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成像高度计回波跟踪算法及若干关键技术研究

作　者: 王志森
导　师: 姜景山；张云华
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 空间物理学
关键词: 高度计 回波模型 鲁棒性跟踪算法 自适应跟踪系统 合成孔径成像误差校正 干涉成像 相位配准 相位解缠绕
分类号: TP751
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要


成像高度计是当今国际上正处于研究开发阶段的新一代微波遥感器，它将传统高度计技术、合成孔径技术和干涉成像技术三者的优点有机地结合在一起，能够实现三维成像，可形成全新的工作方式和具备更加强大的功能。因此，作为新一代功能强大，技术先进的综合型微波遥感器，成像高度计必将在21世纪的微波遥感领域发挥重要的作用。我国姜景山院士等一批富有远见的科学家早在20世纪80年代就提出了发展成像高度计的计划，并推动了对该项计划的预研，在20世纪90年代将其列入国家的863计划，定名为中国成像高度计(China Imaging Altimeter-CIALT)。成像高度计对于国民经济、国家安全、科学探索等方面具有重大的积极意义。 作为具有国际先进水平的新型微波遥感器，CIALT的实现非常复杂，采用了许多先进技术。其中具备重要意义的技术创新点体现在两个方面：一是采用了能适用于远离天底点观测模式和面向海冰、陆地等复杂环境观测的鲁棒性回波跟踪算法，这突破了传统高度计只能用于近天底点模式、面向海洋观测的局限性，使其工作范围更广、方式更灵活；二是将高度计获取目标面起伏特征的能力与干涉成像技术结合起来，可以更好提取目标高度分布信息，而合成孔径技术提供的目标在距离向和方位向高分辨率的特征分布信息，则使最终的三维成像成为可能。 在CIALT回波跟踪算法及其关键技术研究中，本文完成的主要工作包括： (1)完成了CIALT有关高度测量技术、合成孔径技术和干涉成像技术的发展背景与发展方向方面的综合分析，为后续研究工作的先进性和可靠性打下了较为坚实的基础。 (2)建立了一套能适用于通常情况下的海洋、海冰、和部分陆地环境的高度计回波模型，结合高度计工作环境和回波模型的特点建立了LMM(Low-order Model and Moment-低次模低阶距)鲁棒性高度计跟踪算法以满足CIALT的工作要求，对其原理、性能和应用价值进行了较为全面而详细的分析说明与仿真实验验证。上述成果也是本文的主要创新点。同时，本文提出了两种高精度的高度计跟踪算法的设计思想，并对其性能和特点进行了分析。最后完成了以LMM鲁棒性跟踪算法为核心的高度计自适应跟踪系统的原理设计。上述研究工作的完成，将保证CIALT在多种复杂类型目标环境中都能以良好的状态进行工作， 成像高度计回波跟踪算法及若干关键技术研究 抗环境于扰的能力将大为增强。 门）通过对合成孔径成像机理的研究，对其成像过程中的各类误差源进行 了较为细致而全面的分析，进而研究了各种误差校于的技术，并结合 CIALT的特点设计了一套完整的合成孔径成像误差校干方案，最后通 过仿真实验对其性能进行了验证。结果表明，该方案可以有效地进行 误差校于及合成孔径成像，为CIALT的实际应用提供了很好的合成孔 径成像技术解抉方案。 （4）最后，我们研究了基于合成孔径复图像的干涉成像的原理、关键 技术仟节等万面的内容，在此基础1：，着重研究有关图象配准和相位 去模糊的技术，为CIALT能够真厅实现三维成像打下了良好的基 石出。

