TOPS(Terrain Observation by Progressive Scans)模式是为了解决星载合成孔径雷达(SAR)高分辨率与宽场景测绘能力的矛盾而提出的一种新的工作模式。该模式能克服ScanSAR中存在的扇贝(Scalloping)现象。当SAR工作在TOPS模式时,通过波束在方位向的快速扫描,可以实现在短时间内对方位向大范围的观测;通过在距离向子测绘带之间的波束切换可以提高SAR在距离向的观测范围。此外,该模式可以与动目标检测(GMTI)以及电子侦察技术相结合,具有测绘范围广、隐蔽性高等优点,是遥感测绘领域的重要研究方向。相对于星载SAR而言,为了获得足够大的方位向测绘范围,TOPS模式在机载SAR平台上应用时需要更大的扫描角,因而会在系统性能和信号处理等方面引入新的问题:随着扫描角的增加,扫描波束增益会下降,方位场景边缘处的回波信号强度相对于方位场景中心处会出现衰减,从而导致测绘范围内的图像强度发生改变;此外,场景内的方位模糊度也会随着扫描角的增加而恶化;最后,增加扫描角会使TOPS模式回波的方位时域/频域混叠变得更加严重,给成像带来困难。这些问题使得星载TOPS模式的研究成果和结论不能直接套用到机载TOPS模式上来。本文以机载数字阵列SAR为应用背景,对TOPS模式在系统性能分析、参数设计、性能优化方法以及成像处理等方面进行理论研究和仿真验证。由于TOPS模式在距离向子测绘带的波束切换类似于条带模式工作于不同下视角的情况,其研究成果已经相对成熟,因此本文主要对TOPS模式在方位向进行波束扫描时存在的问题进行研究。本文的研究工作和取得的成果可以简要概括如下:1.对阵列天线方向图的特点进行分析,建立了机载TOPS模式信号模型。具体工作如下:(1)通过考虑子阵方向图对阵列方向图的加权作用,研究了阵列天线在波束扫描时天线方向图的变化特点。(2)基于TOPS模式的工作原理和成像几何构型,分析了在大扫描角时回波信号的时频特性,研究了回波信号存在的方位向时/频域混叠问题。(3)针对机载FMCW-SAR系统,建立了Dechirp接收条件下的TOPS模式回波信号模型,并对距离多普勒域和二维频域的信号形式进行分析。为后续对机载TOPS模式进行性能分析和成像处理奠定理论基础。2.对机载TOPS模式工作于大扫描角时的系统性能进行了分析。具体工作如下:(1)通过讨论波束扫描时序,分析、推导了机载SAR TOPS模式的性能指标与系统参数之间的约束关系。(2)建立了机载TOPS模式下的信噪比模型,讨论了波束扫描过程中天线方向图变化对信噪比的影响。(3)讨论了工作于大扫描角时的残余Scalloping现象,并分析了波束量化扫描对该现象的影响。(4)建立了描述机载TOPS模式方位模糊度的理论模型—方位模糊信号比(AASR),并分析了影响方位模糊信号比的因素。(5)分析了波束扫描角对AASR的影响。(6)分析了脉冲重复频率(PRF)对AASR的影响,并从优化AASR的角度讨论了PRF的选择问题。(7)在阵列天线方位向尺寸和方位向阵元数目固定的条件下,分析了方位向子阵数目对机载TOPS模式性能的影响。3.研究了机载TOPS模式下雷达系统参数设计和性能优化方法。具体工作如下:(1)通过分析机载TOPS模式雷达参数和系统性能之间的转换关系,结合设计实例讨论了系统参数设计流程。(2)针对机载TOPS模式下随着扫描角增加残余Scalloping现象恶化的问题,提出了一种非匀速的波束扫描方案,通过在波束扫描过程中分段调整波束扫描角速度,实现了对方位场景边缘处信噪比的补偿。(3)在大扫描角或者工作于斜视TOPS模式时,方位场景边缘处目标的多普勒带宽会随着扫描角的增加而下降,从而导致场景内目标方位分辨率不一致。针对该现象,提出另一种非匀速波束扫描方案。通过分析目标多普勒带宽与扫描角的关系,以当前时刻扫描角计算出下一时刻所需要的波束扫描角速度,从而实现扫描角速度的连续调整,以此来减小分段调整扫描角速度引入的补偿误差,并在整个方位场景内得到近似一致的方位向分辨率。(4)针对大扫描角时在方位场景边缘产生的系统性能恶化,介绍了一种将TOPS模式与聚束模式相结合的新模式—TOPS-SPOT模式。聚束模式的应用降低了传统TOPS模式在波束扫描过程中所需要的最大扫描角,改善了由于扫描角增大而导致的方位场景边缘处系统性能恶化的问题。此外,本文对该模式在信噪比和方位模糊度方面的性能进行了分析。4.针对机载阵列FMCW-SAR,研究了对TOPS模式回波数据的全孔径成像处理技术。具体工作如下:(1)针对TOPS模式回波数据存在的多普勒混叠问题,提出了一种基于方位预处理的去多普勒混叠方法,并讨论了有关参数的设置问题。(2)对于Dechirp接收的回波数据,分析了FMCW-SAR脉内平台连续运动对回波数据产生的影响,并基于频率变标(Frequency Scaling,FS)算法实现了对TOPS模式回波数据的距离维聚焦。(3)针对TOPS模式回波数据存在的方位时域混叠问题,提出了一种改进的基带方位变标(Baseband Azimuth Scaling,BAS)算法实现对回波数据的无混叠聚焦。通过调整传统BAS算法中的补偿函数,使得该算法可以与方位预处理方法相结合并实现对TOPS模式回波数据的全孔径处理。(4)通过仿真生成的数据对本文所提出的方法进行验证。本文从系统性能分析与优化、参数设计以及成像处理方法四个方面对机载数字阵列SAR的TOPS模式进行了研究,对于机载数字阵列SAR实现大场景测绘以及同时多模式成像具有重要意义。