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1、 分类号 TP957 学号 09040104 密级 公 开 工学硕士学位论文 港口区域港口区域 SAR 图像目标检测技术研究图像目标检测技术研究 硕士生姓名 李 云 龙 学 科 专 业 信息与通信工程 研 究 方 向 精确制导自动目标识别技术 指 导 教 师 赵宏钟 副教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 港口区域 S A R 图像目标检测技术研究 国防科学技术大学研究生院 Research on Techniques of Target Detection for SAR Image of Harbor Region Candidate：L
2、I Yunlong Advisor： ZHAO Hongzhong A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Information )() t RR s rrVss (2.39) 其中，( ; )R s r表示任意时刻s时，SAR平台与目标的瞬时斜距。一般情况下， 0 Vssr，于是有菲涅尔近似成立： 2 222 1/22 00 ( ; )() () 2 t V RR s rrVssrss r (2.40) 由(2
3、.40)式可知，SAR平台与目标的瞬时斜距与飞行时间s和垂直斜距r有关。 地面上的不同目标，其垂直斜距r不同，但当目标距SAR平台较远时，可近似认为 目标处于一条垂直斜距r不变的矩形观测带中，如 图2.10所示。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 24 页 2.4.1.2 点目标点目标 SAR 回波信号模型回波信号模型 如 图2.10所示，SAR平台在运动过程中，以一定的重复周期发射和接收脉冲 信号，雷达波束照射到地面上一近似矩形的区域，区域内各散射点对入射波产生 后向散射，反射信号经天线方向图的调制最终返回雷达接收机。 设SAR发射信号为线性调频信号脉冲串，其表达式为 83： 2 2
4、 ( )() ( ) cr jf tj K t r s tp tn PRT t p trectee T (2.41) 其中，( )rect 表示矩形信号，PRT为脉冲重复周期， r T为脉冲持续时间， r K为 线性调频信号的调频斜率， c f为载频。 雷达回波信号由发射信号波形、天线方向图、目标RCS、瞬时斜距等因素共 同决定，于是单个点目标的雷达回波信号可以表示为： ( )() 2 ( ; ) rn n n s tW p tn PRT R s t c (2.42) 其中，为点目标的RCS；W为点目标天线方向图双向幅度加权； n 表示雷 达发射第n个脉冲时，目标回波相对于发射脉冲的延时；(
5、; )R s r表示任意时刻s， SAR平台与目标的瞬时斜距，由SAR平台飞行时间s和垂直斜距r共同决定； 2 ( ; )R s t表示雷达与目标之间的往返路程。 (2.42)式可以进一步表示为： 2 2 ( ; )/ ( ) exp(2 ( ; )/ 4 exp( ; )exp 2() r n r r cn tn PRTR s tc s tW rect T j K tn PRTR s tc jR s tjf tn PRT (2.43) (2.43)式 即 为 单 个 点 目 标 的 回 波 信 号 模 型 。 其 中 ， 2 exp(2 ( ; )/ r j K tn PRTR s tc 为
6、chirp分 量 ， 决 定 距 离 向 分 辨 率 ； 4 exp( ; )jR s t 为doppler分量，决定方位向分辨率。 由于在脉冲信号的持续时间里，SAR运动引起的位置变化可以忽略，因此可 以假设SAR满足“停走停”模式，即SAR在发射和接收单个脉冲信号的时间 内，载机的位置并不发生变化。因此，一维回波信号可以用二维形式来表示，经 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 25 页 去载频、正交解调之后，单个点目标的回波信号可以表示为： 2 2 ( ; )/ ( , ; )exp(2 ( ; )/ ) 4 exp( ; ) rr r sar tR s rc s s t rrect
7、j K tR s rc T s rectjR s r T (2.44) 其中， 定义s为慢时间变量 （方位向） ，t为快时间变量 （距离向） ；/ sarsar TLV 为点目标横向穿过雷达波束的时间，即合成孔径时间。 采样波门 1第 个采样点M第个采样点 1第 个脉冲回波 N第 个脉冲回波 ()t距离向 快时间变量 s 0 图 2.11 单个点目标的回波信号二维分布示意图 如 图2.11所示为单个点目标的回波信号二维分布示意图。s表示对慢时间采 样，采样周期为PRT；t表示对快时间采样，采样周期为 r T。如 图2.11所示，雷 达在方位向上连续发射N个脉冲信号，对于每个脉冲信号在距离向上均
