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合成孔径雷达回波仿真与图像模拟

作　者: 夏伟杰
导　师: 周建江
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 合成孔径雷达回波仿真图像模拟分形几何随机粗糙面电磁散射双站合成孔径雷达像素法
分类号: TN958
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar:SAR)已经广泛应用于军事领域和民用领域,合成孔径雷达回波仿真和图像模拟技术对于SAR系统的设计、验证、SAR成像算法检验和SAR图像的自动解译等具有重要作用。本文系统深入地研究了SAR回波仿真和图像模拟的相关内容,分别从典型地形的SAR回波仿真和图像模拟以及典型目标的SAR图像模拟两个方面展开了研究,建立了一套较为完整的典型地形的SAR回波仿真和图像模拟的应用框架结构,完成了典型目标的SAR图像模拟。本文的主要工作和贡献如下:1)提出了一种基于组合分形方法的符合自然地形特性的各向异性地形生成方法。提出了两种外形可控地形的分形几何地形生成方法,分别利用地形的初始控制点和融合曲面法来控制生成的分形地形的外形,实现了典型地形的分形几何建模。2)将分形几何地形建模、粗糙面电磁散射计算、SAR回波频域仿真以及SAR成像算法相结合,建立了一套完整的典型地形的SAR回波仿真与图像模拟的方法,完成了典型地形的SAR图像的建模,同时本文还给出了SAR频域回波仿真方法误差的详细分析。3)提出了改进的非理想航迹情况下的SAR回波快速仿真方法:在方位向波束角较小的假设情况下,本文对原有公式进行了重新推导,去掉了距离积分中的方位向逆傅立叶变换,合并了原仿真算法的若干计算环节,通过这两种方式加快了仿真速度;在方位向波束角较小附加以中等航迹偏移速度假设情况下,本文将SAR系统传递函数分离成距离向和方位向两个独立函数,减少了距离积分中的计算量,加快了仿真速度。4)提出了适用于平行飞行、满足平移不变性条件下的双站SAR频域仿真方法:通过对理想航迹平飞正侧视、非理想航迹下的平飞正侧视以及理想航迹平飞斜视情况等几种情况下的双站SAR距离历程的分析,经过和单站对应情况下的距离历程的对比,本文导出了双站SAR系统参数和单站SAR系统参数的转换关系。在此基础上,成功地将单站情况下的SAR回波仿真的频域快速方法拓展到双站SAR系统的情况,仿真结果表明了本文这种等效方法的有效性。5)提出了基于像素法的典型目标的SAR图像模拟方法,该方法首先计算目标各个象素点的复电磁散射率,之后利用矢量叠加的方法将目标的复电磁散射率分布图转换为对应的SAR图像,计算速度快。另外还给出了典型目标的转台图像模拟方法,采用频率步进方法得到了典型目标的转台回波信号,通过成像处理后得到了典型目标的转台模拟图像。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
图、表清单  10-14
缩写注释表  14
符号变量注释表  14-15
第一章绪论  15-28
  1.1 合成孔径雷达技术的历史与发展  15-16
  1.2 合成孔径雷达回波仿真与图像模拟技术的发展和现状  16-23
    1.2.1 合成孔径雷达模拟技术研究的意义  16-17
    1.2.2 SAR 回波仿真与图像模拟技术的发展和现状  17-23
  1.3 论文研究任务  23-24
  1.4 论文内容  24-26
  1.5 论文主要创新点  26-28
第二章分形地形建模仿真  28-55
  2.1 分形几何理论  28-29
    2.1.1 分形维数及其计算方法  28-29
  2.2 分形布朗运动与地形模拟  29-31
  2.3 分形布朗运动的实现方法  31-37
    2.3.1 随机中点位移法  32-35
    2.3.2 逐次随机增加法（SRA）  35-37
  2.4 各向异性地形生成方法  37-43
  2.5 基于SRA 方法的可控地形生成方法  43-47
    2.5.1 基于地形控制点的可控地形生成方法  43-46
    2.5.2 基于融合曲面的可控地形生成方法  46-47
  2.6 典型地形的分形几何建模  47-54
    2.6.1 海岸地形  47-49
    2.6.2 海岛地形  49-51
    2.6.3 火山口地形  51-52
    2.6.4 环形山分布的月球表面  52-54
  2.7 小结  54-55
第三章随机粗糙面电磁散射计算  55-79
  3.1 随机粗糙面与极化散射  55-57
    3.1.1 粗糙面的描述方法  55-56
    3.1.2 极化散射矩阵  56-57
