合成孔径雷达(SAR)的点目标仿真(附件带代码程序)

合成孔径雷达成像Matlab仿真研究作者：宋星秀曲毅王炳和来源：《现代电子技术》2014年第22期摘要：计算机仿真是现代雷达研究中的重要技术之一，针对合成孔径雷达（SAR）成像中影响仿真结果的因素，从分析SAR发射信号和回波信号模型出发，运用Matlab软件对SAR 的发射波形以及点目标成像进行了仿真，直观地反应了距离多普勒成像算法原理。

最终通过仿真分析，总结了SAR成像中影响仿真结果的5项因素，而这5项因素在运用Matlab仿真过程中对成像质量的优劣有着至关重要的影响。

关键词：合成孔径雷达； Matlab仿真；距离多普勒算法； Chirp中图分类号： TN957⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）22⁃0017⁃03 Study on Matlab simulation of synthetic aperture radar imagingSONG Xing⁃xiu， QU Yi， WANG Bing⁃he（College of Information Engineering， Engineering University of Chinese Armed Police Force， Xi`an 710086， China）Abstract： Computer simulation is one of the important technologies in the modern radar study. Aiming at the factor which affects simulation results in synthetic aperture radar （SAR） imaging，Matlab software is used to simulate SAR transmission waveform and point target imaging to realize the analysis of SAR transmitted signal and echo signal model. It reflected the principle of distance Doppler imaging algorithm intuitively. Based on the simulation analysis， the five factors that affect SAR imaging simulation results are summarized， which has a critical influence on imaging quality in the Matlab simulation process.Keywords： synthetic aperture radar； Matlab simulation； range Doppler algorithm； Chirp合成孔径雷达（SAR）是成像领域中的一项核心技术，随着计算机技术与信号处理技术的不断进步，合成孔径雷达仿真技术也得以发展，由于仿真结果与实际结果的逼近，使得仿真成为现代雷达设计和研究的基础之一。

【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。

雷达点目标成像1.实验要求自行设定参数，使用matlab 软件，对合成孔径雷达点目标成像进行仿真。

2.实验原理图一 合成孔径雷达原理图如图一所示，合成孔径雷达的方位向为雷达测绘带内沿雷达运动的方向。

距离向是指测绘带内与航迹垂直的方向。

合成孔径雷达就是通过将回波信号在距离向和方位向上压缩来得到目标图像。

对于点目标成像，就是将一个散射点返回的回波信号重新聚集在一起，由此可以将该点显示出来。

点目标的聚集，就是通过距离向和方位向的分别聚焦完成。

我们仿真的是正侧试的方法。

雷达发射chirp 信号形式为2()exp(2)c S t j kt j f t ππ=+回波信号为2()exp[()2()]c S t j k t j f t πτπτ=-+-在接收机中混频去掉载波后，得到信号2()exp[()2]c S t j k t j f πτπτ=--可得信号的距离向信号形式为2exp[(2/)]j k t r c π-方位向信号形式为exp[4/]c j f r c π-其中()r t =当v t R 时有2()()2vt r t R R ≈+，知回波信号在方位向上也是线性调频信号，其调频率为22v Rλ，λ为载波波长。

对于成像算法，我们采用经典的距离多普勒算法，即SD 算法。

他的基本思想是基本思想是将二位处理分解为两个一维处理的级联方式，即分别压缩距离向和方位向。

由于雷达的飞行线路接近直线，所以方位向和距离向相互有影响，要对数据进行徙动校正。

但是由于机载SAR 飞行范围小，距离弯曲量很小，故可以不用考虑徙动校正。

SD 算法的具体流程图如图二所示。

图二 SD 算法的具体流程图4.实验过程参数设置：飞机飞行高度：10000m下视角：45度飞机的飞行速度：100m/s合成孔径时间：1sPRF ：500HzK ：113010⨯Hz/s脉冲宽度:10us载波频率: 10510Hz ⨯回波点阵大小：501X501对数据进行距离向压缩，得到图一。

合成孔径雷达（SAR）成象舰船航迹表面速度场的计算机仿
真
李相迎;周红建
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】1999(016)004
【摘要】描述了一种合成孔径雷达（ＳＡＲ）成象的数字模型，跟踪模型对不同条件下Ｋｅｌｖｉｎ航迹的表面速度场进行了数字仿真计算。

