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高分宽幅SAR海洋内波探测与参数提取技术研究

郭路鹏  
【摘要】:海洋内波是一种分布范围较广的海洋现象,对内波的有效探测需要借助广域高分辨探测手段。合成孔径雷达(SAR)具有全天候、全天时、高分辨的优势,常被用来对地面、海洋探测成像,在SAR基础上扩展出的高分宽幅SAR和干涉SAR也成为海洋探测中重要研究方向,其中采用多发多收(MIMO)的模式实现高分宽幅SAR探测成像成为研究热点,以获取大覆盖、高分辨的海洋图像,同时应用干涉处理可以获得海洋的动态信息。本文主要设计满足高分宽幅条件的星载MIMO-SAR,实现MIMO-SAR对海洋内波的高分宽幅测量和参数提取,主要研究内容如下:本文首先通过对海洋内波的一维、二维以及水下运动物体引起的内波模型的研究和仿真,分析了水下运动物体不同深度和速度对内波幅度的影响。对随机海浪进行推导和仿真,而内波与随机海浪之间不是简单的叠加关系,通过对波流相互作用的分析推导,仿真了随机海浪背景下的内波,对内波和电磁波之间的作用机理进行探讨,利用多尺度散射模型形成内波的电磁散射模型。然后,针对星载SAR研究单基相控阵MIMO-SAR,分析雷达系统参数及平台和环境对成像的影响因素,探讨星载高分宽幅MIMO-SAR的轨道高度、频率、极化方式、下视角、阵列和脉冲重复周期,实现宽覆盖高分辨对海探测的可行性,分析不同风速、风向、波幅对SAR成像中内波幅度影响,并给出水下目标深度和速度对成像的影响分析,开展数值仿真与水池实验,实验分析结果为高分辨宽幅成像奠定基础。其次,对设计的高分宽幅星载MIMO-SAR进行算法设计。针对高分宽幅MIMO-SAR系统的波形设计,采用基于遗传算法的正交编码波形,通过正交编码与线性调频信号的叠加获得的模糊函数具有低旁瓣、距离分辨率高的优势。通过正交编码分离后、解决方位模糊处理,获得方位高分辨分辨。通过距离向的均匀多波束,实现DBF聚焦处理,提升距离向分辨率和峰值旁瓣比。最后,利用获取的内波SAR图像进行经验模态分解、集成经验模态分解、完备集成经验模态分解和二维经验模态分解,提取内波波长,通过对几种方法提取结果的对比,得到完备集成经验模态分解对星载SAR内波图像分解结果最优的结论,利用干涉SAR图像进行波速提取,将提取结果与原始波速拟合得出提取结果与原始波速较为一致的结论。


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