【雷达通信】合成孔径雷达(SAR)的点目标仿真matlab源码

• SAR原理简介

用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”，这样可以得到较高的方位向分辨率，同时方位向分辨率与距离无关，这样SAR就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的SAR图像。

                                       图1 SAR成像原理示意图

1、几个参重要参数

为了更好的理解SAR和SAR图像，需要知道几个重要的参数。

• 分辨率

SAR图像分辨率包括距离向分辨率（Range Resolution）和方位向分辨率（Azimuth Resolution）。

                                                                      图2 距离向和方位向示意图

• 距离向分辨率（Range Resolution）

垂直飞行方向上的分辨率，也就是侧视方向上的分辨率。距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关，与脉冲持续时间成正比：

Res( r) = c*τ/2

其中c为光速，τ为脉冲持续时间。

• 方位向分辨率（Azimuth Resolution）

沿飞行方向上的分辨率，也称沿迹分辨率。如下为推算过程：

• 真实波束宽度： β= λ/ D

• 真实分辨率：ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)

• 合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)

• 合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2

其中λ为波长，D为雷达孔径，R为天线与物体的距离。

   从这个公式中可以看到，SAR系统使用小尺寸的天线也能得到高方位向分辨率，而且与斜距离无关（就是与遥感平台高度无关）。

                                                                     图3 方位向分辨率示意图

• 极化方式

雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长，雷达信号可以传送水平（H）或者垂直（V）电场矢量。接收水平（H）或者垂直（V）或者两者的返回信号。雷达遥感系统常用四种极化方式———HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化，后两者为异向(交叉)极化。

极化是微波的一个突出特点，极化方式不同返回的图像信息也不同。返回同极化（HH或者VV）信号的基本物理过程类似准镜面反射，比如，平静的水面显示黑色。交叉极化（HV或者VH）一般返回的信号较弱，常受不同反射源影响，如粗糙表面等。

                                                                                图4 HV极化示意图

• 入射角（Incidence Angle）

入射角也叫视角，是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角（如下图中的θ）。微波与表面的相互作用是非常复杂的，不同的角度区域会产生不同的反射。低入射角通常返回较强的信号，随着入射角增加，返回信号逐渐减弱。

根据雷达距离地表高度的情况，入射角会随着近距离到远距离的改变而改变，依次影响成像几何。
 

                                                                       图5 SAR入射角示意图

2、SAR拍摄模式

SAR主要有三种拍摄模式：Stripmap，ScanSAR和 Spotlight。

当然最新的SAR系统拥有更多的拍摄模式，比如RADARSAT-2还用于超精细、高入射角等拍摄模式

• 条带模式-Stripmap

当运行Stripmap 模式时，雷达天线可以灵活的调整，改变入射角以获取不同的成像宽幅。

最新的SAR系统都具有这种成像模式，包括RADARSAT-1/2， ENVISAT ASAR， ALOS PALSAR，TerraSAR-X-1， COSMOSkyMed和RISAT-1。

• 扫描模式-ScanSAR

扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间，最后获取一个完整的图像覆盖区域。它能解决Stripmap模式较小的刈幅。

• 聚束模式-Spotlight

当执行聚束模式采集数据时，传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。

它与条带模式主要区别为：

1. 在使用相同物理天线时，聚束模式提供更好的方位分辨率；
2. 在可能成像的以一个区域内，聚束模式在单通道上的提供更多的视角；
3. 聚束模式可以更有效的获取多个小区域。

   1. 

                                                                               图8聚束模式

%%================================================================
%%Filename: stripmapSAR.m
%%Help file: stripmapSAR.doc
%%Project: Stripmap SAR Simulation using point targets and Reconstrction 
%%             with Range-Doppler Algorithm
%%Author: Zhihua He ,National University of Defence Tecnology ,2005/3
%%E-mail: [email protected]
%%================================================================
clear;clc;close all;
%%================================================================
%%Parameter--constant
C=3e8;                            %propagation speed
%%Parameter--radar characteristics
Fc=1e9;                          %carrier frequency 1GHz
lambda=C/Fc;                 %wavelength 
%%Parameter--target area
Xmin=0;                          %target area in azimuth is within[Xmin,Xmax]
Xmax=50;                  
Yc=10000;                      %center of imaged area
Y0=500;                          %target area in range is within[Yc-Y0,Yc+Y0]
                                       %imaged width 2*Y0
%%Parameter--orbital information
V=100;                            %SAR velosity 100 m/s
H=5000;                          %height 5000 m
R0=sqrt(Yc^2+H^2);
%%Parameter--antenna
D=4;                                %antenna length in azimuth direction
Lsar=lambda*R0/D;         %SAR integration length
Tsar=Lsar/V;                   %SAR integration time
%%Parameter--slow-time domain
Ka=-2*V^2/lambda/R0;    %doppler frequency modulation rate
Ba=abs(Ka*Tsar);           %doppler frequency modulation bandwidth
PRF=Ba;                         %pulse repitition frequency
PRT=1/PRF;                   %pulse repitition time
ds=PRT;                         %sample spacing in slow-time domain
Nslow=ceil((Xmax-Xmin+Lsar)/V/ds); %sample number in slow-time domain
Nslow=2^nextpow2(Nslow);              %for fft
sn=linspace((Xmin-Lsar/2)/V,(Xmax+Lsar/2)/V,Nslow);%discrete time array in slow-time domain
PRT=(Xmax-Xmin+Lsar)/V/Nslow;    %refresh
PRF=1/PRT;
ds=PRT;
%%Parameter--fast-time domain
Tr=5e-6;                         %pulse duration 10us
Br=30e6;                        %chirp frequency modulation bandwidth 30MHz
Kr=Br/Tr;                        %chirp slope
Fsr=3*Br;                        %sampling frequency in fast-time domain
dt=1/Fsr;                         %sample spacing in fast-time domain
Rmin=sqrt((Yc-Y0)^2+H^2);

Refa=exp(j*pi*Ka*ta.^2).*(abs(ta)

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