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《复旦大学》 2007年
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全极化合成孔径雷达的正向与逆向遥感理论

徐丰  
【摘要】: 在空间科学与空间应用的发展开始在全球各国复兴之时,在合成孔径雷达(SAR)开始在国民经济发展与国家安全保障密切相关的各遥感领域得到空前广泛的应用之时,作为本领域的博士学位研究论文,本文全面研究和发展了一套建立在电磁波与地表目标相互作用的物理基础之上、从散射传播机理与雷达成像原理出发、进行复杂地表结构的一维脉冲回波模拟和综合自然场景的二维雷达成像模拟、实现地表分类及参数反演和目标重建的基于极化合成孔径雷达的正向与逆向有机结合的遥感理论。 在这套理论的研究过程中发展了一系列原创性的散射模型和散射估计方法、回波与成像模拟算法、极化信息解析理论、地表参数反演和三维目标重建理论与方法,旨在初步解决当前主动微波遥感特别是合成孔径雷达信息获取方面的部分问题,也为将来合成孔径雷达技术发展提供帮助和参考。全文分正向研究、逆向研究和扩展研究三部分。 正向研究部分首先建立了粗糙面上非球形粒子层的矢量辐射传输模型,解得一阶Mueller矩阵解中包含面散射、体散射及相互作用的五项散射机制,用于模拟植被覆盖地表的极化散射,其中垂直地面的介质圆柱模拟树干,随机取向的细长圆柱模拟树枝,针状盘状粒子模拟针叶阔叶等。对比实验数据,该模型能有效估计植被地表的极化散射。通过不同算例的分析,研究了不同散射机制的贡献与植被层和地表面各物理参数的联系。 在矢量辐射传输方程中引入时间变量并转换到频域求解,可进一步将该模型推广到时域,用于模拟时变入射波探测植被地表的极化回波波形。在此基础上发展了具有上下两层粗糙界面、中间镶嵌随机分布粒子的次表面介质层的模型,解得一阶Mueller矩阵解中包含七项散射机制。该模型延伸应用在脉冲波探测月球表面月壤层的问题。按月壤真实参数模拟低频脉冲波探测月壤层,发现回波波形能清晰反映月壤结构及物理特征等信息,据此提出了用低频段极化雷达脉冲波探测月壤层厚与层结构的新方案。 在散射与回波模拟的基础上,继而研究了包含植被、建筑物及各种地形的复杂自然场景的SAR成像模拟。提出映射投影算法(MPA)以快速计算复杂场景的散射系数图,首先对场景进行网格划分,然后按入射方向依次累积各网格的衰减到投影平面、累加其散射到映射平面。该算法考虑了可穿透性植被目标的散射与衰减、树干及建筑物墙面与地面之间的多次散射、以及成像空间中任意位置地物的散射、衰减与遮蔽。由散射系数图经相干斑模拟、原始信号生成、成像压缩得到模拟SAR图像。 对应地,逆向研究部分从零维散射信息或单个像素信息、一维回波信号到二维图像数据分别研究了极化信息解析和地表分类、回波信号处理和参数反演、多方位观测和三维目标自动重建三个主题。 针对极化SAR的地表分类应用,提出目标全极化散射的去取向理论(De-orientation),通过对目标散射矢量的变换将目标旋转到一个特定的取向,使得原本取向不同但特征相同的目标能具有相同的散射信息,凸现目标本身特性。同时解析定义了去取向参数:去取向角、投影介电极性、介电跳跃度等,再加上已有的熵,四个参数构建无监督地表分类模式,由极化SAR数据将地表分为如地面、海面、森林、农田、城区、郊区等各种类别,对于同一类地表又可以由去取向角分析地物的取向分布特征,达到进一步细化分类的目的。用星载与机载极化SAR数据进行分类实验,对比传统的Alpha-A-H分类方法,结果表明去取向分类方法具有更好的分类性能。 在对植被地表回波波形的分析中发现:波形传递了植被层与地表面的各种信息。由此,建立散射系统响应函数模型,将散射过程看成一个由入射波信号激励的系统,而回波就是系统响应。参考时域Mueller矩阵解的表达式,设计了植被地表这一散射系统的响应函数解析式,该响应函数由四组系统参数描述。用自适应非线性最小二乘法去拟合回波波形,可以成功估计这些系统参数。进一步通过推导系统参数与物理参数的理论关系,再结合先验知识,发展了同时反演粒子层厚度、粒子尺寸、取向、密度、介电常数、地面粗糙度和湿度的方法。据此提出了用低轨飞行的植被穿透脉冲雷达来获取植被与下垫地面信息的新方案。 最后提出了用多方位SAR图像重建三维建筑物目标的方法。分为目标像的提取和多方位重建两个部分。目标像的提取流程包括先用恒虚警率检测器检测各目标像的边缘,并用脊滤波细化,再用平行线Hough变换检测平行线段,最终得到平行四边形建筑物像。多方位重建时,首先用统计几何描述不同方位的建筑物像,建立多方位目标像的参数相关模型给出其极大似然估计,再设计自动重建算法,从多方位检测结果中以较高的可靠性重建建筑物目标。用模拟和真实的SAR图像进行的重建试验,结果证明该方法的有效性,并给出发展多方位星载SAR重建应用的初步建议。 扩展研究部分包括双站SAR研究和目标与环境散射估算。在双站SAR的研究中,首先针对平飞斜视配置,推导了双站SAR信号模型的频域表示式,给出了分离距离关联的近似解和较为精确的迭代解,对应地给出近似解和迭代解两种成像压缩算法。同时还将距离多普勒算法推广到双站情况。最后通过成像模拟说明了它们的有效性和优缺点。然后,在单站SAR映射投影算法基础上,通过三维投影和映射实现双站SAR成像模拟的映射投影算法(Bi-MPA),用于模拟复杂自然场景的双站SAR图像。通过设计各类场景并模拟双站SAR图像,分析了双站SAR图像上不同地物的成像特征与极化特征,发现传统极化特征参数在双站SAR图像上不再能有效表现地物散射的极化特征。