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合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)作为一种主动的传感器,具有全天时、全天候、大范围、高分辨率的观测能力,在海洋领域具有很大的应用优势。对于SAR图像中常见的舰船尾迹的研究是SAR海洋应用的一个重要组成部分,本文重点研究从SAR图像尾迹反演舰船的参数。为此要对舰船尾迹产生的流体动力学机理和SAR对尾迹成像的原理进行分析,而理解SAR对尾迹成像原理又需要分析海面微波散射特性和SAR对海面的调制作用。本文通过对尾迹产生机理和SAR成像原理的分析,完成了尾迹的成像仿真实验,并在此基础上推导并提出一种二维频率域的SAR图像Kelvin尾迹反演舰船速度的方法。
首先,本文通过对尾迹产生的流体动力学分析,明确了尾迹的产生原因以及各种尾迹的特征,并对尾迹进行了仿真。在Kelvin尾迹仿真过程中,通过改变舰船几何参数,得到不同舰船参数对Kelvin尾迹仿真结果的影响;对窄V尾迹和内波尾迹则进行了结构仿真,明确这两种尾迹夹角和舰船速度之间的关系;对于湍流尾迹则仿真了对海面的能量抑制作用。
其次,本文利用随机海浪理论,并结合海浪谱的相关分析,生成随机的大尺度海面波,并将尾迹与之叠加,最后得到带有海面背景的尾迹情况。然后分析SAR对海面成像机理,包括倾斜调制、流体动力学调制和速度聚束调制作用;而为解决海面后向散射系数与海面波谱和SAR参数之间的关系,又分析了各种海面微波散射模型,考虑了各模型的适用范围。
再次,本文通过对SAR的尾迹成像理论分析,得到SAR对海面成像的仿真方法,将整个流程分为四个模块,对每个模块进行了分析,最后对叠加了尾迹的海面进行SAR成像仿真,得到SAR的尾迹图像。通过改变SAR参数、海况参数和舰船几何参数进行尾迹仿真,得到不同参数对尾迹成像结果的影响,从而得出SAR对尾迹观测的最佳条件。
最后,本文通过对尾迹的成像机理的分析,推导并提出一种从SAR图像中Kelvin尾迹反演舰船速度的二维方法,并对该方法进行仿真验证。通过改变SAR参数、海况参数和舰船几何参数验证了该方法比传统反演方法具有精度高和稳定性好的优点。并通过对实际图像的处理证实本文方法应用价值。