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南京航空航天大学
博士学位论文
合成孔径雷达回波仿真与图像模拟
姓名:夏伟杰
申请学位级别:博士
专业:信号与信息处理
指导教师:周建江
2010-05
南京航空航天大学博士学位论文
摘要
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar:SAR)已经广泛应用于军事领域和民用领域,合
成孔径雷达回波仿真和图像模拟技术对于 SAR 系统的设计、验证、SAR 成像算法检验和 SAR
图像的自动解译等具有重要作用。本文系统深入地研究了 SAR 回波仿真和图像模拟的相关内
容,分别从典型地形的 SAR 回波仿真和图像模拟以及典型目标的 SAR 图像模拟两个方面展开
了研究,建立了一套较为完整的典型地形的 SAR 回波仿真和图像模拟的应用框架结构,完成了
典型目标的 SAR 图像模拟。本文的主要工作和贡献如下:
1) 提出了一种基于组合分形方法的符合自然地形特性的各向异性地形生成方法。提出了
两种外形可控地形的分形几何地形生成方法,分别利用地形的初始控制点和融合曲面法来控制
生成的分形地形的外形,实现了典型地形的分形几何建模。
2) 将分形几何地形建模、粗糙面电磁散射计算、SAR 回波频域仿真以及 SAR 成像算法
相结合,建立了一套完整的典型地形的 SAR 回波仿真与图像模拟的方法,完成了典型地形的
SAR 图像的建模,同时本文还给出了 SAR 频域回波仿真方法误差的详细分析。
3) 提出了改进的非理想航迹情况下的 SAR 回波快速仿真方法:在方位向波束角较小的假
设情况下,本文对原有公式进行了重新推导,去掉了距离积分中的方位向逆傅立叶变换,合并
了原仿真算法的若干计算环节,通过这两种方式加快了仿真速度;在方位向波束角较小附加以
中等航迹偏移速度假设情况下, 本文将 SAR 系统传递函数分离成距离向和方位向两个独立函
数,减少了距离积分中的计算量,加快了仿真速度。
4) 提出了适用于平行飞行、满足平移不变性条件下的双站 SAR 频域仿真方法:通过对理
想航迹平飞正侧视、非理想航迹下的平飞正侧视以及理想航迹平飞斜视情况等几种情况下的双
站 SAR 距离历程的分析,经过和单站对应情况下的距离历程的对比,本文导出了双站 SAR 系
统参数和单站 SAR 系统参数的转换关系。在此基础上,成功地将单站情况下的 SAR 回波仿真
的频域快速方法拓展到双站 SAR 系统的情况,仿真结果表明了本文这种等效方法的有效性。
5) 提出了基于像素法的典型目标的 SAR 图像模拟方法,该方法首先计算目标各个象素点
的复电磁散射率,之后利用矢量叠加的方法将目标的复电磁散射率分布图转换为对应的 SAR 图
像,计算速度快。另外还给出了典型目标的转台图像模拟方法,采用频率步进方法得到了典型
目标的转台回波信号,通过成像处理后得到了典型目标的转台模拟图像。
关键词:合成孔径雷达,回波仿真,图像模拟,分形几何,随机粗糙面,电磁散射,双站合成
孔径雷达,像素法
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合成孔径雷达回波仿真与图像模拟
Abstract
Synthetic aperture radar (Synthetic Aperture Radar: SAR) has been widely used in military and
civilian fields. Techniques of synthetic aperture radar raw signal simulation and image simulation play
an important role for the SAR system design, validation, SAR imaging algorithm testing and
automatic interpretation of SAR images, etc. These techniques are deeply studied in this paper. Two
aspects of SAR simulation studies are carried out in this paper: the SAR raw signal simulation and
image simulation of the typical terrain, as well as SAR image simulation of the typical targets. The
framework for the SAR raw signal simulation and image simulation of the ty