计算较好地反映了航迹速度场的表面分布情况。

【总页数】3页(P65-67)
【作者】李相迎;周红建
【作者单位】湖南长沙国防科技大学自动控制系遥感组;湖南长沙国防科技大学自动控制系遥感组
【正文语种】中文
【中图分类】U675.79
【相关文献】
1.合成孔径雷达图像中舰船航迹表面速度场的分布与计算 [J], 李相迎;周红连;王正
2.一种SAR海洋图像舰船航迹精确定位方法 [J], 邹焕新;郁文贤;匡纲要;郑键
3.合成孔径雷达舰船航迹成像模型及其数字仿真 [J], 邹焕新;匡纲要;郑键
4.相干合成孔径雷达（INSAR）舰船航迹成像的计算机仿真 [J], 李相迎;周红建;王正志
5.一种增强型YOLOv3的合成孔径雷达(SAR)舰船检测方法 [J], 张明;王子龙;吕晓琪;喻大华;张宝华;李建军
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毕业论文（设计）题目学院学院专业学生姓名学号年级级指导教师教务处制表基于抗干扰的弹载SAR成像算法研究与仿真一、程序说明本团队长期从事matlab编程与仿真工作，擅长各类毕业设计、数据处理、图表绘制、理论分析等，程序代做、数据分析具体信息联系二、写作思路与程序示例合成孔径雷达是现代一种新型高分辨率二维成像雷达,它的原理是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和微波遥感技术进行工作,因此可以全天时、全天候地得到二维微波雷达成像。

本文对基于抗干扰的弹载SAR算法进行了研究,研究的主要内容如下:1、对弹载SAR成像算法进行了研究。

研究了不同阶段的弹载SAR几何模型,在模型的基础上分析了瞬时斜距的表达式,并利用驻定相位原理和级数反演的思想给出了弹载SAR成像算法,通过Matlab对算法进行了仿真验证,得到了理想的SAR成像结果。

2、对弹载SAR干扰成像方法进行了研究。

在弹载SAR成像算法的基础上,加入了固定移频SAR干扰信号的回波模型,对弹载SAR成像进行固定移频干扰处理。

然后通过改变移频量,产生了移频干扰的新模式:脉间分段移频SAR 干扰、随机移频SAR干扰和步进移频SAR干扰。

通过Matlab对干扰进行了仿真验证,验证了干扰的有效性。

3、对弹载SAR抗干扰成像方法进行了研究。

在弹载SAR 干扰成像方法的基础上对移频干扰采用改变信号波形中调频率极性捷变技术实现抗干扰目的。

并在高干信比下,采用调频率极性捷变结合限幅抗干扰方法提高抗干扰性能。

通过Matlab对抗干扰方法进行了仿真验证,验证了抗干扰方法的有效性。

4、设计并完成了弹载SAR成像软件仿真系统。

为兼具Matlab的超强计算能力和Visual C++的可视化编程能力,并脱离对Matlab环境的依赖,使弹载SAR系统仿真软件具有很好的移植性,遂采用Visual C++和Matlab混合编程的方法。

最后概括了本文的研究内容和完成的工作,指出了课题研究过程中存在的不足和接下来的工作建议。

SAR 图像点目标仿真报告徐一凡1 SAR 原理简介 合成孔径雷达 (Synthetic Aperture Radar . 简称 SAR)是一种高分辨率成像雷达技术。

它利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率 . 利用合成孔径原理获得高的方位向分辨率 . 从 而获得大面积高分辨率雷达图像。

SAR 回波信号经距离向脉冲压缩后 . 雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：r 2CB r. 式中r表示雷达的距离分辨率 . B r 表示雷达发射信号带宽 . C 表示光速。

同样.SAR 回波信号经方位向合成孔径后 . 雷达的方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定：SAR 平台速度。

在小斜视角的情况下 . 方位分辨率近似表示为 a D. 其中 D为方位向合成2 孔径的长度。

2 SAR 的几何关系 雷达位置和波束在地面覆盖区域的简单几何模型如图 1 所示。

此次仿真考虑的是正侧 视的条带式仿真 . 也就是说倾斜角为零 .SAR 波束中心和 SAR 平台运动方向垂直的情况。

图1 雷达数据获取的几何关系建立坐标系 XYZ 如图 2 所示. 其中 XOY 平面为地平面； SAR 平台距地平面高 H.以速度 V 沿 X 轴正向匀速飞行； P 点为 SAR 平台的位置矢量 . 设其坐标为 (x,y,z) ； T 点为目标的位置矢量 .设其坐标为 (x T , y T , z T ) ；由几何关系 .目标与 SAR 平台的斜距为：由图可知： y 0,z H ,z T 0；令 x v s . 其中 v 为平台速度 .s 为慢时间变量( slowv aa. 式中B aa表示雷达的方位分辨率 B a 表示雷达方位向多谱勒带宽 . v a 表示方位向uuur R PT(x x T )2 (y y T )2 (z z T )2(1)time ).假设x T vs.其中 s表示SAR平台的x 坐标为x T 的时刻；再令r H2 y T2 表示目标与SAR的垂直斜距. 重写(1) 式为：图2：空间几何关系(a) 正视图(b) 侧视图图2(a) 中. Lsar表示合成孔径长度. 它和合成孔径时间Tsar的关系是Lsar vTsar。

