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《西安电子科技大学》 2016年
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逆合成孔径雷达提高分辨率成像方法研究

吴敏  
【摘要】:逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)成像具有全天候、全天时、作用距离远和分辨率高等优点,在军事和民用领域发挥着巨大的作用。ISAR可实现空间目标、空中目标和海面舰船等非合作目标成像和识别,随着应用需求的日益增加,ISAR系统的数据录取方式向多功能、多模式、多视角、多极化的方向发展。复杂的工作方式对高分辨成像提出了更高的要求,现有高分辨ISAR成像面临着运动补偿、极化信息融合以及目标后向散射场建模等问题。本文旨在利用压缩感知(Compressive Sensing, CS)和电磁散射理论提高全极化ISAR、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) ISAR的图像分辨率。论文围绕国家"973"计划课题“基于电磁散射机理的XXX方法研究”、国家“973"计划课题“稀疏微波成像的理论、体制和方法研究”以及国家自然科学基金“空间目标全极化逆合成孔径雷达成像和特征提取”等项目,对提高各工作模式下的ISAR成像分辨率进行了较为深入的研究。全文内容主要概括为以下四个方面:1.短孔径有限带宽数据ISAR超分辨成像宽带ISAR在短孔径、有限带宽的数据录取模式工作下,非合作目标运动近似平稳,成像信号处理简单,可有效解决多功能雷达对单一目标时间和频率资源分配有限的问题,但短孔径有限带宽观测会对图像分辨率产生制约,在成像处理中需要加以克服。本文第三章第一部分将基于CS的短孔径超分辨ISAR成像扩展为二维联合超分辨成像,该方法充分有效地利用了回波信号二维耦合信息,通过将二维超分辨成像建模为l1范数优化问题,超分辨图像可通过结合快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)、共轭梯度法(Conjugate Gradient Algorithm, CGA)和Hadamard乘积的快速迭代法重构。结果表明,基于CS的二维ISAR超分辨成像除了可利用二维耦合信息重构超分辨ISAR图像外,还具有较强的噪声鲁棒性。2.极化ISAR超分辨成像与自聚焦极化ISAR成像是指利用全极化雷达对卫星、航天飞机、飞机、导弹等人造功能目标进行高分辨雷达成像,由于电磁波的矢量特性使目标不同极化通道信号间存在丰富的信息冗余与互补,通过极化散射机理分析目标后向散射特性可提取目标的重要特征信息,论文开展了全极化ISAR超分辨成像与自聚焦研究。首先,第三章第二部分将二维联合超分辨算法推广到极化雷达中,针对散射点在极化通道各向异性的问题,研究了极化信息保持的二维ISAR超分辨成像,通过对各通道回波联合处理,保证了散射点在各极化通道间的连续性,有助于后续极化散射矩阵提取。接着,本文第五章提出了针对稀疏孔径信号的全极化自聚焦算法,在自聚焦阶段联合全极化数据进行相位误差估计,提高了全极化ISAR自聚焦精度和对噪声容忍性。Backhoe数据实验结果表明,全极化ISAR超分辨和自聚焦算法利用了各通道间冗余的极化信息,有效提高了全极化成像分辨率和相位补偿精度。3.属性散射中心模型超分辨成像ISAR成像可精细描述目标在某些方位角度和频率下的电磁散射场分布,在一定的观测条件下,目标的几何形态和信号中的电磁散射分布有着明确的对应关系。第四章将可精确描述这种对应关系的属性散射中心模型进行简化,并提出一种快速的属性散射中心模型参数估计方法反演目标的几何形态和特征。接着利用估计出的散射中心参数进行频谱外推,突破分辨率的理论极限,并在方位维超分辨时选取合理的中心角度,使信号能量集中于主瓣,取得良好的聚焦效果。最后的实验证明了算法除了超分辨效果明显外,还可克服传统的基于点散射中心模型超分辨方法目标结构不完整和形变的问题,保留目标的几何特征。4. OFDM-ISAR成像与运动补偿常规脉冲压缩技术会造成ISAR成像距离旁瓣偏高,也即产生目标散射点回波信号能量到相邻距离单元的泄露,对ISAR成像分辨率产生影响。针对此问题,第六章提出了OFDM-ISAR成像方法,基于OFDM信号特殊的时频结构,在发射OFDM序列时插入足够长度的CP,可有效抑制距离旁瓣。与常规非合作目标ISAR成像一样,运动补偿是OFDM-ISAR成像的关键,第六章第二部分提出了适用于OFDM-ISAR的包络对齐和自聚焦方法,包络对齐对目标平动造成的包络偏移进行补偿,在补偿的同时保证了重构OFDM-ISAR距离向低旁瓣的特点,自聚焦处理补偿了包络对齐中引入的偏差以及平动引起的相位误差。最后的仿真实验表明,OFDM-ISAR通过发射插入足够长度CP的OFDM波形可获取距离低旁瓣ISAR成像,从而提高ISAR成像分辨率。
【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】:2016
【分类号】:TN958

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