空间非合作自旋目标ISAR成像及方位定标

摘要

近年来，随着人类探索太空步伐的持续推进，空间轨道上聚集了越来越多的空间碎片和废弃的人造航天器，导致空间可利用轨道数量不断减少，给正常运行的航天器带来严重威胁；因此，开展空间碎片和废弃航天器的准确编号和识别工作，对合理开发太空资源具有重要意义。而逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)作为一种重要的高分辨成像雷达，具有全天候、全天时、远距离探测和精确获取空间非合作目标形状的能力，在军事和民用等诸多领域都具有广泛的实用价值。然而，空间碎片和废弃航天器等空间非合作目标的探测存在距离远、目标运动复杂、自旋参数未知等问题，给高效ISAR成像算法设计带来挑战；因此，为了准确获取空间非合作自旋目标的位置和形状尺寸等信息，对其进行精确的编号和识别，需要进一步研究新的空间非合作自旋目标高分辨ISAR成像方法。本文围绕上述存在的问题展开一系列研究，主要研究内容和创新点如下：　　①针对现有空间非合作自旋目标成像方法存在分辨率低，多散射点算法失效等问题。本文提出一种基于同步压缩变换(Synchrosqueezing Transform,SST)的空间非合作自旋目标高分辨ISAR成像方法，该方法首先通过分析单个距离单元回波的调频特性，利用SST进行时频分析将信号转化为时频域；然后在时频域进行曲线积分，获得高分辨ISAR图像；对比现有方法，提出方法引入一种新的高效时频分析方法，具有良好的时频聚集性且不存在交叉项，能够得到聚焦良好的ISAR图像，实验结果验证了本文提出方法的有效性。　　②针对现有空间非合作自旋目标ISAR三维成像方法由于需要多维搜索和插值操作，导致算法计算复杂高，不利于实时成像等问题；本文提出一种高效的空间非合作自旋目标ISAR三维成像方法。首先，该方法通过对回波数据的信号形式进行分析，挖掘信号的内在特征，将相同散射点的回波移动到同一个距离单元，完成变换后信号在同一个距离单元为多成分正弦调频信号，然后利用匹配滤波的方法获取不同高度平面的二维ISAR图像，从而实现空间非合作自旋目标的三维精确重构。对比现有方法，提出方法在不同高度平面仅需要一次匹配滤波处理，避免了插值和多维搜索操作，极大降低了算法的计算复杂度。实验结果验证了本文提出方法的有效性。　　③围绕传统距离-多普勒(Range-Doppler,RD)等算法获得的ISAR图像不能准确反映目标真实尺寸大小，给后续目标识别带来困难，本文提出一种基于二维小波变换(Two Dimensional-Wavelet Transform,2D-WT)和伪极坐标快速傅里叶变换(Pseudo-Polar Fast Fourier Transform,PPFFT)的ISAR图像方位定标方法。首先，该方法利用2D-WT对两幅相邻的ISAR图像进行分解，得到重构的低频子图像，然后，利用极坐标傅里叶变换把两幅ISAR图像的旋转运动转换为沿极轴的平移运动，并引入PPFFT进一步降低算法的计算复杂度；最后定义了一种新的一维积分相关代价函数并结合二分法快速收索获取目标的旋转角速度(Rotation angle velocity,RAV)，实现ISAR图像的方位定标。对比现有方法，由于提出方法采用2D-WT获取子图像，降低了图像维度，且PPFFT变换不需要任何插值操作，具有较高的精度和计算效率；故所提方法能够快速实现ISAR图像方位定标；仿真和实测数据结果验证了提出方法的有效性。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 课题研究现状

1.2.1 ISAR成像技术发展概况

1.2.2 空间非合作目标研究现状

1.3 关键问题和难点

1.4 论文结构安排

2 基于SST的空间非合作自旋目标高分辨ISAR成像

2.1 引言

2.2 自旋目标ISAR成像几何和信号模型

2.3 提出的高分辨ISAR成像方法

2.3.1 基于归一化自相关的自旋角速度估计

2.3.2 同步挤压变换原理

2.3.3 提出的ISAR成像方法实现流程

2.4 计算机仿真结果及其分析

2.5 本章小结

3 一种高效的空间非合作自旋目标ISAR三维成像方法

3.1 引言

3.2 自旋目标ISAR成像的三维几何和信号模型

3.3.1 信号特征挖掘原理

3.3.2 提出三维ISAR成像方法实现流程

3.3.3 计算复杂度分析

3.4 计算机仿真结果及其分析

3.5 本章小结

4 基于2D-WT 和PPFFT的快速ISAR方位定标

4.1 引言

4.2 ISAR图像RD域与频域关系建模

4.3 提出的ISAR方位定标方法

4.3.1 二维小波变换原理

4.3.2 PPFFT原理简介

4.3.3 基于2D-WT和PPFFT的RAV快速估计

4.3.4 计算复杂度分析

4.4.1 计算机仿真结果及其分析

4.4.2 实测数据处理

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文和竞赛获奖

B. 作者在攻读硕士学位期间主持或参与的项目

C.学位论文数据集

致谢