  3.2 随机粗糙面散射计算  57-78
    3.2.1 Kirchhoff 近似方法  57-73
    3.2.2 SPM 方法  73-75
    3.2.3 倾斜地面下的坐标系转换  75-78
  3.3 小结  78-79
第四章 SAR 回波仿真与典型地形SAR 图像模拟  79-114
  4.1 SAR 成像原理  80-82
    4.1.1 线性调频信号与脉冲压缩  80-82
    4.1.2 合成孔径原理  82
  4.2 SAR 回波分析  82-86
    4.2.1 时域分析  82-84
    4.2.2 频域分析  84-86
  4.3 SAR 成像算法  86-89
    4.3.1 ω- K 算法  86-88
    4.3.2 基于ISCFT（Inverse range-scaled FT）的SAR 成像算法  88-89
  4.4 点目标SAR 回波仿真  89-98
    4.4.1 时域方法  89-92
    4.4.2 频域方法  92-97
    4.4.3 时域方法和频域方法的比较  97-98
  4.5 典型地形场景的SAR 回波仿真与图像模拟  98-112
    4.5.1 SAR 成像的侧视特点和几何畸变现象  98-99
    4.5.2 相干斑噪声及其计算机模拟  99-100
    4.5.3 典型地形的极化散射系数计算  100-104
    4.5.4 地形散射系数矩阵的投影转换  104
    4.5.5 仿真结果与讨论  104-112
  4.6 小结  112-114
第五章非理想航迹情况下SAR 回波仿真  114-135
  5.1 航迹偏移情况下SAR 回波计算  114-116
  5.2 近似条件下航迹偏移SAR 回波快速计算方法  116-133
    5.2.1 窄波束角和航迹偏移较慢条件下的快速回波仿真算法  117-118
    5.2.2 窄方位向波束角条件下的快速回波仿真算法  118-125
    5.2.3 窄方位向波束角、中等航迹偏移速度及忽略距离徙动下的回波仿真  125-133
    5.2.4 计算量分析  133
  5.3 小结  133-135
第六章双站SAR 回波仿真  135-153
  6.1 双/多基SAR 组成、特点与发展现状  135-136
  6.2 理想航迹平飞正侧视双站SAR 回波仿真  136-142
    6.2.1 双站SAR 几何关系和距离历程分析  136-138
    6.2.2 双站时域回波模型  138-139
    6.2.3 双站和单站参数等效关系  139-140
    6.2.4 等效单站法SAR 回波频域仿真  140-142
  6.3 航迹偏移情况下平飞正侧视双站SAR 回波仿真  142-147
    6.3.1 双站SAR 几何关系和距离历程分析  142-143
    6.3.2 双站和单站参数等效关系  143-145
    6.3.3 等效单站法SAR 回波频域仿真  145-147
  6.4 理想航迹下平飞斜视双站SAR 回波仿真  147-152
    6.4.1 斜视双站SAR 几何关系和距离历程分析  147-148
    6.4.2 平飞斜视双站和斜视单站SAR 参数等效关系  148-150
    6.4.3 斜视双站SAR 时域回波模型  150
    6.4.4 等效单站斜视SAR 时域回波模型和传递函数  150
    6.4.5 斜视情况下等效单站法SAR 回波频域仿真  150-152
  6.5 小结  152-153
第七章典型目标合成孔径雷达图像模拟  153-166
  7.1 目标特性计算中的像素法  153-155
    7.1.1 目标像素生成  154
    7.1.2 物理光学法和等效电磁流法  154-155
  7.2 典型目标的SAR 图像模拟  155-160
    7.2.1 典型目标的SAR 图像模拟流程  155
    7.2.2 典型目标的SAR 图像模拟结果  155-160
  7.3 转台成像仿真  160-165
    7.3.1 转台成像原理  160-162
    7.3.2 典型目标转台图像模拟  162-165
  7.4 小结  165-166
第八章结束语  166-169
  8.1 研究总结  166-167
  8.2 启发与展望  167-169
参考文献  169-177
致谢  177-178
在学期间的研究成果及发表的学术论文  178

合成孔径雷达回波仿真与图像模拟

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