分数阶Fourier变换在SAR目标检测和成像中的应用研究

摘要

合成孔径雷达（SAR）能够得到二维高分辨率雷达图像，并具有全天候全时段的工作能力，从而在军用上和民用上都得到了较广泛的应用。合成孔径雷达的目标回波信号通常是非平稳的，具有线性调频（LFM）信号的特征。 分数阶傅立叶变换（FRFT）是一种新兴的非平稳信号处理方法，它是一种线性的时频处理方法，具有很高的时频分辨率，不存在交叉项干扰问题，因而对分析和处理多分量LFM信号具有十分优良的特性。 本文主要研究FRFT在合成孔径雷达目标检测和成像处理中的应用。论文首先详细介绍了分数阶Fourier变换定义和基本性质，对其相关概念进行了系统的分析和研究。然后从LFM信号的时频特性和分数阶Fourier变换的性质出发，着重讨论了两种基于分数阶Fourier变换的LFM信号的检测方法：最大值检测方法和峰度检测方法，最大值检测只能用在高信噪比的情况下，而峰度检测可以有效地抑制白噪声，在较低的信噪比下仍然有良好的检测性能，仿真表明了在-12dB的信噪比下峰度检测依旧能有效地检测到信号。同时针对多分量LFM信号各信号分量强度不一，弱信号分量被强信号分量淹没的问题，给出了一种基于分数阶Fourier域滤波和峰度检测的LFM信号检测方法，该方法通过分数阶Fourier域滤波和峰度检测相结合，可以有效地检测到弱信号分量，仿真分析表明，在强信号分量信噪比为5dB，弱信号分量为-9dB的情况下，即强信号分量强度约为弱信号分量强度25倍左右的情况下，该方法能有效地检测到信号。最后，对一种基于分数阶Fourier变换的Chirp Scaling成像算法进行了系统的讨论，从算法原理、实现过程等方面，分析了该算法，并进行了仿真分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 合成孔径雷达简介

1.2 分数阶Fourier变换的发展

1.3 SAR检测动目标技术发展状况

1.4 SAR的图像处理

1.5 本文的内容安排

第2章 相关理论简介

2.1 SAR成像的相关概念

2.1.1 回波数据的采集和记录

2.1.2 SAR成像的基本原理

2.2 机载SAR动目标信号模型

2.3 时频分析的基本概念

2.4 分数阶Fourier变换简介

2.4.1 分数阶Fourier变换的基本定义

2.4.2 分数傅立叶变换的基本性质

2.4.3 分数傅立叶变换的数值计算

2.4.4 时间和频率的无量纲化

2.5 本章小结

第3章 基于分数傅立叶域滤波和峰值检测的LFM信号检测和调频率估计

3.1 引言

3.2 LFM信号的时频特性和FRFT分析

3.2.1 LFM信号的时频特性

3.2.2 LFM信号的FRFT分析

3.3 基于分数分数傅立叶域滤波和峰值检测的LFM信号检测

3.3.1 基于分数阶Fourier域的最大值检测

3.3.2 峰度的概念

3.3.3 数学证明

3.3.4 基于分数傅立叶域的峰度检测

3.3.5 算法的性能分析

3.3.6 基于分数傅立叶域滤波和峰值检测的LFM信号检测

3.3.7 仿真分析

3.4 本章小结

第4章 基于分数阶Fourier变换的Chirp Scaling成像算法

4.1 引言

4.2 SAR回波信号模型

4.3 距离徙动

4.4 标准Chirp Scaling算法概述

4.5 基于分数阶Fourier变换的Chirp Scaling成像算法

4.5.1 算法概述

4.5.2 算法的数学模型及流程

4.5.3 仿真结果

4.6 本章小结

第5章 总结和展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果