和工作过程十分复杂，目前市面还没有出现一套具备星载SAR系统仿真、计算和分析处理功能的软件。因此，本文基于星载合成孔径雷达系统理论，设计开发了星载SAR系统仿真软件，实现了条带工作模式下的SAR系统参数设计，波位设计，以及地距分辨率、系统灵敏度和模糊性的分析计算等功能。

1.2 星载SAR系统仿真软件发展史及国内外研究现状

1.2.1 星载SAR发展史及研究现状

1978年6月，NASA将Seasat-A卫星发射升空，该卫星装载有SAR系统，为星载合成孔径雷达开创了先河^[1]。Seasat-A工作于L波段，入射角固定，分辨率为4视23m，极化方式是HH极化。Seasat-A卫星任务成功完成后，美国国家航空航天局利用航天飞机在1981年11月发射SIR-A，1984年10月发射SIR-B，1994年4月将SIR-C/X-SAR送上了太空。

1991年3月，前苏联成功发射Almag-1卫星，其上载有S频段SAR。分别在1991年7月、1995年4月，欧空局将ERS-1和ERS-2卫星发射成功，其SAR工作于C频段，使用固定视角，极化方式为VV极化，主要任务是长时间观测海洋、陆地及气象^[2]。2002年，欧空局发射了Envisat卫星，该卫星载有先进的合成孔径雷达（ASAR），工作于C频段，实现了多极化、多视角、多模式工作。1992年2月，日本将JERS-1卫星成功发射，它的合成孔径雷达工作于L频段，主要任务是资源勘探。日本还在2003年发射了Alos卫星，工作频段为L频段。1995年11月，加拿大成功将Radarsat卫星送入太空，中心频段在C波段，极化模式为HH极化，该卫星的工作模式多达7类和25种类型。2002年，加拿大又发射Radarsat-2卫星，工作频率为5.3Hz，能够在全极化方式下工作，视角范围在20°-50°内可变，最大空间分辨率低于3m。2007年，德国发射了TerraSAR-X卫星，在X频段工作，中心频率为9.6GHz，分辨率精度可达1m。2009年，又发射了第二颗TerraSAR-X卫星。TanDEM-X卫星是TerraSAR-X的双星卫星的名称，这两颗卫星主要任务是以前所未有的精度生成一致的全球数字高程模型（DEM）。2014年，日本发射了ALOS-2卫星，这是唯一一个工作在L波段的高分辨率机载合成孔径雷达，用于监测地壳运动和地球环境。它可以获得观测数据而能够不考虑气候条件和时间。2014年，欧洲发射了Sentinel-1A卫星，Sentinel-1B于2016年发射，可实现从检测和跟踪漏油和绘制海冰到监测陆地表面的移动并绘制土地使用方式的变化。

中国的星载合成孔径雷达的研究工作也于上世纪八十年代开始^[3]。中科院电子所于1998年研制成功星载合成孔径雷达系统模样机，2001年研制成功了多个波段、多种极化方式、多种工作模式的星载合成孔径雷达演示样机。2012年我国发射了HJ 1-C卫星，用于检测自然灾害。2016年，“高分三号”卫星成功发射，这是我们国家第一颗分辨率达到1米的，工作于C频段，具备多种极化模式的SAR成像卫星。GF-3卫星首次采用全极化、多通道等技术，可以同时实现高分辨率和宽测绘带成像。此外，通过在轨试验模式实现了干涉测高、形变检测和动目标检测等功能。同时，GF-3卫星在定量化应用等方而达到国际领先水平，为中国未来高性能SAR卫星的研制奠定了坚实的基础。

1.2.2 星载SAR仿真软件研究现状

随着星载合成孔径雷达的蓬勃发展，雷达的仿真技术也有了迅猛地进步。最早的雷达图像模拟器（Radar Image Simulator-RIS）出现在美国堪萨斯大学，该模拟器实现了雷达地物回波模拟。在灰度、纹理、雷达阴影和相干斑等方面，模拟图像与真实雷达图像相似度很高。随后，柏林技术大学设计出改进型RIS（Updated RIS）。同时，SIMRISA/SIMROSA由格拉茨大学联合JPL实验室完成。这三种模拟器偏向雷达图像模拟方面，也可称为雷达图像模拟器。此外，SARSIM、SiSARo SARSIM模拟器属于SAR系统模拟器，与SARSIM相比，SiSAR模拟器在星载雷达平台仿真方面更为重视。目前，有许多与遥感数据处理有关的软件，下面将简要介绍部分国外的优秀软件^[3]：

