人造目标极化雷达高分辨率成像特性研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景与意义

合成孔径雷达 (synthetic aperture radar, sar) 是一种主动式的微波成像传感器，由于其几乎可以获得地球每个角落的高分辨率图像而受到广泛关注。与传统光学图像相比，其具有全天时、全天候工作以及穿透云雾等光学图像所不具备的特点。工作在低频段的合成孔径成像雷达甚至可以发现隐藏在树林下、浅层地表下的目标。1957 年美国 michigan 获取了第一幅全聚焦 sar 图像，sar 成像技术已逐渐成熟。1978 年美国成功发射第一颗合成孔径成像雷达卫星 seasat-a 则标志着 sar 已走向实用^[1]。发展 sar 技术已经成为了当今主流趋势之一，其优秀的性能必将为各国所关注。

目前星载合成孔径成像雷达在民用、军事方面具有重大意义。在民用方面sar 可以用来进行灾害评估，如地震引起的山体、道路、桥梁的断裂程度，水灾、雪灾的面积，海洋受污染的程度评估等。利用两部干涉合成孔径成像雷达对同一地区获得的图像，经干涉处理可以形成该地区的三维图像， 因此也可以用于地图测绘。在军事方面 sar 主要用来侦察重要军事目标，例如港口、机场等区域目标，坦克、装甲车等地面目标，无人机等空中目标，同时也可用来对打击效果进行评估。对各类目标的有效识别可为决策提供可靠的帮助。

2. 研究的基本内容与方案

本文将以雷达成像原理与典型几何结构的极化散射特性为基础，通过极化分解将人造目标散射特性分解为多个典型几何结构散射中心对总散射的贡献之合，用人们熟知的典型几何结构表征目标上的主要散射结构，并借此推断出目标的大致轮廓。本文首先对典型结构的极化散射特性进行考虑，研究如平板、二面角、三面角、球体等典型几何结构的极化散射矩阵，建立多种结构的极化散射模型，为目标体散射的极化分解提供支持，并引入 Sinclair 矩阵描述特定目标的散射过程，即：

(2.1)

在人造目标识别研究中，通过相干极化分解分析目标的散射特性，判断散射结构类型是常见方法。本文将首先从 Pauli 分解开始进行分析，其将目标散射分解为奇次散射、偶次散射、偶次散射及不存在散射四种分量，即：

(2.2)

令 ，则 即为 Pauli 分解的特征向量。不同特征向量代表了目标不同的散射特性，可用以区分散射中心的不同结构。其计算简单，且为完备正交基，具有一定抗噪性，但只能区分奇次、偶次散射两种散射机理，具有局限性。之后本文将研究 Krogager 分解，其将目标散射分解为球散射体、二面角散射体及左手或右手螺旋体三种分量，即：

(2.3)

其中 、、分别表示球散射体、二面角散射体及螺旋体的极化散射矩阵，即球散射体代表了奇次散射特性，二面角散射体代表了偶次散射特性。为了更清楚地展示各散射特性所占比重，需要分别计算三种散射特性的相对大小：

(2.4)

(2.5)

(2.6)

上述特征向量 的不同组合值，即对应了不同的散射特性，其对应关系如下表所示。

表1 Krogager 特征参数与典型结构对应关系

最后本文将对 Cameron 分解进行探究，其先后对雷达目标的两个基本特性互易性与对称性进行判断，其分解表达式如下：

(2.7)

其中，表示互易散射体占比，表示对称散射体占比。对应归一化非互易散射体部分，对应归一化对称散射体部分，归一化非对称散射体部分。在满足互易性与对称性的基础上，通过计算最大对称分量，将目标进一步分解为二面角、窄二面角、三面角、偶极子、圆柱体等多种基本分量。Cameron 分解流程图如图 1 所示。

根据典型几何结构的极化散射特性研究，同一种散射特性很可能对应了多种散射结构，例如，奇次散射所对应的散射结构可能为球、平板、三面角或圆柱等，大大干扰了对散射目标几何结构的判断。本文此基础上引入频率依赖因子 ，依据不同结构的散射体散射强度与其频率存在的一定关系，降低分类的不确定性，进一步精确对散射中心几何结构的确定。雷达目标的属性散射中心为：

(2.8)

(2.9)

图1 Cameron 分解流程图

其中 为总散射场，表示各散射中心 的叠加。式中，为散射中心的属性集，为频率依赖因子，为散射中心长度，为散射中心方位角，为散射中心对方位角 的依赖性。当 ，该散射中心为局部散射中心，包括帽型、球体、三面角等；当 ，该散射中心为分布散射中心，平板、二面角、水平圆柱等。频率的依赖因子由典型结构形状的曲率决定，对应表格如下。

表2 频率依赖因子与散射结构对应关系

综上所述，本文将相干极化分解与频率依赖因子 相结合，提出了结合频率和极化特性的散射中心类型判别方法，提取 Krogager 分解获得的特征值 和 ，与频率依赖因子 组合成新的特征向量 ，提高散射中心几何结构的判别精度。对于目标结构估计的大致技术路线如下图 2 所示，首先对目标的散射数据进行处理，随后对目标进行二维成像。在目标极化成像图的基础上对其进行相干极化分解，分析散射机理，通过计算得到频率依赖因子后与极化分解获得的特征值相结合生成新的特征向量，进一步确定散射中心的几何结构，最后根据分析结果判断目标的结构。

图2 结构判断技术路线

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉开发环境。

第6－9周：编程实现各算法，并进行仿真调试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1].邢世其. 人造目标极化雷达三维成像理论与方法研究[d]. 长沙: 国防科技大学, 2012.

[2].王娜. 极化sar 图像人造目标检测技术研究[d]. 长沙: 国防科技大学, 2012.