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逆合成孔径雷达成像关键技术研究

汪玲  
【摘要】: 逆合成孔径雷达(ISAR)是不同于传统雷达的一种高分辨成像雷达,能够全天候、全天时、远距离获得非合作运动目标(如飞机、舰船和导弹等)的精细图像,具有重要的军用和民用价值。ISAR主要关键技术有运动补偿、成像方法及ISAR总体设计等,这些技术目前仍存在尚未较好解决的问题和尚需改进的方面。为了充分发挥ISAR高分辨成像能力,并使ISAR更好适应实际需求和不断变化的应用场景,有必要对ISAR技术继续进行深入的探讨。本文主要研究了ISAR信号处理中的关键技术,包括ISAR运动补偿中的距离对准和相位补偿,ISAR图像定标,和ISAR成像中的难点,舰船目标成像。 论文第一章绪论,在简要介绍ISAR之后,阐述了ISAR成像的基本概念,回顾了ISAR信号处理技术的发展,介绍了本文的研究背景和主要工作。 论文第二章研究了ISAR运动补偿技术中的距离对准算法。以修正峰度衡量回波间的对准程度,提出包络最大修正峰度距离对准算法。该算法通过使待对准两回波和包络的修正峰度达到最大,估计回波间的距离偏移量。修正峰度既强调和包络波形的尖锐程度,也强调和包络能量的分散程度,能够准确反映出回波的对准情况。尤其是对于具有明显单一强散射体的目标回波,最大修正峰度方法具有很好的对准性能。本章还提出包络最小和距离对准算法。该算法选取待对准两回波中各距离单元中的较大值构成合成包络,并依据合成包络的和是否达到最小这一新准则来衡量回波是否对准。对于不同散射特征的目标回波,包络最小和法具有稳健的对准性能,且运算速度较快。实测数据处理结果充分验证了二种距离对准算法的正确性和有效性。 论文第三章研究了ISAR运动补偿中的相位补偿算法。首先给出秩一相位估计(ROPE)算法用于ISAR相位补偿的具体实现方法,该方法可以获得满意的补偿效果,而且实时性较高。然后对ROPE算法进行了改进,通过在图像域方位维的循环移位,消除原ROPE算法设置零多普勒频率的盲目性,并引入迭代提高估计平动相位分量的精度,有效改善了ROPE算法直接用于ISAR相位补偿的性能。与PGA相位补偿算法相比,改进ROPE算法不需要质量较好的目标初像,在迭代过程中不需要加窗,运算效率较高,而且可有效补偿高频和随机相位误差。 论文第四章针对ISAR图像方位向定标这一ISAR技术难点,提出了一种完全基于图像的目标俯视图定标方法,不需要目标跟踪信息和目标散射点位置分布等信息。通常已知成像时间,定标的关键是等效转速的估计。本章给出了转速的最大似然估计,该估计只与图像中目标的特征线斜率和雷达波长有关。进一步通过直接采用Radon变换提取图像中目标的特征线斜率,使转速估计完全基于目标的ISAR图像,在实际中更为实用。实践证明这种估计方法拥有较高准确度。凭借估计出的目标转速,还可以获知图像方位向分辨率,并且获得成像时的雷达视角,确定目标外形的主要特征参数,有利于后续目标识别。 舰船在军事上常常是高价值目标,由于其运动复杂,成像难度较高,其中最优成像时间的选择一直是舰船目标ISAR成像的研究热点和难点。论文第五章深入研究了舰船成像最优时间的选择问题,提出了基于转动矢量估计的舰船成像最优时间选择方法。该方法首先对回波数据进行分段短时成像,通过估计每幅图中舰船目标在方位向的多普勒频率展宽和船体中心线斜率,获得等效的雷达与舰船之间合成有效转动矢量和其垂直转动分量随时间的变化。然后根据这两个参数,判断海面环境情况和舰船摇摆强弱,对成像情况进行细分。在每种情形下依据两个转动矢量的变化确定成像最佳时刻,并通过使图像熵最小搜索估计出最佳成像持续时间。仿真和机载ISAR实测数据处理验证了方法的可行性、有效性和实用性,证明该方法可在未知海情下获得高质量的舰船图像,尤其是可以获得舰船的侧视图或者俯视图,有利于舰船目标的进一步识别。论文第六章用机载SAR实测数据对舰船目标成像进行了研究,提供了针对SAR原始数据的舰船成像有效ISAR处理方法。针对舰船SAR回波距离走动缓慢的特性,给出了五种有效的距离对准方法,包括第一回波基准法,回波半边窗积累对准法,基于Radon变换的对准法及其简化方法,和基于最小熵的全局对准法。成像后通过采用空间变化变迹(SVA)法抑制ISAR图像旁瓣,进一步改善了图像质量。从SAR数据中提取的舰船目标回波数据,经过处理后,均得到了清晰的舰船图像,从而提高了机载雷达的舰船成像处理能力。 论文第七章结束语对全文工作进行了总结,并指出了需要进一步继续研究的问题。


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