基于海面场景的SAR成像模拟及电磁散射特性研究

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自1976年始,随着芒德勃罗(Mandelbrot)一系列关于分形(Fractal)的著作出版,分形理论便引起了全球科学界的关注,并立即在很多科学领域体现出它的重大价值。分形理论在对自然界的复杂构成机制描述与分析方面提供了简便而实用的工具,从而得到了众多行业的重视与应用。复杂粗糙海面场景的电磁散射研究向来是一个关注热点,由于整体与局部具有自相似性,同时每一个局部都可以上升为相似性的整体,在粗糙海面的电磁散射研究中,分形理论自然而然的被人们所采用。其对于海面电磁多路径散射、海杂波的研究有一定的意义;同时还能对海浪、海流、内波等海面物理现象进行一定的解释;并在一定程度上推动了海面溢油、水面舰艇等海洋SAR监测的发展与应用。近些年来,海洋科学家们开始将分形方法应用于海面建模与海浪的波谱分析中。本文首先对当前的研究现状与研究意义进行简要分析,同时介绍了本文的结构内容与创新点。首先通过对合成孔径雷达在海洋遥感应用上的主要参数进行了简要介绍,在此基础上引入对粗糙面散射进行分析的基尔霍夫近似方法,并使用稳相法进行了几何光学解的推导,进而根据麦克斯韦方程,通过对电磁波极化方式的分析,推导了极化椭圆方程,并对常用的极化方式进行了理论上的介绍。最后,应用极化球、斯托克斯矩阵,针对散射目标的极化表征,讨论了收发共置的单站散射矩阵与收发分置的双站散射矩阵。通过分别介绍海面的一维、二维分形模型,利用该模型,结合海面电磁Bragg散射模型、以及海浪成像过程中的速度聚束机制等理论模型,分别针对单色波与复杂海面进行了成像模拟,并结合海洋波浪谱与合成孔径雷达成像的特点,进行了统计分析,验证了该海面模型在SAR成像处理上的有效性。讨论了星载SAR回波信号生成算法。首先给出了一种时域算法模拟来精确模拟目标SAR回波信号,该算法关于椭圆轨道下目标与雷达之间斜距的精确计算存在计算量过大的不足,不适合产生分布目标的回波信号。因此,又给出了一种频域回波信号生成算法,该方法能够在满足一定条件下利用二维FFT算法快速产生分布目标的回波信号,具有较高的计算效率。基于Kirchhoff近似理论和Franceschetti地面场景仿真模型,实现了一种根据小平面单元与SAR之间的几何关系计算小平面单元后向散射系数的算法。在利用Kirchhoff远场近似方程计算后向散射系数时,给出了计算该公式第二部分的方法。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
第一章 绪论第12-19页
    1.1 研究目的及意义第12-13页
    1.2 研究现状第13-17页
        1.2.1 海面成像模型研究现状第13-15页
        1.2.2 粗糙海面散射理论概述第15-17页
    1.3 理论意义第17页
    1.4 论文结构及主要内容第17-18页
    1.5 论文的主要创新点第18-19页
第二章 微波遥感与电磁散射基础第19-51页
    2.1 合成孔径雷达的基本概念第19-25页
        2.1.1 合成孔径雷达系统参数第19-21页
        2.1.2 SAR 空间分辨率第21-25页
            2.1.2.1 距离向分辨率第21-22页
            2.1.2.2 方位向分辨率第22-25页
    2.2 基尔霍夫近似第25-31页
        2.2.1 瑞利准则第25-26页
        2.2.2 基尔霍夫近似第26-31页
            2.2.2.1 切平面近似第26-29页
            2.2.2.2 稳相法第29-31页
    2.3 雷达极化学理论第31-50页
        2.3.1 电磁波的极化特征第32-41页
            2.3.1.1 麦克斯韦方程第32-34页
            2.3.1.2 电磁波极化表征第34-35页
            2.3.1.3 极化椭圆表征第35-38页
            2.3.1.4 庞加莱极化球第38-41页
        2.3.2 极化散射矩阵第41-50页
            2.3.2.1 单站散射矩阵第41-43页
            2.3.2.2 双站散射矩阵第43页
            2.3.2.3 辛克莱散射矩阵第43-46页
            2.3.2.4 穆勒矩阵第46-50页
    2.4 本章小结第50-51页
第三章 海面SAR 成像模拟第51-67页
    3.1 分形海面第51-52页
    3.2 分形海面模型第52-57页
        3.2.1 一维分形海面第52-56页
            3.2.1.1 一维分形海面模型第54-56页
        3.2.2 二维分形海面第56-57页
            3.2.2.1 二维分形海面模型第56-57页
    3.3 分形海面SAR 成像模拟第57-66页
    3.4 本章小结第66-67页
第四章 星载合成孔径雷达回波模型第67-88页
    4.1 星载合成孔径雷达目标分类第67-69页
    4.2 星载合成孔径雷达点目标回波信号生成算法第69-73页
        4.2.1 模型建立第69-71页
        4.2.2 生成算法第71-73页
    4.3 分布目标信号模型及生成算法第73-87页
        4.3.1 分布目标模型建立第73-75页
            4.3.1.1 分布目标的散射模型第74-75页
            4.3.1.2 分布目标的几何模型第75页
        4.3.2 小平面单元散射理论第75-81页
            4.3.2.1 水平坐标系下小平面单元散射系数计算第75-77页
            4.3.2.2 斜面坐标系下小平面单元散射系数计算第77-80页
            4.3.2.3 小平面单元散射系数的确定第80-81页
        4.3.3 分布目标算法生成第81-87页
            4.3.3.1 散射系数模拟第82-83页
            4.3.3.2 阴影区确定第83页
            4.3.3.3 算法生成第83-87页
    4.4 本章小结第87-88页
第五章 海面散射特性第88-101页
    5.1 极化散射截面第89-93页
        5.1.1 海面场景与入射角确定第89-90页
        5.1.2 入射角与RCS 的关系第90-91页
        5.1.3 频率波长与RCS 的关系第91-92页
        5.1.4 风向与RCS 的关系第92-93页
    5.2 海面SAR 电磁散射模型和海浪对雷达信号的调制作用第93-101页
        5.2.1 海面粗糙度和布拉格散射第93-94页
        5.2.2 海面电磁波散射模型第94-101页
            5.2.2.1 光学散射模型第95页
            5.2.2.2 布拉格散射模型第95-96页
            5.2.2.3 复合表面原理第96-98页
            5.2.2.4 三尺度模型第98-99页
            5.2.2.5 全波模型第99-100页
            5.2.2.6 三种尺度的划分第100-101页
第六章 总结与展望第101-103页
    6.1 总结第101-102页
    6.2 展望第102-103页
致谢第103-104页
参考文献第104-113页
攻读博士学位期间发表的论文第113-114页
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