8、匀采样， 采样点为M，这时雷达回波信号可以用一NM的矩阵来表示。由此推广到K个 理想点目标的回波信号经采样后的表达式为： 1 2 ( ; ) ( ,)exp( )exp4( ; ) 2 ( ; ) 0( );( ; )( ) 1,2,3;1,2,3 K r k rsar R n k s n mjt mjR n k c R n k t mTR n kx kT c nN mM (2.45) 2.4.2 港口区域 SAR 回波信号模型 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 26 页 港口区域是指由陆域和水域包围而成的区域，主要包括陆地、海面、防波堤、 码头以及停靠的舰船。由于港口区域背景非常复杂
9、，当雷达照射到该片区域时， 各部分反射回雷达的电磁波的强度大小不等，方向也各不相同，因此其回波模型 不能简单地看成是多个孤立分散点目标回波的矢量叠加。我们可以将港口区域按 照地形分布、散射系数、几何特征等参数划分为不同的目标区域，再将每个目标 区域分解成一系列的点目标，则任一时刻的雷达回波信号是所有目标区域的点目 标回波信号之和。对于每一个目标区域，可以采用网格映像法来模拟雷达回波信 号。 2.4.2.1 网格映像法网格映像法 网格映像法 86是由于雷达波束照射区域内的散射体距离太近，而根据雷达的 距离分辨率和频率分辨率，将其划分为独立的网格单元，同时将每一网格单元内 的散射体叠加，从而形成一
10、个新的散射体的过程。对所有新散射体的回波信号进 行相干求和，可以实现雷达回波信号的模拟。 图2.12说明了网格映像法的实现过程。 r f r fff rr 图 2.12 网格单元划分方法 根据网格映像法的思想，将雷达波束照射区域划分为单元大小为rf 的网 格单元，其中r代表雷达的距离分辨率，f代表雷达的方位角频率分辨率。图 2.13所示为地面网格单元的划分过程。 X r f M N Y 等距离环 等多普勒线 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 27 页 图 2.13 地面网格单元的划分 载 机 载 机 Y距离向 X方位向 0 R V 矩形观测带 max r min r max x min
11、 x P Q t R 图 2.14 机载 SAR 与照射区域的几何关系图 图2.14所示为机载SAR与照射区域的几何关系图。根据雷达距离分辨率和方 位分辨率大小，将雷达照射区域在距离向和方位向等分为P Q个网格，每个网格 可以看作一个点目标，根据2.4.1节介绍的点目标回波信号模型，可得雷达照射区 域的回波信号为： 1 2 ( ; ) ( ,)exp( )exp4( ; ) 2 ( ; ) 0( );( ; )( ) 1,2,3;1,2,3 P Q rpq k rsar R n k s n mjt mjR n k c R n k t mTR n kx kT c nN mM (2.46) 其中，
12、 pq 为每个等效点目标的后向散射系数。 2.4.2.2 港口区域港口区域 SAR 回波信号模型回波信号模型 在雷达波束照射下，港口区域目标表面的粗糙程度决定了其表面发生的散射， 并且直接影响回波的强弱。港口区域目标的后向散射系数取决于其表面的起伏程 度，在SAR图像上则表现为不同的灰度特征。因此，我们可以根据港口区域目标 在SAR图像上的灰度特征来描述其散射特性 87。 （一）地面散射特性 地面的散射特性通常由地形种类即地形的起伏程度和介质特性来描述，同时 雷达自身参数如频率、极化、入射角也在一定程度上影响着地面的散射特性。地 面散射主要为漫散射，根据地形的起伏程度 88，可以将地形划分成几
13、种典型的类 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 28 页 别：沙漠、农田、丘陵和高山，不同的地形起伏对应不同的散射系数，其中，沙 漠的起伏程度最低，散射系数最小，高山的起伏程度最高，散射系数最大。 （二）海面散射特性 海面的散射特性通常由海浪的起伏程度决定，海浪可以看成是大起伏的涌与 小起伏的浪组成，是多种粗糙表面的叠加 89。按照波束入射角的大小通常将海面 散射区划分为干涉区、平直区和准镜面反射区，不同散射区的散射主体不同。在 干涉区，入射波与海面反射波的相互干涉起主要作用；准镜面反射区可以认为是 由与雷达方向垂直的一个平面发生镜面反射的结果；平直区是处于干涉区和准镜 面反射区之间的角度区域，反射特性主要受Bragg散射机理的支配。在大多数入射 角范围内，海面后向散射与海面的风速、风向、风的行程也有着密切的关系。 由于港口中海面受风的影响不大，海面较为平静，同时受入射角的影响也不 大，因此后向散射较弱，主要是镜面反射。 （三）防波堤散射特性 防波堤属于分布于海域的形状规则的几何体，满足一定的面积大小，具有明 显的长宽比特征 87。 防波堤的构成复杂
