基于空间谱理论和时空两维随机辐射场的雷达成像研究

摘要

新近出现的分布式雷达具有天然空间展开特性，它可综合利用空间分集和频率分集的联合效应同时重构目标的二维图形，实现一次快拍下的目标成像，从而为高分辨目标反演和认知提供了一种新的信息获取手段。空间谱理论则是分布式成像性能分析的重要工具，两者的结合可为分布式成像原理的表征和新成像方法的提出给予直接的启示与指导。然而在应用层面上，这种空间展开多发多收形式使得分布式雷达成像的实现上具有较高的复杂性。因此，能否探求一种不依赖于空间展开特性和相对运动条件，却能实现突破孔径限制的单传感器(如面源)的微波成像新机理，这种尝试无疑将在应用上带来潜在的广泛前景，有可能为特定场合下对重点区域的凝视观测开辟一条新途径。为此，本文的相关研究即是围绕着分布式成像新方法提出和微波凝视成像新机理探索而展开的。
　　 SAR通过辐射宽带信号获取距离向高分辨能力，结合雷达严格限制的规则运动得到高分辨方位像，纵横向分辨是通过不同手段获取的。是否存在一种成像方式，即采用一种手段即可完成无限制构型下二维的目标成像，分布式雷达即是满足该种需求的成像雷达。这是因为在等效性方面，SAR 通过规则运动完成虚拟线阵空间展开的等效，而分布式雷达具有天然空间展开特性，这一特点即为利用该方式雷达完成目标重构提供了可能思路。其次，分布式雷达“多通道”的观测采样与目标散射函数之间构成了傅里叶变换关系，可完成一次快拍下的目标成像，这就拓基了分布式成像研究的理论依据。为此，本为综合利用分布式雷达空间分集和频率分集，考虑到普适构型下的目标反演方法，循序渐进地研究了从非均匀构型到任意构型的目标成像有效方法，并将空间谱填充思想与分布式雷达成像方法相结合，为成像新方法的提出及性能分析提供了便利的工具。
　　 若在单传感器条件下通过凝视成像的方式同样获得高分辨目标成像将是一个非常值得探索与研究的方向，传统该种雷达成像是通过散射回波与模板信号的匹配而进一步处理获得目标的二维图形，波束内的目标则无法实现分辨。然而能否从“场域”出发，通过空间上形成特殊分布的辐射场与散射回波的空域关联来提取反演信息，这一问题为雷达的高分辨凝视成像展示的一条可能的新思路。这种特殊分布的辐射场必须比传统的波束场包含更多的信息量才有可能在与目标相互作用时，更有效地获取有关目标的冗余信息。因此，唯有在时域和空域同时存在差异性分布的辐射场才能满足这种需求，它的理想模型即是本文提出的时空两维随机辐射场。此时，散射场是时不变的目标散射特性对时变的随机辐射场的空间调制，波束内的散射场蕴含了目标的可辨识空间分布信息，且该信息随时空两维随机辐射场信息丰富程度成正比变化，因此关联处理结果使空间分辨率得到了大幅度提升，从而使得基于时空两维随机辐射场的微波成像变为可行。
　　 本文结合以上关于分布式成像和凝视成像的问题及解决的思路：(1)、完成分布式雷达成像基本原理的空间谱形式统一，研究表明成像分辨率的贡献是空间特性和信号特性综合作用（非线性耦合关系）产生的，也就是说在构造成像分辨力上空间展开的作用和信号带宽的作用可以形成有利的互补关系，这一认识对基于窄带且空间充分展开的分布式成像是十分重要的。(2)、提出了基于逐点匹配滤波的分布式雷达稳健成像方法，同时给出了基于NUFFT的分布式快速成像方法，它们均依据空间谱填充的不具规律分布特点，以适应非均匀构型下的目标有效反演为准则，从而加强成像方法的实用性。改进了传统的单站雷达目标检测方法，有效提高了目标检测性能。(3)、提出了基于压缩感知的稀疏分布式成像方法，为稀疏随机构型下的分布式雷达成像提供了一条全新的思路，该方法对这种典型场景具有天然适用性，并具备超分辨的反演能力，因此可将分布式雷达中本来看似缺陷的稀疏无规则几何构型等因素得以弱化并直接转化为高分辨成像的独特优势。(4)、提出了时空两维随机辐射场的新概念，揭示了时空两维随机辐射场才是获取超越孔径的凝视成像的本质原因，结合数字仿真阐释了微波凝视成像新机理。基本完成了时空随机场的可行性分析，建立了随机口面场数学模型，从而得到了一些对系统设计有重要参考价值的结论。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章 绪论

第二章 分布式雷达成像的空间谱理论

第三章 非均匀构型下的分布式雷达成像方法

第四章 稀疏随机构型下的分布式雷达成像方法

第五章 基于时空两维随机辐射场的微波成像机理

第六章 结束语

攻读博士学位期间的主要研究成果

攻读博士学位期间的主要研究经历

致谢