基于时频分析的舰船目标ISAR成像研究

摘要

由于雷达成像相对于光学成像和红外成像具有全天候,全天时的优点,岸基 ISAR对海面舰船目标成像具有重要的国防意义。在较高海情下,舰船目标通常存在三维转动,其运动是航行运动与三维转动的合运动。对于ISAR成像来说,三维转动的存在使得舰船目标的成像投影平面不断变化,回波相位的形式更加复杂。舰船目标的回波信号经距离压缩和运动补偿之后近似为高阶多项式相位信号,其多普勒频率具有时变性,此时传统的距离—多普勒(RD)成像算法无法获得清晰的ISAR像,需采用基于时频分析的距离—瞬时多普勒(RID)算法进行成像。影响距离—瞬时多普勒算法成像效果的关键在于该方法所采用的时频分布的性能。本文提出了一些新的时频分布算法,并应用到 ISAR舰船成像中。此外本文还研究了舰船目标数据段选取的方法。
　　本文的主要工作概述如下:
　　首先,建立了舰船目标的运动模型。将舰船上某散射点的运动视为该散射点绕舰船质心的三维转动与舰船质心相对于雷达的平动的合成,通过该模型得到舰船目标的仿真回波数据。对仿真回波数据,分别运用了RD算法和RID算法进行成像。成像结果表明,RID算法成像效果更好,且可获得目标不同时刻的姿态。
　　之后,针对基于图像对比度的舰船目标数据段选取中存在的问题,提出一种基于转动矢量估计和图像对比度相结合的选段方法。首先采用基于转动矢量估计的选段方法确定目标的俯视图和侧视图的成像起始时刻,然后采用基于图像对比度的选段方法确定最优成像积累时间。针对成像起始时刻的选取,提出一种采用平滑样条曲线拟合的方法来提高估计精度,针对成像积累时间的选取也提出了一种提高估计精度的方法。两种方法相结合进行数据选段,既可以获得舰船的俯、侧视图又避免了单纯运用图像对比度方法选段时需要二维搜索的不足。仿真和实测数据成像结果证明了该选段方法的有效性。
　　然后,针对海情较低情况下的ISAR舰船成像问题,提出基于各种二阶时频分布的RID成像方法对舰船目标进行成像。首先介绍RID算法的原理,之后着重研究了各种二阶时频分布及其在ISAR舰船成像中的应用。这些分布包括魏格纳分布(WVD)、科恩(Cohen)类分布、重排Cohen类分布、S-Method及 L类魏格纳分布(LWVD)。仿真和实测数据的成像结果表明,在低海情下重排Cohen类分布的成像效果最好。
　　最后,针对海情较高情况下的ISAR舰船成像问题,提出基于新型复时间延迟时频分布(CTD)的ISAR成像方法。首先,研究了两类提高CTD时频聚集性的方法和两类抑制CTD交叉项的方法,然后提出一种修正型4阶CTD方法。为提高 CTD的时频聚集性,提出一种广义的CTD,在标准复时间延迟型分布的时间延迟项中引入一个角度参数。通过合理的选取该角度参数和取角变换可抑制 CTD的自交叉项,提高其时频聚集性。此外本文还研究了基于 L类分布提高CTD的时频聚集性的方法。针对CTD对多分量信号会产生互交叉项的问题,本文采用基于频域卷积和基于模糊函数两种方法来对CTD的互交叉项进行抑制。针对CTD在离散化实现中需要通过插值来修正频率尺度的问题,本文提出一种修正型CTD及其L形式,通过对CTD的核函数进行压缩和周期延拓修正了频率尺度,避免了插值。在ISAR成像中,采用基于修正型CTD的方法进行成像可大大减少计算量。舰船成像结果证明了本文提出的新方法的有效性。
　　本文提出的时频分析新算法应用到 ISAR舰船成像中可有效的提高成像质量,也可推广应用到其他信号处理领域。

目录

基于时频分析的舰船目标ISAR 成像研究

RESEARCH ON INVERSE SYNTHETICAPERTURE RADAR IMAGING OF SHIPTARGETS BASED ON TIME-FREQUENCYDISTRIBUTIONS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 ISAR的研究进展与现状

1.2.1 ISAR早期的研究进展

1.2.2 近年来国际与国内ISAR的研究热点

1.2.3 ISAR舰船成像的研究进展与现状

1.3 时频分析方法概述

1.3.1 线性时频分布

1.3.2 二阶时频分布

1.3.3 高阶时频分布

1.4 本文主要研究内容

第2章 ISAR成像的基本原理和舰船目标回波分析

2.1 ISAR成像的基本原理

2.1.1 ISAR转台成像原理

2.1.2 ISAR运动补偿原理

2.1.3 ISAR成像算法

2.2 舰船目标的回波模型

2.3 舰船目标成像分析

2.3.1 侧摆成像分析

2.3.2 偏航成像分析

2.3.3 俯仰成像分析

2.3.4 三维转动成像分析

2.3.5 三维转动+平动成像分析

2.4 本章小结

第3章 舰船目标成像数据段选取方法

3.1 基于图像对比度法则的数据选段方法

3.1.1 图像对比度法则的定义

3.1.2 基于IC的数据选段方法的实现

3.1.3 基于IC的数据选段方法实验结果

3.1.4 基于IC的数据选段方法的优缺点

3.2 基于转动矢量估计的数据选段方法

3.2.1 舰船目标与雷达的几何关系

3.2.2 基于转动矢量估计的数据选段方法的原理

3.2.3 基于转动矢量估计的数据选段方法的实现

3.3 两种方法相结合的数据选段方法

3.4 本章小结

第4章 基于二阶时频分布的ISAR成像方法

4.1 ISAR的距离—瞬时多普勒成像方法

4.2 二阶时频分布

4.2.1 Wigner-Ville 分布

4.2.2 Cohen类时频分布

4.2.3 重排Cohen类时频分布

4.2.4 S-Method分布

4.2.5 L类Wigner-Ville 分布

4.3 仿真与实测数据成像结果

4.3.1 仿真数据成像结果

4.3.2 实测数据成像结果

4.4 本章小结

第5章 基于复延迟型时频分布的舰船目标ISAR成像方法

5.1 复延迟型分布的一般表达式

5.2 提高CTD时频聚集性的方法

5.2.1 基于广义CTD的提高时频聚集性方法

5.2.2 基于L类CTD的提高时频聚集性方法

5.2.3 两种提高CTD时频聚集性方法的比较

5.3 抑制CTD交叉项的方法

5.3.1 基于频域卷积的抑制CTD交叉项方法

5.3.2 基于模糊函数的抑制CTD交叉项方法

5.4 修正型4阶CTD

5.4.1 CTD4的离散化形式

5.4.2 离散CTD4的抑制交叉项实现方法

5.4.3 修正型CTD4及其实现方法

5.5 基于修正4阶CTD的舰船目标ISAR成像研究

5.5.1 基于仿真数据的MCTD4成像研究

5.5.2 基于实测数据的MCTD4成像研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历