海面目標(biāo)合成孔徑雷達(dá)成像模擬研究.pdf

1、海面及其上方目標(biāo)的合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像模擬研究在海洋環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)識別和信號分離技術(shù)中具有重要的科學(xué)意義，是提高SAR系統(tǒng)性能、檢驗成像算法和提高SAR應(yīng)用效果的重要途徑。本論文就此領(lǐng)域的相關(guān)問題開展了系統(tǒng)的研究工作。
　　 首先討論了SAR成像的海浪表面模型。研究了SAR所能“看到”的海面的結(jié)構(gòu)和SAR探測海面大尺度波的機(jī)制。應(yīng)用海浪水質(zhì)點運(yùn)動的流體力學(xué)模型對波浪進(jìn)行描述，同時，針對海浪具有的明顯的隨機(jī)性，用振幅、頻率、

2、方向、相位不同的波疊加起來描述海浪，介紹了雙尺度表面模型以及最新的研究結(jié)果。
　　 分析了兩種高分辨率的SAR成像處理算法：距離多普勒(RD)算法和Chirp Scaling(CS)算法，并對它們的性能進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上，針對普通方法處理雙站SAR(Bis-SAR)數(shù)據(jù)的局限性，提出了一種改進(jìn)的非線性Chirp Scaling(NLCS)方法來處理一般情況下的Bis-SAR數(shù)據(jù)。其中關(guān)鍵是應(yīng)用級數(shù)展開來得到信號精確的頻譜，然

3、后進(jìn)行線性距離單元徙動校正(LRCMC)來減少距離-方位耦合，再應(yīng)用非線性Chirp Scaling對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使之能夠進(jìn)行方位向壓縮。模擬結(jié)果表明，改進(jìn)后的非線性Chirp Scaling方法可以處理復(fù)雜的Bis-SAR數(shù)據(jù)。
　　 詳細(xì)研究了海浪SAR的成像機(jī)理。針對SAR系統(tǒng)只能探測與入射電磁波發(fā)生Bragg諧振的微尺度波，中尺度海洋現(xiàn)象(如海浪、內(nèi)波、水下地形、艦船和尾跡等)通過對微尺度波在空間和時間上的調(diào)制間接被S

4、AR系統(tǒng)獲得而成像的特點。討論了空間上的調(diào)制和時間上的調(diào)制對SAR成像的影響。針對譜域調(diào)制函數(shù)難以實現(xiàn)精確調(diào)制的難題，提出一種高效的雙疊加模型。然后在此模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用調(diào)制分布面元模型(MDSFM)計算海面在合成孔徑內(nèi)的散射截面，結(jié)合空域計算和譜域上的調(diào)制詳細(xì)討論了海浪的調(diào)制機(jī)理對SAR成像的影響，從而實現(xiàn)海浪SAR成像的精確模擬。并進(jìn)一步討論了破碎波對SAR成像的影響。另外，對于艦船和海面復(fù)合模型的SAR成像問題，利用物理光學(xué)法(P

5、O)和物理繞射等效流方法(PTDEEC)的混合方法來計算電大尺寸艦船目標(biāo)的高頻散射；并在此基礎(chǔ)上結(jié)合四路徑模型和MDSFM方法研究了動態(tài)海面及其上方艦船復(fù)合目標(biāo)的SAR成像。
　　 針對海洋干涉SAR測量模式這一項新技術(shù)，詳細(xì)探討了順軌干涉SAR(Along-TrackInterferometric Synthetic Aperture Radar，ATI-SAR)和交軌干涉SAR(Across-TrackInterferome

6、tric Synthetic Aperture Radar，XTI-SAR)海浪成像機(jī)制。得到了ATI-SAR和XTI-SAR的海浪復(fù)圖像，以及ATI-SAR相位譜與海浪譜之間的非線性映射關(guān)系。
　　 針對海面Bis-SAR系統(tǒng)比單站SAR(Mon-SAR)系統(tǒng)更加復(fù)雜的幾何關(guān)系，將調(diào)制分布面元模型(MDSFM)拓展到雙站，同時研究了速度聚束調(diào)制這-SAR成像特有的調(diào)制機(jī)理對Bis-SAR的影響；通過雙站散射機(jī)理的分析，來計算海

7、面和復(fù)雜目標(biāo)的復(fù)合電磁散射，獲得Bis-SAR的散射回波。得到了平飛斜視情況下Bis-SAR圖像平面中強(qiáng)度變化表達(dá)式，它定量地描述了目標(biāo)方位位置偏移量，方位向分辨率的下降程度以及海面目標(biāo)的耦合散射造成的距離向分辨率的下降程度，為Bis-SAR的海洋應(yīng)用研究及系統(tǒng)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
　　 對Franceschetti提出的SAR原始回波模型進(jìn)行改進(jìn)，克服了僅考慮重力波譜的影響和KA近似帶來的誤差問題，得到了更加精確的海浪SAR回