舰载单/双基地逆合成孔径雷达空中目标成像研究

摘要

逆合成孔径雷达（ISAR）是一种全天候、全天时的远程探测手段，具有对运动目标进行成像的能力，被广泛应用于目标跟踪、目标识别、机场监视等场合。相比于传统体制雷达，ISAR的高距离维分辨率源自其发射的宽带信号，而高方位维分辨率则依赖于雷达与目标间相对运动产生的多普勒效应。
　　舰载ISAR随海浪做三维摆动，对于做平稳飞行的空中目标而言，其慢时间维回波存在高阶相位项，进而，传统距离-多普勒（R-D）算法会产生散焦问题。因此，更加适应于舰载ISAR回波信号的高阶相位信号处理算法是提高舰载ISAR成像质量的关键。在此基础上，对于岸基-舰载双基地 ISAR成像，校正由时变的双基地角引起的畸变问题；对于舰载ISAR三维成像，克服传统干涉技术硬件设备复杂的缺点，也是两个值得深入研究的方向。针对以上舰载ISAR研究领域所存在的问题，本论文做了深入理论分析和实验研究。论文开展的主要工作可概括如下：
　　1.分别建立了舰载单/双基地ISAR及其三维成像问题的研究模型，推导了回波信号形式，并根据回波特点进行了相关问题的分析。对于舰载ISAR，利用舰船三维摆动模型分析其散焦问题，对比了现有的舰载ISAR成像方法，指出了图像质量仍有进一步提升的空间；对于双基地ISAR，分析了其散焦问题与畸变问题的成因，给出了可忽略散焦问题或畸变问题的参数限制条件，得到了对于平稳飞行目标而言，散焦问题一般可以忽略（散焦项远小于雷达分辨单元），而畸变项则必须进行消除（畸变项远大于雷达分辨单元）的结论；对于干涉ISAR，则从成像机理上，说明了其存在硬件设备复杂的缺点，探讨了其高度维成像精度及无模糊区间大小的影响因素。
　　2.提出了RCCD算法对舰载ISAR慢时间维回波信号的高阶相位项进行估计与处理。该算法的核心是通过改进CPF核函数并引入Radon变换来实现对初始调频率与调频变化率的同步估计，进而避免了误差积累。该算法采用了更加适用于真实舰载ISAR回波的幅度调制-三阶相位信号（AM-CPS）模型，因而具有更高的散射点重构精度。运算量分析说明了该算法具有适中的运算量；交叉项讨论则证明了多分量信号产生的交叉项一般不会对信号自身项的检测产生干扰；鲁棒性分析则验证了 RCCD具有较高的抗噪声性能。仿真实验、半实测数据实验及实测数据实验均验证了该算法相对于已有的高阶相位信号处理方法具有更好的成像质量。
　　3.研究了岸基-舰载双基地ISAR散焦问题与畸变问题，提出了基于RCCD算法的散焦消除方法与基于特显点联立估计的畸变校正方法。本论文构建了岸基-舰载双基地ISAR研究模型，并对其散焦项与畸变项的表达式进行了数学推导，说明了其散焦问题来源于舰载雷达随海浪进行的复杂三维摆动，而其畸变问题则来源于时变的双基地角。对于散焦问题，本论文采用 RCCD算法对高阶散焦项进行了精确估计与消除。而对于畸变问题，本论文则提出了基于特显点联立估计的图像畸变校正方法。通过联立岸基雷达发射-接收的单基地ISAR图像及岸基发射-舰载接收双基地ISAR图像上的特显点并对特显点坐标方程进行求解，该方法实现了对畸变项的精确估计与补偿。对比实验验证了以上方法的有效性与实用性。
　　4.研究了舰载 ISAR三维成像技术，通过利用由舰载雷达三维摆动所产生的高阶相位项，提出了基于单发射-单接收舰载 ISAR的三维成像方法。该方法的距离维分辨率、方位维分辨率与高度维分辨率分别来源于雷达回波的距离维信息、慢时间维频率信息及慢时间维调频率信息。方法的核心是建立调频率与散射点高度坐标的函数关系，进而可通过 RCCD算法进行信号参数估计以实现对散射点坐标的求解。相对于高度维分辨率依赖于多个雷达天线的干涉ISAR三维成像方法，本方法仅需要单个雷达发射-接收天线，进而降低了雷达硬件设备复杂度。在此基础上，论文分析了高度维分辨率与重构精度的影响因素，并指出了本方法存在对于高度维分辨率与重构精度的要求相互矛盾这一问题。进而，提出了基于图像质量函数的成像时间段选取算法，该算法能综合考虑高度维分辨率、方位维分辨率及重构精度这三个相互矛盾的ISAR图像质量的决定因素，并能通过改变加权系数，满足偏重于某一个因素的成像需求。最后，论文还对成像过程中所引入的低精度数据或噪声进行了误差分析，分析结果显示方法具有较高的鲁棒性。仿真实验与半实测实验证明了基于单发射-单接收舰载ISAR的三维成像方法的有效性。

目录

第1章 绪论

1.1 论文研究的背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文需要解决的关键问题

1.4 论文研究内容及安排

第2章 特殊场景构型下的ISAR回波建模及特性分析

2.1 舰载ISAR构型及回波特性分析

2.2 双基地ISAR构型及回波特性分析

2.3 干涉ISAR构型及回波特性分析

2.4 本章小结

第3章 基于RCCD的三阶相位信号参数估计算法

3.1 RCCD算法基本原理

3.2 对比分析及仿真算例

3.3 基于RCCD算法的舰载ISAR成像

3.4 本章小结

第4章 岸基-舰载双基地ISAR散焦消除及畸变校正

4.1 岸基-舰载双基地ISAR构型及回波特性分析

4.2 基于RCCD算法的图像散焦消除方法

4.3 基于特显点联立估计的图像畸变校正方法

4.4 仿真实验

4.5 本章小结

第5章 基于单发射-单接收舰载ISAR的三维成像方法

5.1 舰载ISAR慢时间维回波信号参数分析

5.2 基于单发射-单接收舰载ISAR的三维成像方法

5.3 舰船摆动对高度维分辨力及重构精度的影响

5.4 基于图像质量函数的成像时间段选取算法

5.5 误差分析

5.6 成像实验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢

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