海面运动舰船的雷达成像技术研究

摘要

我国拥有18000多公里的大陆岸线和大约300万平方公里的专属经济区，是一个海洋大国，海洋权益对于我国而言具有重要的战略意义。在开发、利用和维护海洋的各类活动中，舰船目标作为主要的交通工具和战略载具，其活动状态不仅涉及到相关方面的经济利益，也关系着国家领主主权和海防安全。由于舰船活动范围广阔，加上海面复杂的气象条件，光学和红外等星载/机载遥感设备常常会受到极大的限制。合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）继承了雷达的全天时、全天候的优点。同时雷达被安装在各种载具中，比如飞机、卫星和导弹等，依靠平台的运动获得较高的等效天线孔径，辅以宽带信号波形，它可以提供较高分辨率的目标图像。因此而增加的信息，对于舰船目标的探测具有重大的意义。为了从海浪的运动和杂波中，准确识别舰船目标，就必须要对于海面和舰船目标的散射特性进行研究，并且设计合理的动态海面舰船目标仿真器；其次，为了消除海面上舰船运动导致的雷达成像模糊，就需要研究运动舰船成像的补偿方法。本文结合合成孔径雷达成像理论、海面建模理论和电磁散射理论，设计了一种可以完整的反映海面对于舰船的影响的、快速的动态海面舰船雷达成像仿真器。其次，基于该仿真器，本文重点研究了基于自适应联合时频分析方法的运动舰船补偿算法，及其优化方法和性能分析。 首先，针对于海面舰船的仿真，传统的海面舰船仿真器采用四路径法对于海面和舰船之间的交互进行简化，从而无法全面的反应海面和舰船之间的交互。本文针对这一问题，研究了基于弹跳射线的电磁散射算法和海面舰船的运动理论，设计了一种新型的海面舰船仿真器。该仿真器可以实现400 × 400m的电大场景的仿真，并且可以对于海面舰船在风驱动的成熟海面的运动进行仿真。其次，针对于该仿真器计算量大的问题，利用了图像处理器对于仿真器的电磁计算和雷达成像进行了加速，相比于已有的仿真器大大的提升了计算速度。 基于该仿真器，本文还研究了海面运动舰船的雷达成像补偿技术。首先介绍了自适应联合时频分析的方法，并且对于已有的改进方法：粒子群算法和多项式变换法进行了分析，证明了其在海面运动舰船成像补偿问题上的有效性。其次，提出了一种新型的基于神经网络的自适应联合时频分析的方法，并且着重研究了方法的成像质量、对于噪声的稳定度和效率。通过仿真实验证明，该方法可以有效地对于模糊的雷达图像进行补偿；在给定的成像效果下，方法的运行效率是稳定的，并且随着信噪比的恶化，成像质量没有明显的下降；最后，相比于传统的粒子群和多项式方法，该方法在运行效率上分别提升了407和2.07倍。对于采用仿真器产生的真实舰船结果，该方法也可以有效地进行补偿。

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第一章 绪论

1.1 背景与意义

1.2.1 海面舰船雷达成像仿真

1.2.2 舰船成像补偿方法发展动态

1.3 本文的主要工作

第二章 海面舰船雷达成像与电磁仿真基础

2.1 SAR成像基本原理

2.1.1 距离-多普勒成像

2.1.2 基于后向散射的高分辨成像算法

2.2 动态海面舰船场景模型

2.2.1 海面几何建模

2.2.2 舰船在海面上运动理论

2.3 基于弹跳射线的电磁散射算法

2.4 本章小结

第三章 动态海面对舰船目标的成像分析

3.1 动态海面舰船仿真器设计

3.2 海况对于雷达成像的影响

3.2.1 海面风速的影响

3.2.2 海面风向的影响

3.3 本章小结

第四章 海面运动舰船成像补偿方法

4.1 自适应联合时频运动补偿方法

4.2 参数估计方法

4.2.1 粒子群搜索

4.2.2 多项式相位变换

4.3 仿真实验

4.4 本章小结

第五章 基于神经网络的舰船成像快速补偿方法与性能分析

5.1 基于神经网络的AJTF方法

5.1.1 网络结构设计

5.1.2 训练集设计

5.1.3 基于神经网络的AJTF方法

5.2 补偿方法的性能分析

5.2.1 AJTF-NN的成像结果

5.2.2 AJTF-NN的效率

5.2.3 AJTF-NN的稳定性

5.2.4 基于电磁散射的舰船模型

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致 谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果