船舶尾流极化SAR成像模拟及反演

发布时间：2020-06-06 02:07

【摘要】：利用极化SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)对船舶尾流进行成像模拟与反演的主要目的在于对尾流信息的获取与处理,从而实现对海洋运动目标的检测、识别、分类与跟踪。对船舶尾流进行极化SAR成像模拟及参数反演不仅在海洋环境的探测与监视方面具有重要意义,而且为国家海洋军事强国战略的推进提供了理论基础。本文基于极化理论、细长体理论、流体力学理论、海浪谱模型、相干斑噪声理论、数学形态学图像处理方法、线性反演算法,在船舶尾流及粗糙海面数学模型的建立与求解、船舶尾流极化SAR成像模拟、船舶尾流极化SAR仿真图像及真实图像的检测与反演三个方面进行了研究,完成的主要内容如下所述:1.极化SAR成像相关理论基础的综述。首先从极化和合成孔径的概念入手,阐述了极化SAR的工作原理与成像原理;其次通过对比,总结了船舶尾流光学图像与极化SAR图像的差异,重点给出了船舶尾流极化SAR的相干斑噪声图像特性;最后简要的论述了船舶尾流的分类,从尾流波散射理论和尾流波调制理论两个方面总结了不同类型的船舶尾流极化SAR的成像机理。2.基于相干斑噪声模型的船舶尾流及粗糙海面数学模型的建立与求解。首先,根据船舶细长体理论、流体力学等相关理论,建立了船舶尾流波高模型,通过模型的求解,模拟了五种不同几何尺度的船舶在航速相同时以及同一船舶在航速不同时的尾流波高,并分析了不同船舶几何尺度以及不同船舶航速对船舶尾流波高一维、二维、三维模拟结果的影响;其次,根据PM海浪谱模型建立了粗糙海面模型,运用FFT(Fast Fourier Transform)与IFFT(Inverse FFT)的方法求解模型,得到了不同海面上空风速条件下粗糙海面的模拟结果,并对不同风速下的粗糙海面进行了特性分析;最后,利用相干斑噪声模型,将船舶尾流与粗糙海面叠加后的复合粗糙表面图像进行处理,实现了船舶尾流极化SAR图像的功能模拟。3.船舶尾流极化SAR图像检测及参数反演。首先,运用数学形态学方法对船舶尾流极化SAR仿真图像与船舶尾流极化SAR真实图像进行去噪、膨胀腐蚀、边界提取预处理,保留重要的船舶尾流信息;其次,利用两种线性反演算法对预处理后的船舶尾流图像进行变换检测,并对两种算法的检测结果进行评价;最后,在MATLAB中利用像素坐标与像素长度进行反演计算,并对反演得到的船舶尾流横波波长、船舶航速的数值进行误差分析,证实了反演方法的有效性。
【图文】：

示意图,极化SAR,工作原理,示意图

成像机制的研究是十分重要的。由于在研究雷达二维成像相关问磁波的极化理论工作的，因此本文将极化与 SAR 视为一个整体概化 SAR 的工作原理，对极化的概念进行了详细的解释；其次利用制对比了极化 SAR 图像与普通光学图像的差异，并总结了极化 S照船舶尾流不同的分类从电磁散射理论与长短波调制理论两个方 SAR 的成像机理。SAR 工作原理AR 实际上是一种基于电磁波极化理论而工作的高分辨率相干成像 2.1 所示，在此坐标系中，H 为极化 SAR 平台高度，为雷达入角度，R 是雷达天线到目标点的距离。与大多数雷达的工作原理相发射天线向目标发射电磁波脉冲，在目标表面发生反射或散射之目标回波，利用时间差测定距离；并且还可以利用合成孔径平台的对目标进行二维成像。

极化SAR,光学图像,尾流,船舶

2.3.1 噪声特性由于极化 SAR 特殊的成像方式，使得极化 SAR 图像具有明显的噪声特性；极化 SAR在成像工作时，发射的电磁波是相干的，所以被探测目标的散射回波信号也是相干的；并且这些相干电磁波使目标散射表面具有数值很大的随机起伏，这些起伏在极化 SAR 图像上的表现即为相干斑噪声。相干斑噪声的存在会使极化 SAR 图像的灰度变得不均匀，并且图像的信噪比下降，是影响极化 SAR 图像质量的最大障碍因素，，严重时还可能引起探测目标的丢失。图 2.5 给出了两幅图片，其中图（a）为某海洋背景下的船舶尾流光学图像，图（b）为欧空局发射的雷达成像卫星 ERS-2 于 1996 年 4 月得到的船舶尾流图像[63]，通过对比，可以清晰的看到船舶尾流光学图像与极化 SAR 图像的差异，两幅图呈现出的灰度是不一样的，并且图 2.5（b）存在更严重的噪声。因此，在极化 SAR 图像中检测、提取船舶尾流相关信息时，噪声会很严重的影响识别、检测的结果，会使检测结果出现虚警，因此，对极化 SAR 图像进行去噪研究是尤为重要的，同样也是雷达图像研究的重点内容。
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U675.7;TN957.52

【相似文献】