SAR水下地形成像的信号建模与成像处理新方法研究

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）水下地形成像是海洋微波遥感中的重要应用之一，相对于传统声呐水深测量方法，具有覆盖面广、周期短和费用低的优势，受到国内外许多国家的高度重视。考虑到现有的国内SAR水下地形观测研究以应用研究为主的现状，为了充分利用日益丰富多样的星载SAR数据资源，提高已有系统的能力，开展SAR水下地形遥感应用基础理论研究具有重要意义。本项目研究SAR水下地形成像的信号建模（包括散射机理和成像机制）与成像处理的新方法，主要内容包括：（1）针对水下地形成像应用，在经典的布拉格(Bragg)海面散射模型的基础上，引入更准确的海面模拟和流体力学调制描述方法，建立一种解析与经验联合的模型；（2）在"速度聚束"SAR海面成像机制的基础上，采用类运动目标成像和运动补偿的思想，建立一种与SAR信号处理分析一致的定量描述，并提出可行的再聚焦方案。

利用SAR图像进行水下地形反演是SAR海洋遥感中的一项重要应用，SAR水下地形成像的信号建模与成像处理所获得的研究成果对应用具有参考价值，本项目在“散射”和“成像”两个方面上开展工作。（1）散射：将现有的线性海面分形模型进行扩展，采用分段函数对二阶Stokes波进行拟合，利用波谷波峰比作为非线性因子，结合海面波浪的分形规律，提出基于分数Weierstrass分形函数的非线性海面分形模型。基于所提的非线性海面分形模型，利用亥姆霍兹方程进行电磁场的闭合解析求解，得到了非线性海面散射场闭合解的一般解析形式，给出一定条件下相应的简化形式，讨论了该散射模型的适用范围。（2）成像：进行海面SAR成像仿真，研究海洋环境和雷达观测条件对海面雷达成像的影响。海面监测是基于压缩感知(CS)的SAR成像新体制的典型应用，提出一种基于分数阶傅立叶变换域稀疏表示的CS-SAR成像方法，并且为了适应海洋的动态特点，进一步地提出了一种联合自聚焦的正则化SAR成像算法。提出基于轮廓波的SAR图像降斑方法，该方法能够去除相关斑，避免伪影，并维持图像的分辨率不下降，这些特点对于SAR图像的后续反演应用提供了基本保障。上述两部分内容相关研究成果的正确性和有效性均采用仿真结合实测数据处理的方式进行了验证。