合成孔径雷达图像中地面运动目标检测算法研究

目录

合成孔径雷达图像中地面运动目标检测算法研究 ......................................... I 摘要 ................................................................................................. I ABSTRACT ....................................................................................... I II 第一章绪论 (1)

1.1 课题研究背景和意义 (1)

1.2 国内外SAR运动目标检测研究现状 (2)

1.2.1 多通道SAR系统动目标检测研究现状 (2)

1.2.2 单通道SAR系统动目标检测研究现状 (3)

1.3 本文的主要工作和内容安排 (5)

第二章合成孔径雷达成像原理 (8)

2.1 SAR成像的几何关系 (8)

2.2 线性调频信号 (9)

2.2.1 时域表达式 (9)

2.2.2 线性调频信号的频谱 (11)

2.3 脉冲压缩 (14)

2.3.1 脉冲压缩原理 (14)

2.3.2 匹配滤波器 (15)

2.3.3 距离分辨 (16)

2.3.4 方位分辨 (18)

2.4 本章小结 (20)

第三章目标运动对SAR成像影响的分析 (21)

3.1 运动目标与静止目标成像分析 (21)

3.2 目标在两视图像中特点的分析 (23)

3.3 点目标多普勒频谱分析 (25)

3.4 本章小结 (27)

第四章基于局部二视相似性的动目标检测算法 (28)

4.1 算法流程 (28)

4.2 相似性检测 (29)

V

4.2.1 效率优化 (29)

4.2.2 归一化相关 (31)

4.3 算法参数选取 (32)

4.3.1 邻域的选取 (32)

4.3.2 d的选取 (32)

4.3.3 检测门限的选取 (33)

4.4 中值滤波后处理 (33)

4.5 SAR图像仿真结果 (34)

4.5.1 外场数据检测结果 (34)

4.5.2 仿真数据检测结果 (40)

4.6 本章小结 (43)

第五章基于多普勒频谱分析的动目标检测算法 (44)

5.1 算法流程 (44)

5.2 杂波锁定算法 (45)

5.3 多普勒频谱标准偏差的计算 (48)

5.4 检测门限设定 (49)

5.4.1 测度的选择 (49)

5.4.2 检测边界 (50)

5.5 SAR图像仿真结果 (52)

5.6 算法缺陷分析 (54)

5.7 本章小结 (57)

第六章全文总结与展望 (58)

6.1 主要工作与创新点 (58)

6.2 后续研究工作展望 (59)

参考文献 (60)

致谢 (64)

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 (65)

VI

图录

图2-1SAR数据获取的几何关系 (8)

图2-2线性调频信号示例 (10)

图2-3示例线性调频信号的频谱 (13)

图2-4匹配滤波后的频谱示例 (16)

图2-5正交解调 (17)

图3-1SAR成像平面的几何示意图 (21)

图3-2两视频带分割的示意图 (23)

图3-3时域频域子视关系 (24)

图4-1基于局部二视相似性的动目标检测算法流程 (28)

图4-2两视中相对应的邻域 (30)

图4-3两视局部相似性随邻域位移的变化 (30)

图4-4不同形状的中值滤波窗口 (33)

图4-5场景第一视 (36)

图4-6场景第二视 (36)

图4-7运动目标两视局部相似性随邻域位移的变化 (37)

图4-8静止目标两视局部相似性随邻域位移的变化 (37)

图4-9运动目标和静止目标两视局部相似性随邻域位移的变化 (38)

图4-10外场数据的r (38)

图4-11外场数据加门限后的r (39)

图4-12外场数据加门限和中值滤波后的r (39)

图4-13仿真数据第一视 (40)

图4-14仿真数据第二视 (41)

图4-15仿真数据的r (41)

图4-16仿真数据加门限后的r (42)

图4-17仿真数据加门限和中值滤波后的r (42)

图5-1基于多普勒谱分析的动目标检测算法流程 (44)

图5-2杂波锁定前后的频谱示意图 (47)

图5-3杂波锁定前后的二维频谱示意图 (48)

VII

图5-4二维分布示意图 (51)

图5-5椭圆检测边界 (51)

图5-6SAR图像场景 (52)

图5-7W测度的灰度图 (53)

图5-8加门限后的W (53)

图5-9加门限和中值滤波后的W (54)

图5-10加标记的场景图 (55)

图5-11多普勒带宽变化 (55)

图5-12多普勒中心频率 (56)

VIII

表录

表4-1SAR系统参数 (34)

IX

第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

雷达（Radio Detection and Ranging，Radar）在美国电气电子工程学会（IEEE）标准中的最新定义是[1]：通过发射电磁波信号，接受覆盖范围内的目标回波，从回波中提取位置和其他信息，实现目标检测和定位的电磁系统。雷达的发展始于二战时期，应军事需求而生，最初用于可见度不佳时对飞机、舰船的跟踪。近年来，射频、天线等技术飞速发展，雷达的作用也在进一步拓展。雷达获取的目标信息已经从单纯的距离（一维数据）扩展到了空间位置信息——距离、方位、高度（三维信息）。雷达所检测的目标也由静止目标扩展为运动目标，并可通过多普勒频移检测求取运动目标的速度。雷达检测目标的工作也从简单的检测目标是否存在扩展到目标特征信息（如大小、形状等）的提取。技术的进步和功能的扩展使得雷达在很多领域都得到了广泛的应用。

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)[2]是利用飞行器平台的移动，使一个天线阵元依次通过一个大孔径相控阵天线中各个阵元位置，结合信号分析技术来代替实际大孔径相控阵天线的雷达。SAR的优点在于，它是一种主动的微波遥感成像雷达，不依赖于太阳光照，故不受昼夜影响，这是光学遥感无法比拟的。且由于合成孔径雷达发射的是微波，云雾、降水等天气对它的影响也不大，这一特点优于红外遥感。因而合成孔径雷达具有全天候、全天时获取遥感数据的能力，特别能够适应恶劣的气候和环境，检测和识别目标的能力很强[3, 4]。SAR可以用于收集地表信息，能够获得地貌、地形的准确数据。合成孔径雷达的功能[5]非常繁多，使用的领域非常广泛，分别应用于军事、地质、地理、农林、海洋等科学研究领域[3,6-11]。

拥有以上诸多优势的SAR在信息侦查探测方面占据举足轻重的地位，人们越来越多地将它应用到目标检测方面。经过几十年的发展，SAR地面运动目标检测（Ground Moving Target Indication，GMTI）技术已经日趋完善成熟，在军事和民用领域都得到了广泛的应用，且一直仍是全世界研究的热点。

对于运动目标检测而言，地面静止背景被认为是杂波信号，它与运动目标的回波信号一同被雷达接收。雷达与地面静止背景之间的相对运动是确定的，SAR 系统利用已知的雷达平台的速度以及雷达系统的其他参数来设计匹配滤波器，对

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