对此提出统一双站极化基变换,并修改了极化特征参数的定义,使其保持原有的分离取向关联等优点。结果表明,统一双站极化基变换后,不同地物散射的极化特征更明显,而重新定义的极化特征参数也能反应不同散射机制,提供了BISAR图像解译和地表分类的初步手段。 针对目标与环境的复合散射问题提出双向解析射线追踪法(BAR-Tracing),对于由面元和边缘建模的复杂目标,在入射方向和散射方向的反方向分别追踪射线并记录散射元上照射到的各阶射线,由此计算所有由一次散射和多次反射构成的多次散射项。其中,引入面元反射和散射发生概率以避免重复计算面元的散射贡献。此外,还用包含相干反射分量和非相干漫散射分量的粗糙面元建模粗糙面环境,实现目标与环境共存问题的通用解法。该技术使得大面元无需细剖分,从而降低复杂度。通过二面角、海面船舰等算例与精确的计算电磁学方法的对比,表明该方法能够提供较为可靠的散射快速估算。 由正向研究、逆向研究和扩展研究构成的这套全极化合成孔径雷达遥感理论是作者四年多博士研究工作的总结,期望能初步解决合成孔径雷达遥感的部分问题。其间还有许多有待完善和深入的地方,何况技术和需求的日新月异,这都要求继续开展更深入更广泛的研究。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN958

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【引证文献】
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1 徐丰;金亚秋;;双站SAR图像的极化分析[J];电子与信息学报;2009年01期
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3 郭睿;极化SAR处理中若干问题的研究[D];西安电子科技大学;2012年
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2 毕晓蕾;基于极化信息的浅海水下地形SAR探测模型[D];中国石油大学;2010年
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4 李维;MIMO系统的散射与重构成像问题的研究[D];复旦大学;2012年
5 周林;机载多极化雷达信号建模仿真[D];西安电子科技大学;2013年
6 白晓静;基于Cloude分解的特征参数分析及快速替代方法[D];电子科技大学;2013年
【参考文献】
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2 徐丰;金亚秋;;粗糙面上混杂非球形粒子层全极化散射数值模拟[J];微波学报;2005年06期
【共引文献】
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1 武拥军;吴先良;;双站移不变SAR成像的一种通用等效单站RD算法[J];安徽大学学报(自然科学版);2009年05期
2 陈伟利;陶和平;刘斌涛;;基于SVM的多光谱影像与SAR图像融合地物分类研究[J];安徽农业科学;2010年20期
3 谭衢霖,付卓,胡吉平;SAR差分干涉测量技术在地震区域形变测量中的应用研究[J];北京交通大学学报;2005年04期
4 彭劲松;秦永元;严恭敏;;OpenGL在雷达图像实时显示中的应用[J];兵工自动化;2006年01期
5 罗金亮;党立坤;;极化编码跳频信号在雷达中的应用[J];兵工自动化;2008年05期
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8 谢宜壮;朱柏承;汪精华;;星载SAR实时成像处理系统结构设计[J];兵工学报;2010年S2期
9 陈歆炜;赵建中;吴文;;一种极化捷变雷达中欺骗性干扰的提取方法[J];兵工学报;2012年01期
10 王艳丽,陈哲;基于模糊和最小二乘的SAR图像线特征提取[J];北京航空航天大学学报;2003年04期
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2 金亚秋;;空间微波遥感信息技术的研究进展[A];2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C];2005年
3 廖汉程;毛士艺;;SAR数字图像后处理系统的硬件与软件设计[A];第十届全国信号处理学术年会(CCSP-2001)论文集[C];2001年
4 甘荣兵;王建国;何川;;对合成孔径雷达的弹射式干扰性能分析[A];第十一届全国信号处理学术年会(CCSP-2003)论文集[C];2003年
5 赵哲;许人灿;陈曾平;;一种改进的ESPRIT成像算法[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
6 杨剑;陈曾平;刘万全;;基于多DSP的雷达成像处理平台设计[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
7 黄艺毅;王军锋;刘兴钊;;双站ISAR成像算法的研究[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
8 祝本玉;薛磊;史军军;;基于ULAM混沌的ISAR干扰技术研究[A];第十四届全国信号处理学术年会(CCSP-2009)论文集[C];2009年