1. Envi（The Environment for Visualizing Images）软件。该软件是一种强大的遥感图像处理软件，由遥感领域的科学家利用IDL开发。该软件可以应用到科学研究、遥感工程、医学和环境保护等领域，但雷达数据处理只是软件的功能之一。

2. BEST（Basic Envisat Sar Toolbox）软件由ESA研制，是一款雷达处理工具包软件。它可以使用户处理ESA的雷达数据更加方便快捷，如遥感卫星和先进的合成孔径雷达。BEST软件包含的雷达处理功能很多，如：定标、统计功能、斑点滤波、辐射校正计算、重采样功能、干涉处理、图像配准等。BEST软件缺点是没有用户显示界面，需要生成TIFF或GeoTIFF格式的图像文件，然后支持的软件查看图像数据。

3. RadBase软件由美国表面光学公司开发，用于计算雷达散射截面积。用户填写雷达的极化参数和频率信息，目标的角度参数和空间几何模型，RadBase将得到目标回波和RCS,它的通用性强，计算精度高，运算速度快。

4. RAT（Radar Tools）软件是德国开发，用于处理SAR遥感数据。该软件数据读取功能、图像处理功能很令人满意，但软件架构不够完善。

5. GAMMA由瑞士GAMMA遥感公司研发，是一个专业雷达干涉测量软件。GAMMA软件功能包括合成孔径雷达处理和干涉合成孔径雷达处理、地理编码和差分干涉等，应用领域包括观察地形地貌、海洋监测、观测地震形变以及地质调查等。

上世纪90年代，我国开始开展星载SAR模拟工作。1997年，北京航空航天大学和中国科学院电子所完成了一款星载SAR系统模拟软件。2006年，北京化工大学、北京遥感信息研究室和哈工大共同研制了星载SAR仿真系统SARSIMS^[5]，此套系统可完成不同波段SAR系统的总体参数设计以及分析，还包括回波仿真、条带、聚束和扫描模式的成像以及系统的仿真。

1.3 课题研究内容和目的

本文通过分析研究星载SAR理论和系统设计，并结合软件设计思想，采用模块化的程序设计方法实现了星载合成孔径雷达系统仿真软件的开发。本文详细阐述了软件关键模块的功能及其实现方法等。该软件实现的功能可划分为：参数设计、波位设计、性能参数计算、性能参数统计，文件读写，图像处理等六部分。本系统仿真设计软件根据用户设计的系统参数进行自动波位设计，随后计算相关的性能数据，并根据获得的性能数据修改系统参数并进一步优化设计波段。本论文主要内容如下：

第一章：绪论。本章概述了星载SAR系统仿真软件的研究背景和意义，并介绍了星载合成孔径雷达及其仿真软件的发展史和国内外研究现状。

第二章：星载SAR系统设计理论。本章主要介绍了星载SAR系统基本原理和系统的设计要求，并对波位设计时对脉冲重复频率的选择，反映系统性能的空间分辨率、模糊性和系统灵敏度等概念进行了相关阐述。

第三章：星载SAR系统仿真软件框架。本章主要介绍了软件架构的基本理论和软件工程化思想，详细介绍了本软件的整体框架及各个模块的功能分析。

第四章：星载SAR系统仿真软件实现。本章详细说明了本软件的用户界面开发和关键模块的实现方法，并展示了各个界面。

第五章：全文总结。对本论文所做工作进行全面归纳总结，并指出本软件的不足及其后续工作，继续完善整个仿真软件。

第2章星载SAR系统设计理论

雷达与载体以恒定的速度向某一方向移动，并不断重复发射固定频率的脉冲信号，与此同时雷达接收地面目标散射回来的信号，然后一方面存储回波信号的幅度和相位信息，另一方面利用合成阵列方式把回波进行合成处理，以这种方式工作的雷达称为合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）^[6]。实际上，单个辐射单元在SAR使用小天线表示，并在直线上不断移动此单元，对于同一目标在不同位置上接受的回波信号进行相干处理，这样一个小天线通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”，从而提高图像的分辨率。根据SAR工作平台的不同主要分为星载SAR和机载SAR，两者在有些参数指标在计算上有差别，本章介绍了星载SAR工作特点、系统设计原理以及相关的一些基本原理。