合成孔径雷达成像系统点目标仿真源程序：clcclose allC=3e8; %光速Fc=1e9; %载波频率lambda=C/Fc; %波长%成像区域Xmin=0;Xmax=50;Yc=10000;Y0=500;%SAR基本参数V=100; %雷达平台速度H=0; %雷达平台高度R0=sqrt(Yc^2+H^2);D=4; %天线孔径长度Lsar=lambda*R0/D; %合成孔径长度Tsar=Lsar/V; %合成孔径时间Ka=-2*V^2/lambda/R0;%线性调频率Ba=abs(Ka*Tsar);PRF=2*Ba; %脉冲重复频率PRT=1/PRF;ds=PRT; %脉冲重复周期Nslow=ceil((Xmax-Xmin+Lsar)/V/ds);%脉冲数Nslow=2^nextpow2(Nslow); %量化为2的指数sn=linspace((Xmin-Lsar/2)/V,(Xmax+Lsar/2)/V,Nslow); %创建时间向量PRT=(Xmax-Xmin+Lsar)/V/Nslow; %更新PRF=1/PRT; % 更新脉冲重复频率fa=linspace(-0.5*PRF,0.5*PRF,Nslow);Tr=5e-6; %脉冲宽度Br=30e6; %调频信号带宽Kr=Br/Tr; %调频率Fsr=2*Br; %快时间域取样频率dt=1/Fsr; %快时间域取样间隔Rmin=sqrt((Yc-Y0)^2+H^2);Rmax=sqrt((Yc+Y0)^2+H^2+(Lsar/2)^2);Nfast=ceil(2*(Rmax-Rmin)/C/dt+Tr/dt);Nfast=2^nextpow2(Nfast);tm=linspace(2*Rmin/C,2*Rmax/C+Tr,Nfast);dt=(2*Rmax/C+Tr-2*Rmin/C)/Nfast; %更新Fsr=1/dt;fr=linspace(-0.5*Fsr,0.5*Fsr,Nfast);DY=C/2/Br; %距离分辨率DX=D/2; %方位分辨率Ntarget=3; %目标数目Ptarget=[Xmin,Yc,1 %目标位置Xmin,Yc+10*DY,1Xmin+20*DX,Yc+50*DY,1];K=Ntarget; %目标数目N=Nslow; %慢时间采样数M=Nfast; %快时间采样数T=Ptarget; %目标位置%合成孔径回波仿真Srnm=zeros(N,M);for k=1:1:Ksigma=T(k,3);Dslow=sn*V-T(k,1);R=sqrt(Dslow.^2+T(k,2)^2+H^2);tau=2*R/C;Dfast=ones(N,1)*tm-tau'*ones(1,M);phase=pi*Kr*Dfast.^2-(4*pi/lambda)*(R'*ones(1,M));Srnm=Srnm+sigma*exp(j*phase).*(0<Dfast&Dfast<Tr).*((abs(Dslow)<Lsar/2)'*ones(1,M));end%距离压缩tr=tm-2*Rmin/C;Refr=exp(j*pi*Kr*tr.^2).*(0<tr&tr<Tr);%距离压缩参考函数F_Refr=fft((Refr));Sr=zeros(N,M);for k2=1:1:Mtemp1=fft(Srnm(k2,:));FSrnm=temp1.*conj(F_Refr);Sr(k2,:)=ifft(FSrnm);end%方位压缩ta=sn-(Xmin+Xmax)/2/V;Refa=exp(j*pi*Ka*ta.^2).*(abs(ta)<Tsar/2); %方位压缩参考函数F_Refa=fft(Refa);Sa=zeros(N,M);for k3=1:1:Mtemp2=fft(Sr(:,k3));F_Sa=temp2.*conj(F_Refa.');Sa(:,k3)=fftshift(ifft(F_Sa));endrow=tm*C/2;col=sn*V;%绘图%回波雷达数据figure(1)subplot(211)imagesc(abs(Srnm));title('SAR data')subplot(212)imagesc(angle(Srnm))%灰度图figure(2)colormap(gray)imagesc(row,col,255-abs(Sr));title('距离压缩'),xlabel('距离向'),ylabel('方位向');figure(3)colormap(gray)imagesc(row,col,255-abs(Sa));title('方位压缩'),xlabel('距离向'),ylabel('方位向');%轮廓图figure(4)Ga=abs(Sa);a=max(max(Ga));contour(row,col,Ga,[0.707*a,a],'b');grid onx1=sqrt(H^2+min(abs(Ptarget(:,2))).^2)-5*DY;x2=sqrt(H^2+max(abs(Ptarget(:,2))).^2)+5*DY;y1=min(Ptarget(:,1))-5*DX;y2=max(Ptarget(:,1))+5*DX;axis([x1,x2,y1,y2])%三维成像图figure(5)mesh(Ga((400:600),(200:500)));axis tightxlabel('Range'),ylabel('Azimuth');仿真结果图：图4. 1 点目标原始回波数据图4. 2 距离压缩后成像图图4. 3 方位压缩后成像图（点阵目标成像灰度图）图4. 4 点阵目标成像轮廓图。

