沿航迹干涉合成孔径雷达回波仿真及洋流参数估计方法研究

论文摘要

海洋资源是现在各国争相开发的新领域,海洋遥感及海洋参数反演是当今雷达研究的热门领域。合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）因其全天时、全天候、广域覆盖的工作能力,在海洋观测方面具备很大的优势。沿航迹干涉合成孔径雷达（Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar,ATI-SAR）在SAR的基础上沿飞行方向放置两个或两个以上的天线,在极短的时间内实现对同一地区的两次观测,通过两次观测图像的相位差信息获取运动目标（本文针对河流和洋流等大面积运动场景）信息,利用其干涉相位信息反演运动目标的参数信息。本文在深入分析海面SAR起伏模型和散射模型的基础上,实现了海洋SAR回波仿真,并在此基础上实现了ATI回波仿真,结合机载沿航迹干涉数据和星载编队卫星数据研究实现了沿航迹洋流参数反演。具体工作如下:（1）根据海洋SAR成像模型,分析了海洋成像与地面固定场景成像在相位历程上的差异,并结合海洋SAR成像模型进一步分析了沿航迹干涉SAR的干涉相位表达式。（2）本论文从仿真海面高程模型开始,通过两种方式（双叠加模型和Monte Carlo方法）用海谱密度函数对海面进行模拟,对比两种方式的优缺点;对海面SAR调制机理进行了深入分析,SAR海面成像主要是由长波对短波的各种调制使海面波与电磁波满足Bragg散射,从而使SAR能接收到真实海面的回波;同时,进一步研究了不同尺度波的电磁散射理论模型:镜面散射模型、微扰散射模型、双尺度散射模型,但这些模型求取的是大范围海面的后向散射系数,无法满足海面SAR回波对电磁散射模型的要求。本文基于Kirchhoff近似理论下的小面元电磁散射模型求海面后向散射系数,之后通过用长波对短波的倾斜调制、流体力学调制以及由于长波轨道运动引起的速度聚束调制对电磁散射模型进行调制,更加逼真地反应了海面SAR回波后向散射系数的统计特性;在上述高程建模、幅度调制建模以及散射建模的基础上,仿真了海面SAR的回波,并对其进行了成像,成像后的统计特性符合理论模型,验证了仿真方法的正确性;进一步实现了海面沿航迹干涉SAR的回波仿真,并反演了仿真数据的洋流参数,反演结果验证了沿航迹干涉SAR仿真及反演方法的有效性。（3）利用实测数据实现了对沿航迹干涉SAR的洋流参数反演。首先对机载沿航迹实测数据进行了成像和洋流参数估计,并对混合基线下的TanDEM-X星载实测数据实现了对西安渭河河流流速的估计。由于海面成像的相干时间较短,本文利用不同的多普勒谱宽分析了海面成像的相干时间,并提出利用图像熵方法对不同多普勒带宽下的机载数据进行成像质量评估。在获得成像数据之后对沿航迹的主辅图像进行干涉处理（配准、相位滤波、相位解缠）,然后直接从干涉相位反演出雷达视线向的多普勒速度,再从多普勒速度中估计出洋流速度。在对混合基线的星载TanDEM-X数据进行干涉处理时,由于同时存在沿航迹基线和垂直航迹基线,本文建立了混合基线构型下的洋流干涉相位模型,并利用辅助DEM结合双基定位方法去除地形相位和平地相位,然后经过干涉处理获得河流流速参数估计。参数反演结果与水文观测结果的对比验证了本文方法的有效性和正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 研究发展与现状
•     1.2.1 沿航迹干涉技术
•     1.2.2 洋流反演技术
•   1.3 论文内容安排
• 第二章 海面波SAR成像原理及ATI-SAR成像历程
•   2.1 海面波SAR成像原理
•   2.2 ATI-SAR成像历程
•   2.3 本章小结
• 第三章 速度聚束调制模型海面成像仿真与沿航迹干涉SAR回波仿真
•   3.1 引言
•   3.2 海面高程模型
•     3.2.1 海谱
•     3.2.2 海面描述的统计参量
•     3.2.3 粗糙海面生成
•     3.2.4 仿真结果
•   3.3 海面SAR回波调制机理
•     3.3.1 倾斜调制
•     3.3.2 流体力学调制
•     3.3.3 速度聚束调制
•     3.3.4 仿真结果
•   3.4 海面电磁散射模型
•     3.4.1 镜面散射的驻留相位模型
•     3.4.2 布拉格散射机制的微扰模型
•     3.4.3 双尺度理论模型
•     3.4.4 海面后向散射系数建模
•   3.5 海面SAR回波仿真
•   3.6 海面ATI测洋流
•     3.6.1 海面ATI仿真原理
•     3.6.2 仿真结果
•   3.7 本章小结
• 第四章 机载/星载实测数据沿航迹洋流参数估计
•   4.1 引言
•   4.2 机载实测数据处理
•     4.2.1 机载沿航迹SAR成像处理
•     4.2.2 机载沿航迹干涉处理
•     4.2.3 机载沿航迹洋流参数估计
•   4.3 混合基线星载InSAR实测数据处理
•     4.3.1 混合基线InSAR干涉相位模型
•     4.3.2 星载数据干涉处理
•     4.3.3 星载数据河流参数估计
•   4.4 本章小结
• 第五章 工作总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 景乐乐

导师: 索志勇,于海锋

关键词: 沿航迹干涉合成孔径雷达,海面模拟,海面电磁建模,海面成像,洋流参数估计

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,电信技术

单位: 西安电子科技大学

分类号: TN957.51;P714

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001104

总页数: 93

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