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《西安电子科技大学》 2011年
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SAR/ISAR运动目标检测及成像新技术研究

刘亚波  
【摘要】:作为一种全天时、全天候、远距离的主动式观测系统,雷达成像技术在国防和民用领域均发挥着重要的作用,是雷达发展的一个重要里程碑。合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)对运动目标的检测和成像广泛应用与战场侦查和灾害救援等领域中。逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar, ISAR)主要应用于对空中、空间以及舰船等目标的成像。它们大大提高了雷达信息获取能力,为目标识别创造了前所未有的机会。 本论文主要围绕着以上两个方面做了一些研究,现概括如下: SAR对弱小舰船目标检测和成像时,目标回波较弱,且其运动参数往往难以估计,这都对检测和成像造成了困难。针对这个问题,提出了一种基于沙漏形变换的弱小舰船目标检测与成像的技术。该沙漏形变换在不需要估计目标运动参数的条件下,对近似为线性调频(linear frequency modulated, LFM)信号的舰船方位向信号进行相干积累,并且在分辨率不变的前提下很好的抑制Cohen类时频分布交叉项的影响,从而大大提高了对这类微弱目标的检测性能及成像质量。仿真和实测数据的处理验证了该方法的有效性。 二次调频(quadratic frequency modulated, QFM)信号在自然界广泛存在,很多雷达系统和导航系统也采用这类信号,但是由于其信号形式复杂,对其检测和参数估计存在较大的困难。针对这种情况,首先分析了LFM信号的TCD分布(time-chirp distribution)和LFM信号WVD分布(wigner-ville distribution)的相同点,在此基础上将沙漏形变换推广到二次调频信号的检测和参数估计中,并分析了其与线性调频信号沙漏形变换的不同。仿真实验结果验证了该方法的有效性。 SAR对多舰船目标同时成像时,不同舰船具有不同的运动姿态,也即是不同的散射点具有不同的多普勒历程,这导致难以采用统一的相位补偿项获得高质量的图像。考虑到海面的回波相对舰船回波很弱可以忽略,可以认为舰船相对于雷达成像范围是稀疏的特点,提出了基于压缩感知(compressed sensing, CS)的短孔径SAR对多舰船目标的成像算法。该方法通过将多舰船目标成像转换为在某种基下具有稀疏表示的信号重建问题,从而满足CS理论对信号恢复重构的要求,获得比传统成像方法更高的方位分辨率。实测数据的处理验证了该算法的有效性。 步进频率ISAR对高速目标成像的时候,为了获得高质量的高分辨距离像(high resolution range profile, HRRP),提出一种数字解线调频技术和一种相位相干化技术。利用该数字解线调频技术,我们可以大大降低A/D采样速率,并且回波的相干性也可以较为容易的恢复。在传统的运动参数估计存在误差的条件下,残留的运动误差会引起相邻子脉冲之间的相位跳变,这会在一定程度上导致HRRP模糊。利用相位相干化技术可以很容易的补偿残留多普勒,进一步消除相位差的影响。从而可以通过时域子脉冲合成技术获得高质量的HRRP。最后,结合传统ISAR成像方法即可获得高质量的目标ISAR像。仿真试验和对比验证了所提数字解线调频技术和相位相干化技术的有效性。 采用InISAR技术获取目标三维视图时,首先要获得其高质量ISAR图像。机动目标的相位历程往往是非线性的,这种情况下,传统傅里叶成像获得的图像质量下降严重,而时频分析类方法或分辨率下降,或不能保相,或交叉项影响严重,都不能作为理想的成像方法。针对这个问题,提出一种利用目标稀疏特性的超分辨ISAR成像方法。该方法在较短的时间即可获得高分辨的目标ISAR像(孤立散射点),并且能够保持散射点的初相。在此基础上,结合传统InISAR技术即可获得高质量的目标三维视图。该方法的有效性分别通过仿真和实际实验得到验证。此外,针对国内首批实测数据中存在的问题,提出了未来三维InISAR技术发展中信号处理需要注意的问题。由于频率和空间稀疏有可能成为未来雷达信号处理发展的重点方向,在以上研究的基础上,进一步研究了稀疏频率-短孔径的超分辨ISAR及三维InISAR成像方法。仿真数据的处理获得了较好的效果。 根据ISAR成像的特点,设计了一种ISAR成像实时处理系统。该系统分别从硬件模块、数据通信和算法实现三个层面上进行设计研究。硬件设计上采用分布式并行设计的思想,符合ISAR成像的处理流程;数据通信上采用串并转换及交换机加链路口传输的思想,使得任意节点间的数据传输高效灵活;最后根据外场实验的参数和目标特征选择了适当的实时算法,并对算法的运算量进行了分析,在此基础上进行了实时处理在信号处理板卡上的任务分配。实验的结果与分析验证了该系统的有效性。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN958

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