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SAR/ISAR目标电磁特征提取及应用研究

段佳  
【摘要】:雷达是以电磁波为载体探测目标电磁特性的微波遥感设备。不同于传统光学等其它遥感设备,雷达具有全天时、全天候、作用距离远和穿透力强等优势。但对于熟悉可见光数据和摄影的人来说,基于电磁特性的雷达图像往往在视觉上难以理解。甚至对于熟悉雷达图像的分析人员来说,不同分析人员的结论一致性也无法得到保证。因此,自动化的雷达解译算法对于雷达回波和图像的理解至关重要。而雷达的电磁特征提取则是雷达图像解译的基础,它是架起雷达数据和信息之间的一座桥梁。一般而言,雷达电磁特征包括散射中心特征和极化特征两部分。从电磁散射机理的角度出发对散射中心模型建模,模型参数具有相应的物理意义,可以将散射中心特征提取问题转换成基于散射中心模型的参数提取问题。随着现代雷达向多频段多极化发展,极化雷达利用两个垂直极化的天线发射和接收不同极化方式的回波,从而获取更全面的目标信息。极化特征的提取是指通过极化分解的方法将目标的散射矩阵在基本散射机理上进行分解获取其对应散射类型。极化特征与目标的结构、材料等有密切联系,可用于参数反演、分类等。本文旨在利用信号处理的方法提取雷达人造目标的电磁特征,提高雷达图像的可理解性,提高目标与噪声的可分离性。研究内容主要针对如下三个内容:人造目标的特征提取,基于电磁特征的目标检测、分类和超分辨的应用,以及基于电磁特征的天波超视距雷达瞬态干扰抑制的扩展应用三个关键点。论文围绕国家“973"课题“基于电磁散射XXX雷达图像解译方法研究”、国家自然科学青年基金“基于参数化电磁散射模型的SAR目标成像技术”和“空间目标极化成像与特征提取研究”、中央高校基本科研业务费等项目的研究任务,对高分辨(逆)合成孔径雷达的特征提取和应用以及天波超视距雷达瞬态干扰抑制进行了研究。全文内容的实质是研究雷达图像中人造目标的电磁特征提取、电磁特征的应用以及扩展应用,概括为以下三个方面:首先,研究基于电磁散射机理的目标特征提取。建立了基于电磁散射机理的散射中心模型,分析了典型散射中心模型的关系和散射中心参数的影响。针对散射中心参数维度高、运算困难的问题,提出一种针对独立散射中心的参数解耦合的估计方法;在高斯白噪声背景下,通过样本选择估计逼近理想情况。针对多散射中心的雷达图像,提出一种基于RELAX迭代估计散射中心参数的方法,避免了传统算法运算量大和散射中心定阶困难的问题,并推导了散射中心参数搜索的最小间隔。为了降低采用RELAX迭代估计过程中相互迭代引起的运算量,提出利用正交匹配追踪的方法通过更新字典来更新估计参数,有效降低了运算量。针对连续部件在不同极化图像上表现各异的问题,利用同一散射中心的属性参数在各极化通道下一致的特点,提出一种联合多极化通道的参数提取方法。其次,研究基于电磁特征的应用。提出了基于提取电磁特征的目标检测算法,利用提取的散射中心特征对人造目标进行散射中心级的目标检测,解决了传统的像素级目标检测算法忽略属于同一部件的各像素间的相关性而导致的对噪声敏感和检测部件不连续的问题。利用联合极化提取的特征参数构造散射中心的散射矩阵,通过对散射中心的散射矩阵进行极化分析,提出了一种基于电磁参数化模型的极化分解方法;该方法以散射中心的散射矩阵为单位进行极化分解,有效解决了传统基于像素散射矩阵分解方法所面临的部件结构不连续、对噪声敏感等问题。最后,研究基于电磁散射机理的扩展应用。通过提取的少量电磁特征参数可重构目标信号模型使数据量得到有效压缩;在此基础上通过对重构目标信号模型进行频率和角度带宽的外推,提出了一种基于电磁参数化模型的超分辨成像算法,保证了部件的连续性和抗噪性。针对天波超视距雷达的瞬态干扰信号在多普勒域表现出宽频高幅的特点,提出利用类属性散射中心模型的形式表征瞬态干扰的频域特征,并将其时域定义为矩形窗基模型;基于稀疏分解的思想将天波超视距雷达的回波信号在矩形窗基上进行分解,利用快速傅立叶变换实现分解快速化;利用提取的特征参数设置门限对瞬态干扰进行剔除,有效解决了传统方法通过剔除污染样本导致的信息缺失和依赖相干积累时间长短的问题;针对稀疏采样的情况下栅瓣严重导致目标被淹没的问题,提出了基于压缩感知的目标杂波谱恢复方法。


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