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干涉合成孔径声纳信号处理算法研究

徐江  
【摘要】: 干涉合成孔径声纳(InSAS)是在合成孔径声纳(SAS)基础上垂直航迹方向增加一副(或多副)接收基阵,通过比相测高的方法得到场景的高度信息,从而得到场景的三维图象。它可用于航道测量、地形/地貌测绘、水下考古、打捞和石油工业等。此外对于提高水雷的识别概率也有益处。本论文对干涉合成孔径声纳信号处理过程进行了全面的论述,对其中的关键技术如保相的二维成像算法、复图像配准、干涉图降噪滤波和二维相位展开作了重点分析,并提出了一些新的方法,论文对推动我国干涉合成孔径声纳信号处理技术的研究具有重要的意义。 论文首先介绍InSAS系统的基本原理,回顾其发展历程,并简述了InSAS技术的国内外现状。 然后对干涉信号处理每个环节进行论述。探讨了保相的SAS成像算法,它是后续干涉处理的前提,分析几种常用的合成孔径雷达(SAR)成像算法在SAS中的应用,通过理论和实验比较各自优缺点。为了解决测距、测速模糊问题,SAS通常采用多子阵技术,而且由于SAS“停—走—停”假设往往不再有效,即测绘带内不同距离回波到达基阵时,基阵存在不可忽略的运动,所以论文提出了一种“停—走—停”假设不成立条件下的多子阵合成孔径声纳逐点成像算法以得到相位保真度更高的复图像。 SAS基阵平台的不稳定性以及水声信道的复杂性使得其运动补偿问题较SAR更为突出,论文对基于回波信号的合成孔径声纳运动补偿方法进行了较深入的研究。 干涉SAS复图像的配准按实际信号处理过程分三个步骤论述:初配准、频谱预滤波和子像素级配准,其中针对预滤波提出了一种自适应的距离向频谱滤波方法。 论述了水平地形效应产生原理及其消除方法,由于水平地形效应的存在使得两幅SAS复图像直接复共轭相乘得到的相位图不能直观地反映出实际地形的拓扑变化,所以在对干涉相位图进行滤波及相位展开处理前应当消除干涉相位图像的水平地形效应。 分析了干涉图相位统计特性,讨论干涉图相位降噪滤波问题,滤波可以针对干涉复图像进行,也可以直接对干涉相位图进行。在研究经典滤波方法的基础上,提出了一种地形适应的自适应干涉SAS滤波方法,在抑制噪声的同时,新方法保持了干涉条纹密集区的信息特征,具有很好的滤波效果。 对二维相位展开问题进行全面和详细的论述,重点分析了分支截断算法、区域增长算法、最小不连续性算法、最小均方算法、最小L~P范数算法和网络流算法的原理与实际应用。对各种算法的有效性、运算时间和内存需求进行了综合比较。由于网络流算法的速度快,更具工程应用价值,论文进行了更深入研究,同时提出了改进算法以得到更为精确的相位展开结果。 传统的单基线InSAS仅仅提供了测量能力,而没有分辨能力。同时,单基线InSAS的相位展开问题非常困难。所以论文对优化阵列结构的多基线干涉SAS的应用进行了探索性的研究。多基线干涉SAS系统能提供了更高的高度维分辨率,避免相位展开;同时,优化阵列在多基线干涉中的应用大大减少了达到一定分辨率所需的阵元数,降低了基阵过大引 国防科学技术大学研究生院学位论文 起的系统开销。 论文最后对全文的工作进行总结,指出有待进一步研究的问题。


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