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高速机动目标雷达信号参数估计与成像处理

李文臣  
【摘要】: 随着国内外导弹突防和反突防技术的发展,高速机动已成为目标突防的主要手段之一。高速机动目标具有大的雷达径向速度和加速度,目标高速机动将使防御雷达常规信号处理的分辨性能和信噪比下降,宽带一维距离像展宽,二维像模糊,因此将最终导致防御雷达无法对高速机动突防目标进行探测、跟踪与成像。如何提高防御雷达对高速机动目标的探测、跟踪和成像能力已成为雷达领域的前沿课题和紧迫任务。 以弹道导弹防御为研究背景,论文围绕高速机动目标雷达信号参数估计与成像处理,深入系统地研究了高速机动目标的雷达信号模型、多分量LFM信号调频参数估计方法、基于二次匹配处理的多分量LFM信号分辨力、以及高速机动目标宽带一维像补偿和二维成像及定标。论文研究成果具体体现在以下几个方面: 1.提取了高速机动目标在常规窄带雷达和宽带成像雷达下的回波特征。为了提高高速机动目标的雷达探测性能,需要研究高速机动目标的运动特征及回波模型,以便进一步研究雷达信号处理或补偿方法。为此首先分析了高速机动对雷达径向速度和加速度带来的影响。其次提取了高速机动目标在常规窄带雷达和宽带成像雷达下的回波特征,分析了常规窄带雷达信号处理方法的局限性。提出了用展宽系数来衡量频谱展宽的方法,并定量分析了目标运动各参数对宽带雷达测距和一维像的影响。最后分析了多分量LFM信号的时频分布和模糊图特征,以便选择合理的参数估计方法。 2.研究了多分量LFM信号调频参数估计方法。高速机动目标的雷达回波信号处理均和LFM信号的检测和参数估计有关。为了研究LFM信号的二次匹配处理与参数估计,首次从理论上系统研究了LFM信号Radon-Wigner变换(RWT)、Wigner- Hough变换(WHT)、分数阶傅立叶变换(FrFT)、解线调方法(Dechirp)、Chirp-Fourier变换(CFT)和最大似然(ML)等线性调频参数估计方法的相互转换关系,给出了LFM信号调频参数估计的最佳表述。首次系统地给出了基于RWT的LFM信号快速调频参数估计,提出了利用频率偏差系数和剩余展宽系数分析LFM信号参数估计性能的方法。并提出了基于Radon-Ambiguity变换(RAT)的LFM信号快速调频参数估计。计算量比较分析表明RAT和RWT方法的运算量是相近的,估计性能均能达到了Cramer-Rao门限(CRB)。RWT法能同时估计LFM信号的频率和调频率,适合分析任意多分量LFM信号,由于能够充分利用各分量信号的能量,因此RAT适合估计同调频率多分量信号的调频率。 3.基于RWT方法研究了多分量LFM信号分辨力和多目标分辨力。首次用二次项泰勒级数展开给出了RWT输出的近似解析表达式,从理论上给出了频率和调频率联合分辨数学表达式,以及延迟时间、频率和调频率的联合分辨力,并得到仿真验证。然后给出了脉冲多普勒雷达的速度和加速度联合分辨表达式,表明其联合分辨条件为运动参数不同引起的路径偏差大于半个波长,仿真比较了傅立叶变换和RWT的性能。最后给出了LFM雷达的距离、速度和加速度的联合分辨表达式,表明其分辨条件决定于两目标的径向位置偏差(分辨单元级)和相参时间内径向运动距离偏差(波长级),并仿真比较了匹配滤波和RWT的性能。本研究有助于机动目标的跟踪,以及群目标的分辨与识别。 4.系统研究了高速机动目标的宽带雷达运动补偿、目标连续跟踪测量和ISAR成像与定标。根据速度和加速度的调频频谱展宽特点,提出了机动目标宽带一维距离像回波线性化模型,给出了RAT法线性参数估计与运动补偿方法,并进一步分析了测速和测距误差。仿真表明该方法很好地解决了未知运动参数情况下机动目标的一维距离像频谱展宽问题。其次为了有效利用雷达资源,一旦窄带跟踪到目标后,雷达可以转入宽带一维成像与单脉冲跟踪。给出了宽带一维像的测速、测距和测角模型,并得到仿真验证。目标一维像的连续定位跟踪可以增加目标跟踪数据率,提高雷达对机动目标跟踪能力。 提出了匀加速目标的变尺度RWT成像与定标方法。该方法首先根据多个距离单元信号的调频参数估计,用加权最小二乘法解算出目标转动参数,并利用转动参数对横向信号实施纵向参数补偿;最后利用变尺度RWT实现成像与定标。算法速度较常规RWT成像有大幅度提高,成像性能更稳定,仿真实验和外场数据的ISAR成像处理验证了该方法的有效性。该方法在非合作机动目标ISAR成像与定标方面有很好的应用前景。另外纵向参数补偿法对于匀速运动目标仍然具有很好的应用价值。 另外为了验证变尺度RWT成像,提出了基于外场测试数据的插值变采样机动目标数据产生方法,并进行了仿真验证。最后基于对称目标的对称轴与对称点直线垂直,给出了对称目标转角估计和横向定标新方法,并给出了定标参数估计误差表达式,定量分析了影响定标参数估计误差的各因素,并进行了仿真验证。该方法结构简单,运算量小。 论文研究成果可以应用于脉冲多普勒雷达、LFM连续波雷达、步进频雷达、远程预警雷达和成像雷达等,对于雷达信息处理等诸多领域均提供借鉴和参考,同时对于弹道导弹生存和突防能力等应用领域研究具有十分重大的理论意义和军事价值。


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