基于微波探测雷达的冰层厚度反演算法的研究与实现

摘要

海洋占据着全球面积的71％，轻微的变化都可能给人类社会和全球气候带来很大的影响。海冰是海洋的重要组成部分，是海洋环境变化的主要因素之一，因此对海冰的探测一直是海洋探测领域的一个研究重点。由于海冰本身结构复杂，相比其他海洋探测领域海冰厚度探测技术发展的比较缓慢，导致世界各国对冰层厚度探测系统的需求都非常迫切。
　　在研究了国内外的各种冰层探测技术及其优缺点的基础上，针对我国沿海地区薄冰的特点，项目组设计完成了FMCW制式的冰层探测系统，本文主要的研究内容是雷达系统的冰层厚度反演算法的研究与实现。
　　针对上面介绍的研究内容，在研究和改进冰层厚度反演算法过程中，本文分析与总结了系统在实际应用中存在的问题并给出了相应的解决方案：为了确定雷达系统探测周期的起始时刻点以获取有效的信号数据和消除探测周期拐点处失真信号对结果的影响，设计了适用于本系统的信号预处理方案；针对VCO线性度问题，采用subband算法进行软件矫正；针对FFT的栅栏效应，采用FFT-CZT联合算法提升探测精度；为了消除系统随机噪声的影响，采用小波阈值去噪方法；为了优化最终结果的显示效果，在数据处理时做了去低频杂波、加窗以及均值滤波等手段。在此基础上，本文设计完成了一套基于FMCW测距原理的探冰雷达仿真系统，并利用该仿真系统初步验证了冰层厚度反演算法的有效性和准确性。
　　同时，以上述FMCW雷达系统和相关冰层厚度反演算法为基础，针对冰层截面探测的具体应用，本文还创新性的提出了将 FMCW测距原理与SAR成像原理相结合的算法，成功提高了方位向分辨率并实现了冰层截面成像的功能。同时根据上述应用于冰层截面探测的FMCW-SAR算法，本文设计了相应的仿真系统。该仿真系统中加入了冰层的物理特性对电磁波的影响，最终得到了两点和多点的成像效果图，初步验证了FMCW-SAR算法应用到冰层截面成像时的有效性和准确性。

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第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 冰层厚度测量的国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

1.5 本章小结

第二章 FMCW雷达及FMCW-SAR原理

2.1 FMCW雷达简介

2.2 FMCW雷达的优点

2.3 FMCW雷达原理

2.4 FMCW-SAR雷达简介

2.5 FMCW-SAR雷达原理

2.6 本章小结

第三章 FMCW雷达冰厚探测系统的建模

3.1 FMCW仿真系统的构架

3.2 信号收发模块

3.3 中频信号产生模块

3.4 冰层物理模型反演模块

3.5 FMCW探冰雷达仿真系统设计流程图

3.6 本章小结

第四章 冰层厚度反演算法的实现及仿真结果分析

4.1 FMCW雷达冰层厚度反演算法的实现

4.2 仿真的相关参数

4.3 仿真结果与分析

4.4 本章小结

第五章 FMCW-SAR冰层截面成像算法的实现及仿真结果分析

5.1 FMCW-SAR应用设计前提条件

5.2 FMCW-SAR数据处理关键技术

5.3 FMCW-SAR冰层截面成像算法

5.4 仿真实验的设计

5.5 仿真参数的设置

5.6 仿真结果与讨论

5.7 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

攻读硕士学位期间取得的成果