9 高磊;邹江威;陈曾平;;一种ISAR成像信号中微动成份分离方法[A];第十四届全国信号处理学术年会(CCSP-2009)论文集[C];2009年
10 张子善;黎向阳;张汉华;;一种改进的极坐标波数域圆迹SAR三维成像算法[A];第十四届全国信号处理学术年会(CCSP-2009)论文集[C];2009年
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10 黄艳;D-InSAR技术用于地表形变监测研究[D];解放军信息工程大学;2009年
【同被引文献】
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1 徐丰;金亚秋;;目标散射的去取向理论和应用(一)去取向理论[J];电波科学学报;2006年01期
2 徐丰;金亚秋;;目标散射的去取向理论和应用(二)地表分类应用[J];电波科学学报;2006年02期
3 汤明;裸地散射特性分析[J];电波科学学报;1994年04期
4 黄韦艮,高曼娜,周长宝,朱廷璋;蓬莱附近海区水下地形的星载合成孔径雷达遥感[J];东海海洋;1996年01期
5 熊金涛;陈娟;黄钰林;杨建宇;;条带模式SAR快速反投影成像算法研究[J];电子科技大学学报;2007年S2期
6 李锰,朱令人,龙海英;不同类型地貌的各向异性分形与多重分形特征研究[J];地球学报;2003年03期
7 韩晓东;黄珍元;郑利颖;;基于chirp-z逆变换矢量网络分析仪时域测量技术[J];电子测量技术;2003年03期
8 徐杰;黄敬健;黄居敏;袁乃昌;;矢量网络分析仪时域功能分析[J];电子测量技术;2008年09期
9 王雪松,肖顺平,陶华敏,庄钊文,徐振海;论目标互易性Cameron修正法的最优性[J];电子学报;1999年06期
10 郭立新,吴振森,柯熙政;二维带限分形粗糙面电磁散射的基尔霍夫近似[J];电子学报;2000年09期
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1 安文韬;基于极化SAR的目标极化分解与散射特征提取研究[D];清华大学;2010年
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6 王睿;星载合成孔径雷达系统设计与模拟软件研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2003年
7 杨震;合成孔径雷达干涉与极化干涉技术研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2003年
8 王爱明;海洋舰船尾迹合成孔径雷达成像仿真研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2003年
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4 洪丽娜;雷达地杂波建模仿真研究[D];国防科学技术大学;2003年
5 代大海;POLSAR图像模拟及目标检测与分类方法研究[D];国防科学技术大学;2003年
6 吕辉;星载合成孔径雷达原始回波数据模拟研究[D];电子科技大学;2005年
7 韩昭颖;多极化合成孔径雷达图像目标检测研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2005年
8 郭丁;星载合成孔径雷达目标信号模拟技术的初步研究[D];电子科技大学;2006年
9 黄小锋;FSK/PSK回波信号的研究[D];电子科技大学;2006年
10 杨加;机载双基地SAR系统仿真及CS成像算法研究[D];电子科技大学;2006年
【二级引证文献】
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1 孔毅;赵现斌;;机载SAR海洋环境探测方法研究[A];经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会(第二卷)[C];2010年
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1 刘高峰;极化SAR图像特征提取与分类方法研究[D];西安电子科技大学;2014年
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1 周庆;淡水冰单轴压缩强度试验研究[D];大连理工大学;2013年
2 刘志超;机载/弹载SAR成像研究及仿真软件设计[D];电子科技大学;2013年
3 陆逸;双基地SAR回波模拟算法研究[D];电子科技大学;2013年
4 谢钦川;基于多频段SAR极化数据的海冰分类研究[D];合肥工业大学;2013年
5 杨慧;基于极化SAR技术的舰船检测与识别算法研究[D];杭州电子科技大学;2014年
6 杜丽娜;极化SAR/InSAR信号处理与应用[D];西安电子科技大学;2014年
【二级参考文献】
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1 常梅,金亚秋;随机非球形粒子全极化散射的时间相关Mueller矩阵解[J];物理学报;2002年01期
2 梁子长,金亚秋;非均匀散射层矢量辐射传输(VRT)方程高阶散射解的迭代法[J];物理学报;2003年02期