全文目录


第一章 研究背景  11-29
  1．1． 微波遥感器的基本原理和分类  11-14
  1．2． 雷达高度计的发展状况  14-19
  1．3． 合成孔径技术的发展状况  19-21
  1．4． 干涉成像技术的发展状况  21-26
  1．5． 三种技术的特点分析与比较  26-27
  1．6． 成像高度计（CIALT）及研究重点  27-29
    1．6．1． 成像高度计简介  27
    1．6．2． CIALT的主要特点  27-28
    1．6．3． 本文的研究重点  28-29
第二章 通用型高度计回波模型  29-39
  2．1． BROWN模型的原理与局限性  29-30
  2．2． 通用型高度计回波模型的建立  30-37
    2．2．1． 点目标回波响应  31-32
    2．2．2． 单一类型目标的平坦面回波响应  32-35
    2．2．3． 复合类型目标的平坦面回波响应  35-36
    2．2．4． 起伏目标面回波响应  36-37
  2．3． 通用型回波模型的特点分析及应用  37-38
  2．4． 结论  38-39
第三章 低次模低阶距（LMM）鲁棒性跟踪算法  39-56
  3．1． 典型高度计跟踪算法特点分析  39-41
  3．2． 鲁棒性跟踪算法的设计思想  41-42
  3．3． OCOG跟踪算法  42-44
  3．4． LMM鲁棒性跟踪算法的实现方法与分析  44-46
    3．4．1． 回波跟踪点  44
    3．4．2． 矩形重心  44-45
    3．4．3． 等效矩形宽度  45-46
  3．5． LMM鲁棒性算法的性能分析  46-54
    3．5．1． LMM鲁棒性跟踪算法的性能指标  46-47
    3．5．2． 鲁棒性估计的均值与方差  47-48
    3．5．3． 仿真实验  48-54
    3．5．4． 实验结果分析  54
  3．6． 结论  54-56
第四章 高精度高度计跟踪算法  56-64
  4．1． 精确高度计回波模型  56-57
    4．1．1． 参量定义  56-57
    4．1．2． 精确回波模型  57
  4．2． 最小均方差波形拟合法  57-60
    4．2．1． 算法的基本原理  57-58
    4．2．2． 算法的具体实现  58-59
    4．2．3． 算法的性能分析  59-60
  4．3． 最大似然估计法  60-63
    4．3．1． 算法的基本原理和性质  60-61
    4．3．2． 雷达杂波分布模型  61-62
    4．3．3． 算法的具体实现  62
    4．3．4． 算法的性能分析  62-63
  4．4． 结论  63-64
第五章 自适应性高度计跟踪系统设计  64-68
  5．1． 跟踪系统的基本工作原理  64
  5．2． 预测器的设计方案  64-67
    5．2．1． 预测器的功能和基本原理  64
    5．2．2． α-β滤波器设计  64-66
    5．2．3． 插值器设计  66
    5．2．4． 预测器信号跟踪仿真实验  66-67
  5．3． 高度计自适应跟踪系统的原理框图  67-68
第六章 CIALT合成孔径处理中的误差校正与成像方案  68-95
  6．1． 合成孔径的基本原理  68-69
  6．2． 合成孔径处理的基本表达形式  69-70
  6．3． 合成孔径成像的基本处理过程  70-72
  6．4． 误差分类与分析  72-76
    6．4．1 距离徒动误差  72
    6．4．2． 图象斑纹噪声误差  72
    6．4．3． 运动误差  72-76
  6．5． 误差校正技术  76-83
    6．5．1． 距离徒动校正技术  76-78
    6．5．2． 图象斑纹噪声误差校正技术  78-80
    6．5．3． 运动误差校正技术  80-83
  6．6． 合成孔径误差补偿及二维成像方案流程图  83-85
  6．7． 校正方案仿真实验与结果分析  85-94
    6．7．1． 仿真目的和环境设置  85
    6．7．2． 仿真实验结果  85-94
  6．8． 结论  94-95
第七章 干涉成像技术研究  95-109
  7．1． 高度计与合成孔径技术的局限性  95-96
    7．1．1． 高度计的局限性  95
    7．1．2． 合成孔径技术的局限性  95-96
  7．2． 干涉成像的原理  96-99
    7．2．1． 干涉成像的基本过程  96-97
    7．2．2． 点目标干涉成像  97-98
    7．2．3． 分布目标干涉成像  98-99
  7．3． 干涉成像的高程灵敏度分析  99
  7．4． 干涉成像的基本工作模式  99
  7．5． 干涉成像的关键环节  99-100
  7．6． 干涉图象配准  100-102
    7．6．1． 图象配准的定义  100
    7．6．2． 图象配准的基本方法  100-102
  7．7． 相位解去模糊  102-106
    7．7．1． 干涉相位的模糊问题  102
    7．7．2． 相位差的最大似然估计  102-104
    7．7．3． 相位解缠绕  104-106
  7．8． 相位解缠绕仿真实验与结果分析  106-108
  7．9． 结论  108-109
附录（1）  109-112
参考文献  112-119
发表文章  119-120
致谢  120

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 遥感技术 > 遥感图像的解译、识别与处理 > 图像处理方法
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