海面目标合成孔径雷达成像模拟研究

【摘要】：海面及其上方目标的合成孔径雷达(SAR)成像模拟研究在海洋环境监测、目标识别和信号分离技术中具有重要的科学意义，是提高SAR系统性能、检验成像算法和提高SAR应用效果的重要途径。本论文就此领域的相关问题开展了系统的研究工作。 首先讨论了SAR成像的海浪表面模型。研究了SAR所能“看到”的海面的结构和SAR探测海面大尺度波的机制。应用海浪水质点运动的流体力学模型对波浪进行描述，同时，针对海浪具有的明显的随机性，用振幅、频率、方向、相位不同的波叠加起来描述海浪，介绍了双尺度表面模型以及最新的研究结果。 分析了两种高分辨率的SAR成像处理算法：距离多普勒(RD)算法和Chirp Scaling(CS)算法，并对它们的性能进行了比较。在此基础上，针对普通方法处理双站SAR(Bis-SAR)数据的局限性，提出了一种改进的非线性Chirp Scaling (NLCS)方法来处理一般情况下的Bis-SAR数据。其中关键是应用级数展开来得到信号精确的频谱,然后进行线性距离单元徙动校正(LRCMC)来减少距离-方位耦合，再应用非线性Chirp Scaling对数据进行处理，使之能够进行方位向压缩。模拟结果表明，改进后的非线性Chirp Scaling方法可以处理复杂的Bis-SAR数据。 详细研究了海浪SAR的成像机理。针对SAR系统只能探测与入射电磁波发生Bragg谐振的微尺度波，中尺度海洋现象（如海浪、内波、水下地形、舰船和尾迹等）通过对微尺度波在空间和时间上的调制间接被SAR系统获得而成像的特点。讨论了空间上的调制和时间上的调制对SAR成像的影响。针对谱域调制函数难以实现精确调制的难题，提出一种高效的双叠加模型。然后在此模型的基础上，应用调制分布面元模型(MDSFM)计算海面在合成孔径内的散射截面，结合空域计算和谱域上的调制详细讨论了海浪的调制机理对SAR成像的影响，从而实现海浪SAR成像的精确模拟。并进一步讨论了破碎波对SAR成像的影响。另外，对于舰船和海面复合模型的SAR成像问题，利用物理光学法(PO)和物理绕射等效流方法(PTDEEC)的混合方法来计算电大尺寸舰船目标的高频散射；并在此基础上结合四路径模型和MDSFM方法研究了动态海面及其上方舰船复合目标的SAR成像。 针对海洋干涉SAR测量模式这一项新技术，详细探讨了顺轨干涉SAR (Along-TrackInterferometric Synthetic Aperture Radar， ATI-SAR)和交轨干涉SAR (Across-TrackInterferometric Synthetic Aperture Radar，XTI-SAR)海浪成像机制。得到了ATI-SAR和XTI-SAR的海浪复图像，以及ATI-SAR相位谱与海浪谱之间的非线性映射关系。 针对海面Bis-SAR系统比单站SAR (Mon-SAR)系统更加复杂的几何关系，将调制分布面元模型(MDSFM)拓展到双站，同时研究了速度聚束调制这一SAR成像特有的调制机理对Bis-SAR的影响；通过双站散射机理的分析，来计算海面和复杂目标的复合电磁散射，获得Bis-SAR的散射回波。得到了平飞斜视情况下Bis-SAR图像平面中强度变化表达式，它定量地描述了目标方位位置偏移量,方位向分辨率的下降程度以及海面目标的耦合散射造成的距离向分辨率的下降程度，为Bis-SAR的海洋应用研究及系统设计提供了理论基础。 对Franceschetti提出的SAR原始回波模型进行改进，克服了仅考虑重力波谱的影响和KA近似带来的误差问题，得到了更加精确的海浪SAR回波模型。并在此基础上，应用快速傅里叶变换(FFT)和海浪谱色散关系将三维时域卷积替换为二维频域相乘，使时域方法计算量显著减小，提高了大范围动态海面SAR原始回波模拟的可行性和准确性。