空天目标逆合孔径雷达成像新方法研究

摘要

空天目标(aerospace target)即航空和航天目标,它包含大气层中飞行的飞机、飞艇等航空目标和在稠密大气层外,距离地球表面100公里以上宇宙空间中的人造飞行器和空间碎片等航天目标。通过对空天目标的逆合成孔径雷达(ISAR)成像,能够获得其运动态势和各种结构特征,为目标分类、识别和编目提供有力的技术支撑。因此,空天目标ISAR成像技术在国家安全和发展方面发挥着重要作用。现在ISAR成像技术己发展到较高水平,但由于空天目标的特殊性,尚有不少问题有待解决,本论文主要针对这些问题进行研究,主要问题有:具有旋转部件目标和自旋目标的ISAR成像、稀疏频带和稀疏孔径ISAR成像、群目标ISAR成像等。这些问题已分别列入国家自然科学基金“多维度微波成像信息处理研究”、“微多普勒分析与目标微动成像技术”和“863”课题“空间目标雷达宽带特性测量与成像研究”等项目的研究中。
　　 论文的内容可概括为如下六个部分:
　　 为便于说明研究工作的已有基础,第一部分扼要介绍了ISAR成像的基本原理,并对现有的基本ISAR成像方法进行了总结和归纳。
　　 第二部分研究了具有旋转部件目标的ISAR回波分离和二维成像算法。建立了具有旋转部件目标的ISAR成像模型,并根据目标回波的特征提出一种有效的成像流程以获得刚体部分和旋转部件的全面信息。在旋转部件与刚体回波分离方面,提出了基于复数经验模态分解(CEMD)和低调频率匹配滤波的分离方法。在旋转部件二维成像方面,提出了基于实数逆-Radon变换(RIRT)和复数逆-Radon变换(CIRT)的成像方法,并对算法的性能进行了分析。针对所提算法在实际应用中可能遇到的问题,提出了相应的解决方法。通过对仿真数据和实测数据的处理验证了相关算法的有效性。
　　 第三部分研究了自旋目标的窄带雷达ISAR成像方法。根据自旋目标的窄带雷达回波特征,提出了基于窄带复数后向投影的自旋目标窄带雷达成像算法,并推导了算法的分辨率。针对高速旋转目标回波通常存在方位欠采样的情况,根据压缩感知(CS)理论和目标回波的稀疏性特点,提出基于正交匹配追踪(OMP)的自旋目标窄带雷达成像算法,从而提高了窄带雷达对目标的成像和识别能力。最后,将该算法向自旋目标宽带雷达ISAR成像进行了推广。
　　 第四部分研究了空间自旋目标宽带三维ISAR成像方法。根据自旋散射点回波在距离.慢时间域具有正弦包络和相位这一特征,提出基于宽带复数后向投影的自旋目标三维高分辨ISAR成像算法。由于采用了全回波相干积累,该方法具有较高的分辨率和抗加性噪声性能。根据光滑进动锥体的电磁特征,建立了其ISAR成像的同波模型,并研究了光滑进动锥体的动态电磁仿真方法。根据其距离-慢时间域回波的正弦特征,应用宽带复数后向投影算法得到了进动锥体电磁仿真回波的三维ISAR图像。为解决单站雷达不能对自旋目标三维ISAR图像横向定标的问题,提出一种基于双基ISAR构型的自旋目标三维成像和图像定标方法。
　　 第五部分研究了稀疏频带和稀疏孔径成像。针对空间高速运动目标的稀疏频带ISAR成像问题,在建立其成像几何模型和信号模型的基础上,分析了目标高速运动对不同频带一维距离像和方位像的影响,并提出了有效的补偿算法。在此基础上,提出一种基于空缺数据填补和散射点特征参数估计的稀疏频带成像方法。针对稀疏孔径成像问题,根据块状、随机两种缺损形式对应的回波特点,提出一种方位稀疏孔径成像算法。对于块状缺损的方位回波,提出一种有效的包络对齐方法。根据稀疏信号重构理论,以过冗余字典的互相关为依据进行算法选择。在互相关较小时,采用基追踪(BP)算法得到方位像；对于互相关较大时的块状缺损数据,则采用缺损数据幅度-相位估计(GAPES)算法进行成像。仿真和实测数据的成像结果验证了相应算法的有效性。
　　 第六部分研究了群目标的ISAR成像。针对机动群目标成像,提出一种参数化的匀加速直线运动群目标ISAR成像方法。由于该方法采用参数化方法进行精确的平动补偿,因此所得群目标图像聚焦良好。此外,由于不需要对子目标的一次相位项进行分别补偿,因此降低了参数搜索的运算复杂度。针对旋转群目标成像,建立了旋转群目标匀速直线运动时的ISAR成像模型,提出一种有效的、结合平动补偿的旋转群目标三维成像方法。同时,该方法能够估计出散射点后向散射系数随雷达视角的变化特征,因此能够得到对目标更完整的描述。