单站ISAR对外空目标3-D成像技术研究

摘要

雷达三维成像在对外空目标如卫星、空间碎片和空间站进行跟踪、识别以及对天体的观测等领域具有重要的应用前景。目前对运动目标进行三维成像的常规方法是利用多天线的干涉逆合成孔径方法(InISAR),位于目标上同一水平和距离但不同高度上的散射中心不能得到区分,另外该算法在实现方面具有一定的复杂性和难度。针对InISAR存在的上述的一些缺点,本文根据外空目标运动参数可以精确已知的特点,对三种利用单站雷达对外空目标进行三维成像的方法进行了研究,它们分别为距离-多普勒方法、基于ISAR一维距离像的三维成像方法和基于ISAR二维回波数据的三维成像方法。对于第一种方法,本文首先研究了逆合成孔径的转台成像原理以及ISAR回波信号的三维表达形式,提出利用距离-多普勒算法对外空目标进行三维成像的方法。并利用该方法对建立的目标模型进行三维成像,从而验证了R-D算法对三维旋转目标进行三维成像的可行性,但该方法的成像效果受到旋转角度大小限制以及需要目标在成像时间内相对雷达具有三维旋转运动。对于第二种方法,本文根据目标散射中心在雷达视线上的几何投影,分析了利用不同时刻下ISAR一维距离像对雷达目标进行三维成像的基本原理以及该方法涉及的距离参数的估计和散射中心匹配与提取等技术难点,提出了利用几何绕射理论模型(GTD)模型描述目标宽带RCS回波数据、利用空间谱估计算法估计距离参数以及基于统计直方图和C-均值法的散射中心匹配和提取方法的三维成像方法。最后利用GTD散射模型生成的回波数据进行成像实验,验证该方法不受目标运动方式的限制且具有实现简单、成像效果好以及稳定等优点。对于第三种方法,本文研究了ISAR距离-多普勒二维数据以及二维全极模型的特点,分析了利用估计得到的不同时刻下ISAR二维回波数据的距离和距离率对雷达目标进行三维成像的基本原理和对参数进行估计的方法,提出将ISAR回波数据近似为二维全极模型进行处理、利用子空间算法ACMP进行估计参数的三维成像方法。最后本文利用建立的ISAR二维回波数据进行成像实验,验证该算法同样具有不受目标运动形式的限制、实现简单成像效果好以及稳定等优点。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1 逆合成孔径雷达的发展状况

1.2.2 ISAR三维成像技术的研究历史及现状

1.3 本文的结构安排

第2章 ISAR成像的基本原理

2.1 引言

2.2 ISAR成像的距离-多普勒解释

2.3 三维旋转目标的ISAR回波信号表达

2.4 径向分辨率与方位向分辨率

2.4.1 径向分辨率

2.4.2 方位向分辨率

2.5 单站ISAR三维成像算法

2.5.1 距离-多普勒成像算法

2.5.2 基于ISAR一维距离像和二维回波数据的三维成像方法

2.5.3 实验结果及分析

2.6 本章小结

第3章 基于ISAR一维距离像的目标三维成像

3.1 引言

3.2 基于一维距离像的三维成像基本原理

3.3 GTD模型的参数估计

3.3.1 用MUSIC算法进行参数估计

3.3.2 用ESPRIT算法进行参数估计

3.4 散射中的匹配

3.5 实验结果及分析

3.6 本章小结

第4章 基于ISAR二维回波数据的三维成像

4.1 引言

4.2 基于ISAR二维回波数据的三维成像原理

4.3 ACMP算法

4.3.1 数据模型

4.3.2 ACMP算法

4.4 实验结果及分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