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多径和海杂波干扰下的舰船ISAR成像及横向定标

高建军  
【摘要】: 雷达成像作为雷达的一个重要功能,已经广泛集成于现代雷达设备中,用来对目标进行全天时、全天候、远距离的高分辨率二维成像,在战略防御、反卫星、战术武器等军事领域以及雷达天文学、地形测绘和灾情预报等民事领域中都有重要应用价值。逆合成孔径雷达(ISAR)就是这样一种高分辨的二维成像雷达,可用于对卫星、导弹、飞机、舰船等运动目标成像。利用ISAR技术对舰船目标进行成像,对于海上侦察、反潜、反舰、海上交通管制及缉私等方面有重要意义。世界上许多国家都在研究海上目标的岸基ISAR成像,这个研究方向在国际上仍然是一个前沿和热点问题。本文主要深入研究了ISAR对舰船目标成像时面临的一些问题,包括舰船目标ISAR成像时目标三维转动的复杂性、多径效应和海杂波等成像背景对ISAR成像的干扰及其抑制、最佳成像时间选取和横向定标等,并分别提出新的信号处理算法来解决相关问题。具体内容概述如下: 1.作为基础研究,介绍了ISAR成像原理和相关算法,并针对舰船目标进行了几何建模和运动特性分析研究,进而对理想状况下的ISAR成像进行仿真,为后续章节存在背景干扰和进一步优化成像等研究内容奠定了分析的基础。 2.针对ISAR成像时存在的多径效应,分析其对成像造成的影响,并提出消除这种影响的算法。当雷达波束以较低的仰角照射舰船目标时,ISAR成像会受到多径效应的影响,成像时除了产生真实的目标图像之外,还会在真实像的同一侧的不同位置产生两个具有相同形态但幅度大小各异的伪像,造成ISAR像的模糊,不利于目标识别。首先从ISAR成像的点扩散函数理论出发,通过回波建模分析了造成这种现象的机理,应用距离-多普勒成像原理并结合运动补偿过程直观地揭示了产生这种现象的原因。其次,根据有无多径效应以及伪像与真实目标像之间的位置关系,将ISAR图像分为无多径图像、模糊多径图像、可辨多径图像和可分离多径图像四类。针对可分离多径图像,提出了基于横向垂直投影差分的自动图像分割算法来消除多径的影响;针对模糊和可辨多径图像,基于伪像产生的机理,提出了一种以二维图像熵作为评价函数的多径效应参数估计方法来去除多径的影响:当得到的二维图像熵的值最小时,即可精确估计出多径效应参数。利用估计出的多径效应参数对多径图像进行处理,可消除由于多径效应产生的伪像。多径效应参数包含多个变量,采用针对非线性多参数最优估计的模拟退火(SA)算法,可以很好地估计相应参数值。 3.研究分析海杂波对成像的影响,并提出基于频域CFAR检测的海杂波抑制算法。ISAR对海面上的舰船目标进行成像时,会受到海杂波的干扰。首先研究了时空相关的K分布海杂波的统计特性,在此基础上,利用球不变随机过程(SIRP)方法进行了特定雷达参数下时空相关的二维分布海杂波的仿真;接着,将仿真得到的海杂波加入相同参数下得到的舰船目标回波信号,当海杂波形状参数较小时,ISAR成像会受到海尖峰的影响;当海杂波功率谱接近目标功率谱时,ISAR目标的功率谱将会和杂波功率谱混叠;当海杂波相关且信噪比较低时,会大大降低ISAR成像时的运动补偿精度。为了抑制或去除海杂波的上述影响,在对比分析时域和频域K分布海杂波CFAR检测算法的基础上,采用频域“选大值”单元平均恒虚警率(GO-CFAR)检测算法来消除海杂波对舰船成像的影响,得到了较为清晰的ISAR图像。 4.针对最佳成像时间选取及横向定标问题,提出一种新的最佳成像时间段选取算法和快速横向定标算法。由于舰船运动较为复杂,通常为周期性的非匀速旋转运动,导致回波为非平稳信号,多普勒频率具有时变特性,ISAR成像的横向分辨率和成像平面也会随时间发生改变,因此需要进行最佳成像时间选取。在给出最佳成像时间的定义后,利用多普勒展宽算法确定最佳成像时间中心;再结合图像对比度最大算法(ICMA)确定相应的成像时间段,从而完成了最佳成像时间选取。利用选取出的数据段进行成像即可得到聚焦较为良好且分辨率较高的最佳图像。在得到最佳像后,利用基于分数阶傅里叶变换(FrFT)的横向定标算法确定了图像的横向分辨率:经过距离压缩后,某距离单元上的慢时间ISAR回波序列信号为线性调频(LFM)信号,LFM信号的调频率隐含着目标的转动角速度信息,而FrFT的特征决定了其具有良好的LFM信号检测性能,利用FrFT结合峰度值最大原则可以快速准确地估计出目标在成像期间的转动角速度,从而计算出成像期间的总转角,最终得到经过横向定标的ISAR图像。最后通过仿真和实测数据实验结果进一步证明了上述算法的有效性。


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