ISAR运动补偿和成像新方法的研究

摘要

逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，简称ISAR)是一种针对非合作运动目标进行成像的高分辨雷达，具有全天时、全天候和远距离的目标信息感知能力。雷达成像技术与可见光、红外等其他成像技术相互补充可以显著提高对目标的识别能力，在战略防御、深空探测和海上搜救等领域能够发挥极为重要的作用。
　　随着ISAR应用领域的不断拓展和对成像质量要求的不断提高，运动补偿和成像算法等ISAR成像关键技术仍需要改进和发展以更好地适应新的需求。因此对ISAR成像关键技术作进一步探讨和研究非常必要。本文主要研究了ISAR运动补偿和成像算法，具体工作概括如下：
　　第一章绪论回顾了SAR和ISAR的发展背景，介绍了ISAR成像基本原理，简单分析了ISAR运动补偿与成像算法，最后概括了本文主要工作。
　　第二章研究了小转角情况下ISAR二维压缩感知成像技术。成像技术可以分为两部分即成像算法和运动补偿。由于ISAR场景具有稀疏的特性，压缩感知技术利用了稀疏场景回波的冗余性，用少量且随机的回波样本即可高概率地重构ISAR图像。本章基于压缩感知理论提出了一种二维压缩感知成像算法。通过实验我们发现采用传统的运动补偿方法处理随机PRI回波数据并不理想，针对该问题本章提出了一种基于全局最小熵距离对准和基于特征分解相位补偿的运动补偿方法。为了进一步提高运动补偿精度，本章还提出了一种基于设计Gram矩阵的运动补偿方法，该方法将距离对准和相位补偿问题都归结为多参数估计问题，可实现ISAR压缩感知成像中的精确运动补偿。
　　第三章研究了舰船目标ISAR成像技术。在高海情下舰船受海浪涌动造成横摇、纵摇和偏航的三维运动是等效转动的主要来源，等效转动矢量的变化导致了舰船目标多普勒频率的时变特性。时频分布级数是一种在时域和频域都具有高分辨率的时频分析方法，可以克服多普勒频率时变性对成像的影响，同时有效减小了交叉项干扰，但是该算法复杂度较高。针对上述问题，本章介绍了一种时频分布级数改进算法，通过分析时频原子的特点，在保证分辨率的前提下，降低了计算量并提高了原算法效率。与时频分析方法相比，距离多普勒成像算法具有实时性强的优点，但为了降低多普勒频率时变性对成像的不良影响，提高目标方位向分辨率和图像质量，需要选择最优成像时间。本章分析了高海情下舰船目标的运动特点，以及多普勒均方根带宽的概念，提出了一种ISAR舰船目标的最优成像时间选择算法。采用该算法筛选出的数据段成像能够获得较高的图像质量，算法整个过程无需人工干预且计算量适中，适合实时应用。
　　第四章研究了调频连续波体制下ISAR成像技术。调频连续波体制雷达具有相对长的脉冲重复周期，“停、走、停”假设在该体制下并不成立。本章针对调频连续波ISAR成像主要讨论了两个问题：回波信号的相位补偿问题和成像系统的点扩散函数问题。我们基于距离-多普勒成像算法并通过分析相位关系推导出了与运动参数相关的相位误差，介绍了一种基于图像对比度的自聚焦算法。为了得到调频连续波ISAR的点扩散函数，我们导出了回波信号的波数域形式，由此得到了信号的波数域支撑区域，间接推导出了点扩散函数的准确形式。
　　第五章为结束语，对全文主要工作进行了总结，并指出需要进一步研究的问题。

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注释表

第一章 绪论

1.1 逆合成孔径雷达简介及其发展背景

1.2 ISAR成像基本概念

1.3 ISAR运动补偿与成像算法

1.4 本文主要工作

第二章 ISAR随机PRI回波运动补偿与压缩感知成像

2.1引言

2.2 随机PRI回波的运动补偿

2.3 一种基于压缩感知的ISAR成像算法

第三章 舰船目标ISAR成像

3.1引言

3.2海上舰船目标运动模型

3.3 基于图像对比度的最优成像时间选择算法

3.4 基于平均多普勒展宽的ISAR最优成像时间选择算法

3.5多普勒频率是变性对成像影响的分析

3.6 基于时频级数的ISAR舰船目标成像算法

第四章 调频连续波体制下ISAR成像技术

4.1 引言

4.2 调频连续波体制下的ISAR相位补偿问题讨论

4.3 FMCW-ISAR目标点扩散函数

4.4 调频连续波信号的ISAR相位补偿算法仿真数据处理结果

第五章 结束语

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文