雷达目标的二维全极化散射中心提取与隐身性能分析

摘要

现代军用飞行器结构日趋复杂化，传统的将装备视作点目标的RCS信息已经不能描述复杂目标的结构特征。高分辨雷达成像方法可以更好地描述目标的几何结构，体现复杂目标的强散射结构。隐身军事目标常采用涂覆材料、贴装材料、几何结构调整等电磁隐身优化来达到雷达隐身的目的。
　　本论文重点研究高分辨雷达成像算法和该类算法在隐身性能评估方面的应用，以及基于雷达RCS和ISAR成像的飞行器隐身的预估分析方法。最后介绍了实际工程中的三维建模和电磁仿真方法，为本论文的算法研究提供研究数据。
　　文章从以下几个方面展开研究:
　　(1)本论文分析了雷达目标RCS只能用于分析点目标的局限性，引出了基于矩阵理论的能够提取多散射中心的高分辨雷达成像。介绍了矩量法、时域有限差分法、高频算法三种电磁散射计算方法，这为高分辨雷达成像提供数据源。阐述了雷达回波信号的预算理方法，包括多种平滑预处理方法以及空域滤波的协方差矩阵去相关方法。
　　(2)本论文从雷达回波信号模型出发，逐步分析并推导了MUSIC和ESPRIT高分辨雷达成像算法，并阐述了相关的矩阵论理论基础，即正交投影理论、子空间旋转不变理论、广义特征值分解、奇异值分解等。对ESPRIT成像算法进行了若干方面的改进，得到基于相干极化散射模型的ESPRIT算法，用以处理全极化信号矢量。算法能够准确完成横向分辨和纵向分辨的极化配对问题，成像效率更高，获取的强散射中心更加全面准确。
　　(3)本论文对相干极化理想点散射模型的雷达回波信号模型进行流程化的处理，最终得到散射中心位置和散射中心强度估计的数学表达式。编程并测试了MUSIC、ESPRIT、2D-TLS-ESPRIT成像算法的成像性能，验证成像算法的准确性。在仿真实验中，使用不同带宽和极化的雷达电磁波照射目标，评估这种改变造成的成像差异。
　　(4)本论文研究了多个电磁仿真软件的雷达回波数据文件的物理含义，并开发了相应的远场数据读取代码，为高分辨成像提供仿真数据输入接口。研究了相关的电磁数值计算方法、几何建模方法，为本论文的算法研究提供研究数据。
　　(5)本论文研究了飞行器材料隐身相关技术，分析了新型人工电磁材料的全反射和绕射的隐身原理。基于几何建模和电磁仿真手段，将新型人工电磁材料贴装于飞行器表面，计算其后向散射回波。然后利用优化过的高分辨成像算法，对贴装新型人工电磁材料的飞行器进行高分辨雷达成像，获取飞行器的散射中心分布，并分析和评估了新型人工电磁材料的隐身效能。
　　本论文实现了多种电磁仿真软件的远场数据接口和二维MUSIC和ESPRIT算法，并采用电磁仿真和高分辨成像对新型人工电磁材料的隐身性能进行的分析和评估。本论文的工作涉及到几何建模、电磁仿真、信号处理和雷达成像等多个领域的知识，是一个多学科交叉的研究课题。本论文在雷达目标特性和隐身性能分析方面应用了有别于传统的ISAR成像方法，这对于雷达隐身技术方面的国防基础研究具有积极的意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 应用背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 极化散射中心的概念

1．2．2 雷达回波的解相干技术

1．2．3 参数化散射中心提取方法

1．2．4 雷达回波散射电场的获取

1．2．5 飞行器雷达隐身技术的发展

1．2．6 新型人工电磁材料的雷达隐身应用

1．3 本文工作内容安排

第二章 散射信息的获取与散射信息的预处理

2．1 雷达散射截面

2．2 典型散射结构的雷达RCS

2．3 雷达散射截面积的模型与缩减方法

2．4．1 矩量法

2．4．2 时域有限差分法

2．4．3 物理光学的高频算法

2．5 散射信号相关性的问题

2．6 三维复杂目标的几何建模和电磁仿真

2．6．1 三维建模及电磁仿真软件FEKO

2．6．2 时域积分及高频电磁仿真软件CST

2．6．3 三维建模软件Rhino

2．7 CST及FEKO散射场数据的输入接口

2．8 本章小节

第三章 基于MUSIC和ESPRIT算法的目标成像

3．1 传统ISAR成像算法

3．1．1 ISAR成像算法推导

3．1．2 能够突破瑞利极限的参数化散射中心提取与高分辨雷达成像

3．2 子空间的正交投影理论

3．3 子空间的旋转不变性

3．4 雷达目标特性与高分辨距离像

3．5 MUSIC成像算法的流程

3．6 ESPRIT成像算法的流程

3．7 改进的2D-TLS-ESPRIT算法

3．7．1 散射中心提取思路

3．7．2 雷达接收信号的解相干处理

3．7．3 获取散射中心数目及信号子空间的确定

3．7．4 二维问题的散射中心位置

3．7．5 散射中心类型及散射中心幅度估计

3．7．6 特征值分解的三种方法

3．7．7 复杂目标成像结果图

3．8 改进的2D-TLS-ESPRIT算法成像实践

3．9 本章小节

第四章 高分辨雷达成像的隐身应用

4．1 飞行器隐身技术

4．2 新型人工电磁材料特性

4．2．1 各向同性的新型人工电磁材料

4．2．2 各向异性新型人工电磁材料

4．3 新型人工电磁材料在飞行器隐身方面的应用

4．4 本章小节

第五章 总结展望

5．1 论文工作总结

5．2 论文创新点

致谢

参考文献

附录

作者简介