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8 张红蕾;宋建社;张宪伟;;基于二维模糊熵的GA在SAR图像分割中的应用[J];计算机工程;2007年05期
9 周智敏;金添;宋千;常文革;孙晓坤;杨延光;;超宽带SAR探雷试验系统[J];电子与信息学报;2007年08期
10 许鹏;朱文伯;罗琴;;合成孔径雷达在对海战场目标打击效果评估中的应用分析[J];舰船电子工程;2008年02期
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1 逯贵祯;王玲;;合成孔径雷达图像识别的马尔科夫随机场方法研究[A];图像图形技术研究与应用2009——第四届图像图形技术与应用学术会议论文集[C];2009年
2 白霞;孙进平;毛士艺;;双基地合成孔径雷达的Chirp z变换成像算法[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
3 时慧;左永锋;何攀峰;;大调制带宽线性调频信号频响补偿技术研究[A];2010全国虚拟仪器大会暨MCMI2010’会议论文集[C];2010年
4 何宜军;谢涛;;沿轨迹干涉合成孔径雷达涌浪成像理论[A];第十四届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2003年
5 李和平;;基于ARM的固态记录器控制模块的设计[A];第三届全国嵌入式技术和信息处理联合学术会议论文集[C];2009年
6 张陆元;袁运能;张亚萌;李东斌;;距离徙动高次项对LFMCW SAR成像影响研究[A];第八届全国信号与信息处理联合学术会议论文集[C];2009年
7 汪伟;李磊;张智慧;;有源相控双极化波导缝隙天线阵[A];2009年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2009年
8 王隽;杨劲松;黄韦艮;王贺;陈鹏;;多视处理对SAR船只探测的影响[A];第二届微波遥感技术研讨会摘要全集[C];2006年
9 王迪;雷武虎;杨越;;SAR欺骗干扰与散射波干扰信号生成[A];2006北京地区高校研究生学术交流会——通信与信息技术会议论文集(上)[C];2006年
10 叶伟;贾鑫;刘树贤;;编码调频斜率合成孔径雷达信号抗干扰仿真[A];第十三届全国信号处理学术年会(CCSP-2007)论文集[C];2007年
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1 许伟武;一磅重纳米合成孔径雷达问世[N];中国航空报;2006年
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10 许伟武;军用航空通信革命性变革——雷达通信[N];中国航空报;2007年
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1 陆立明;星载合成孔径雷达目标检测技术研究[D];国防科学技术大学;2004年
2 王力宝;多输入多输出合成孔径雷达关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
3 郭微光;机载超宽带合成孔径雷达运动补偿技术研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2003年
4 孙建;SAR影像的海浪信息反演[D];中国海洋大学;2005年
5 于秋则;合成孔径雷达(SAR)图像匹配导航技术研究[D];华中科技大学;2004年
6 危嵩;机载合成孔径雷达动目标检测与成像研究[D];华中科技大学;2005年
7 杨科;旋转式合成孔径雷达三维成像方法研究[D];西安电子科技大学;2014年
8 孙斌;基于CT成像的合成孔径雷达向量熵成像研究[D];浙江大学;2004年
9 傅斌;SAR浅海水下地形探测[D];中国海洋大学;2005年
10 董骞;基于软件无线电的SAR数字接收机研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 姚刚;合成孔径雷达成像处理技术研究[D];电子科技大学;2001年
2 胡笑斌;SAR图像目标识别中几个问题的研究[D];合肥工业大学;2005年
3 周峰;机载合成孔径雷达基于数据的运动误差分析及补偿研究[D];西安电子科技大学;2005年
4 叶映宇;合成孔径雷达干扰方法的研究[D];电子科技大学;2005年
5 裘金飞;合成孔径雷达(SAR)成像技术研究[D];南京理工大学;2005年
6 姜凤山;合成孔径雷达高速数据记录器研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2004年
7 许一力;合成孔径雷达系统设计的可靠性技术研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2005年
8 史勤峰;Beamlet及其在SAR图像边缘检测中的应用[D];西北工业大学;2006年
9 田旭文;合成孔径雷达超分辨率成像算法研究[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2002年
10 缪建峰;合成孔径雷达运动目标检测与成像方法的研究[D];合肥工业大学;2003年
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