● 摘要
微波成像技术可以不受恶劣天气的影响，具有全天时、全天候的观测能力，并能穿透遮蔽，探测隐蔽目标。合成孔径雷达（SAR：synthetic aperture radar）是一种高分辨率微波成像雷达，通过检测场景反射信号的时延以及其多普勒频率的变化来进行二维成像。近年来，双站SAR技术备受关注的同时，也推动了利用非遥感应用外辐射源作为机会信号源的被动SAR技术的发展，可选信号源如广播信号、通讯信号、导航信号、WiFi、WiMAX等。本文的研究对象为基于导航卫星的被动SAR，发射机为中轨道导航卫星，可从美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、我国的北斗以及欧盟的Galileo卫星系统共四个现有的全球导航卫星系统（GNSS：global navigation satellite system）中选择。
GNSS网络结构决定了导航卫星作为机会辐射源的独特优势，任一完备GNSS均具有全球覆盖性，且地表任一区域任一时刻均有多颗卫星同时照射，能保证被动SAR的长期、连续观测。基于导航卫星的被动SAR，其被动系统仅由接收部分构成，硬件集成且轻便，可以固定在地面上，或装载在车辆、轻型飞机或无人机上。被动SAR采用双通道接收机制，利用接收到的卫星直达波作为参考，对地表反射波进行相干累积后，获得目标的相对强度与位置信息。
首先，本文在基于导航卫星被动SAR的双通道接收机制下，对直达波、反射波双通道的信噪比、反射波通道的直达波干扰强度、以及成像的动态范围和系统探测距离进行了理论估计。在Galileo和北斗计划启动之前，GLONASS-L1的P码是能够提供给被动SAR系统最佳距离分辨率性能的导航信号，带宽为5.11MHz（GPS的10.23MHz的P码并不公开）。因此最初的系统验证均是基于GLONASS-L1信号进行的，本文提出了运动接收机被动SAR的同步与成像一体化算法。本文的同步处理方法相比传统的BASS方法，极大的减少了运算量，有很好的工程应用性。另外，本文提出了针对接收平台的运动误差进行分类处理的补偿方法，通过方位向重采样处理，降低了由轴向运动速度变化带来的影响，使传统运动补偿算法的性能得到优化。然后，由于研究领域内对被动SAR技术的关注焦点在于能否实现在强直射波干扰下对弱反射信号的相干累积及检测，本文设计了被动接收实验系统，利用GLONASS发射的L1波段信号，获得了1.2km范围的地表SAR图像。图像中的典型目标响应验证了对系统信噪比等参数的理论估计的合理性。
Galileo-E5信号带宽为51.15MHz，在所有导航信号中具有最大带宽，本文研究了将Galileo-E5通道的二进制偏置载波（AltBOC：Alternative Binary Offset Carrier）调制信号用于被动SAR技术中以提高系统空间分辨率的可行性。AltBOC信号的调制模式导致其压缩脉冲旁瓣过高（第一旁瓣高达-3.5dB），用于被动SAR成像极易造成误判。本文针对Galileo-E5信号提出了一种特殊处理算法，通过使用特定频域窗对信号功率谱进行滤波后，损失一定信噪比的前提下，将时域压缩脉冲调制为Sinc函数形式，文中将之命名为频谱均衡方法。实际应用中，该脉冲形式经过进一步的平滑窗处理后，峰值旁瓣比（PSLR：peak side-lobe ratio）可被抑制到-20dB以下。将最终得到的压缩脉冲应用于被动SAR成像，在准单站情况下能够获得3m的距离向分辨率，该性能5倍优于E5a-Q或E5b-Q单通道信号，10倍优于GLONASS-L1信号。
最后，对上述频谱均衡方法通过实测数据进行了验证。Galileo-E5的场景SAR图像表现出优异的空间分辨率性能，能够将距离接收机100m处纵横间隔均为7m的多个1m×1m×1m典型目标独立识别出来。基于已验证的Galileo-E5被动SAR系统，发展了多角度成像技术，在不同构形下采集了多幅被动双站SAR图像，分析了不同类型目标在不同双站拓扑结构下的反射信号的形成原因，并分别对多幅E5a-Q单通道图像和多幅E5全通道图像进行了融合处理。多幅图像的融合结果相比于单幅双站SAR图像，增强了系统对目标的检测能力，并且能够对目标进行多角度散射特性探测及空间的多维观测，该研究为发展基于导航卫星被动SAR的多站技术奠定了基础。