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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2、不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日目录摘要.................................................. （）关键词................................................ （）一、绪论.............................................. （）引言............................................. （）研究目的和意义 (2)发展历史及学术动态................................. (）二、SAR的应用 ......................................... (）引言.............................................. (）合成孔径雷达在军事领域的应用 (3)战略应用 (3)战术应用 (3)特别应用 (3)合成孔径雷达在民用领域的应用 (3)在地形测绘和制图方面 (3)在海洋应用方面 (3)在水资源应用方面 (3)三、合成孔径雷达成像的原理 (3)成像特点 (3)成像原理 (4)成像流程图 (4)SAR成像理论模型 (5)四、SAR成像算 (5)引言 (5)距离——多普勒算法（RD） (5)信号模型及分析 (6)距离压缩 (7)距离移动校正 (7)方位向压缩 (9)CS算法 (9)算法特点简介 (10)SAR 斜视回波模型 (10)SAR 斜视回波几何模型 (10)距离移动分析 (11)改进的CS算法 (11)五、算法的Matlab仿真 (11)RD算法 (11)仿真参数 (11)仿真结果 (12)仿真结果说明 (13)CS算法 (13)仿真参数 (14)仿真结果 (15)仿真性能分析 (16)六、成像算法对分辨率的影响 (17)多普勒中心频率误差 (17)多普勒调频误差 (16)改进型算法的多普勒参数估计与设定 (17)七、总结 (18)致谢 (18)参考文献 (18)附录 (20)合成孔径雷达点目标成像仿真学生：宋家明指导老师：黄瑶三峡大学理学院摘要：本文主要介绍合成孔径雷达（SAR）点目标成像的相关知识，简要介绍了SAR在军事和民事中的运用，阐述了其成像原理及特点。

合成孔径雷达(SAR)的点目标仿真(附件带代码程序)合成孔径雷达(SAR)的点目标仿真一． SAR原理简介合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar ，简称SAR)是一种高分辨率成像雷达技术。

它利用脉冲压缩技术获得高的距离向分辨率，利用合成孔径原理获得高的方位向分辨率，从而获得大面积高分辨率雷达图像。

SAR回波信号经距离向脉冲压缩后，雷达的距离分辨率由雷达发射信号带宽决定：，式中表示雷达的距离分辨率，表示雷达发射信号带宽，表示光速。

同样，SAR回波信号经方位向合成孔径后，雷达的方位分辨率由雷达方位向的多谱勒带宽决定：，式中表示雷达的方位分辨率，表示雷达方位向多谱勒带宽，表示方位向SAR平台速度。

二． SAR的成像模式和空间几何关系根据SAR波束照射的方式，SAR的典型成像模式有Stripmap(条带式)，Spotlight(聚束式)和Scan(扫描模式)，如图2.1。

条带式成像是最早研究的成像模式，也是低分辨率成像最简单最有效的方式；聚束式成像是在一次飞行中，通过不同的视角对同一区域成像，因而能获得较高的分辨率；扫描模式成像较少使用，它的信号处理最复杂。

图2.1：SAR典型的成像模式这里分析SAR点目标回波时，只讨论正侧式Stripmap SAR，正侧式表示SAR波束中心和SAR平台运动方向垂直，如图2.2，选取直角坐标系XYZ为参考坐标系，XOY平面为地平面；SAR平台距地平面高h，沿X轴正向以速度V匀速飞行；P点为SAR平台的位置矢量，设其坐标为(x,y,z)；T点为目标的位置矢量，设其坐标为；由几何关系，目标与SAR平台的斜距为：(2.1)由图可知：；令，其中为平台速度，s为慢时间变量（slow time），假设，其中表示SAR平台的x 坐标为的时刻；再令，表示目标与SAR的垂直斜距，重写2.1式为：(2.2)就表示任意时刻时，目标与雷达的斜距。

一般情况下，，于是2.2式可近似写为：(2.3)可见，斜距是的函数，不同的目标，也不一样，但当目标距SAR较远时，在观测带内，可近似认为不变，即。