基于海面场景的SAR成像模拟及电磁散射特性研究

摘要

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。

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第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 研究现状

1.3 理论意义

1.4 论文结构及主要内容

1.5 论文的主要创新点

第二章 微波遥感与电磁散射基础

2.1 合成孔径雷达的基本概念

2.2 基尔霍夫近似

2.3 雷达极化学理论

2.4 本章小结

第三章 海面SAR成像模拟

3.1 分形海面

3.2 分形海面模型

3.3 分形海面SAR成像模拟

3.4 本章小结

第四章 星载合成孔径雷达回波模型

4.1星载合成孔径雷达目标分类

4.2星载合成孔径雷达点目标回波信号生成算法

4.3分布目标信号模型及生成算法

4.4本章小结

第五章 海面散射特性

5.1 极化散射截面

5.2海面SAR电磁散射模型和海浪对雷达信号的调制作用

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文