低SNR下复杂运动非合作目标ISAR成像关键技术研究

发布时间：2020-09-03 09:09

　　逆合成孔径雷达(Inverse synthetic aperture radar,ISAR)是一种重要的成像雷达,它具有全天候、全天时、远距离成像的特点,可以获取目标的二维高分辨图像,提供观测目标的尺寸和结构等丰富的特征信息,在军事和民用领域均有重要的应用价值。经过半个多世纪的发展,ISAR成像的基本理论已较为成熟;然而,随着观测场景的多样化以及成像目标运动的复杂化,给ISAR成像技术带来了新的挑战。由于非合作目标的复杂运动,导致目标散射点能量分布在不同的距离门,同时每个散射点也会产生时变的多普勒频率,使得基于传统的距离多普勒(Range Doppler,RD)成像算法获得的ISAR图像出现散焦和拖尾;同时,由于大气衰减、隐身技术的发展、目标与雷达间的远距离以及杂波、噪声干扰等原因导致雷达回波信号信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)较低,从而导致传统的ISAR成像方法失效;此外,随着军事和民用需求的提高,对ISAR系统的实时性提出了更高的要求。本文围绕上述存在的问题展开研究,主要的研究内容和创新点如下:(1)针对回波信号在SNR环境下,传统的平动补偿方法失效的问题;本文在充分利用运动目标中所有散射体的能量和二维相干积累增益的意图下,提出一种联合包络对齐和相位校正的参数化平动补偿方法。首先,将目标平动建模为多项式信号,并利用同一运动目标上所有散射体具有相同的平动历程这一先验信息,通过相位差分(Phase Difference,PD)和Keystone变换(Keystone Transform,KT)将目标上所有散射体能量聚集到同一距离单元。然后,通过分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier transform,FrFT)将该距离单元内的所有散射体能量集中到一个强点,进而准确地估计出运动目标平动参数。根据估计的多项式系数,通过解调操作和KT来联合矫正距离走动和相位误差。本文提出方法通过利用所有散射体的能量来提高输出SNR来保持在低SNR下的性能;此外,由于避免了多维搜索因此具有较低的计算复杂度。最后,理论分析和实测数据实验验证了该方法的有效性。(2)机动目标的复杂运动导致散射体回波信号多普勒频率时变,给ISAR成像方位向处理带来困难。而传统的RD成像方法、Wigner-Ville distribution(WVD)瞬时成像方法、Radon-Wigner等成像方法由于成像效果差或运算效率低等因素,不适合复杂运动目标的ISAR实时成像。针对这些问题,本文在三次相位函数(Cubic phase function,CPF)的基础上结合狄拉克函数的取样特性,提出了一种相干积累的三次相位函数(Coherent accumulation cubic phase function,CICPF)来提高输出信噪比,及抑制噪声项和交叉项;详细分析和比较了现有的LFM参数估计方法和CICPF的参数估计性能,并从公式上推导了其克拉美罗下界(Cramer-Rao Lower Bound,CRLB)和信噪比增益;最后将CICPF应用到ISAR成像中,相比于现有的成像算法,提出的算法能够在低SNR环境下得到聚焦良好的ISAR图像。实验仿真结果也验证了提出算法的有效性。(3)针对ISAR成像处理后的方位定标难题,本文中提出一种基于伪极坐标快速傅里叶变换(Pseudo-Polar Fast Fourier Transform,PPFFT)的快速ISAR方位定标方法。首先,该方法利用高效的PPFFT把两幅相邻的ISAR图像的旋转关系转化为极角的平移关系;然后,在此基础上定义了一种新的代价函数来粗估目标的旋转角速度(Rotation angle velocity,RAV);最后,通过采用经典二分法估计得到最优的RAV。与现有的方位定标方法相比,由于PPFFT不需要进行插值操作,提出方法拥有较高的精度和计算效率;并且在仿真部分获得了高精度的飞机实测数据定标处理结果。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN957.52
【部分图文】：

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图 1.1 空间碎片示意图Fig.1.1Adiagram of space fragments现在应用场景下，如图 1.1 所示的空间碎片监减以及杂波、噪声干扰等原因导致雷达回波杂；这些给 ISAR 的平动补偿和成像算法设，目标通过设计合理的气动外形，采用吸波(Radar-cross section, RCS)；并且常常伴随杂波上降低了雷达回波的 SNR。此外，强噪声干地降低了回波包络间的相关性，导致传统平来相位误差，进而导致 ISAR 图像出现散焦[2像技术需要进一步的研究和探索。得反映成像目标真实尺寸的 ISAR 图像，需要续的目标识别和分类。然而，传统的 ISAR 定间权衡，因此需要进一步研究和设计出一种

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1 绪论通用原子公司、美国麻省理工学院(Massachu-setts Institute of Technology, MIT)林肯实验室等公司和实验室先后成功研发了针对空间轨道目标的成像雷达[22]。随后的十年里，由 MIT 林肯实验室成功研发的 ALCOR 雷达(带宽为 512MHz)，其工作在Ｃ波段，是世界上第一部远距宽带 ISAR 成像雷达，并在夸贾林靶场开始投入使用[23]，并获得了世界上首个近空目标的高分辨 ISAR 图像；ALCOR 雷达及成像情况如图 1.2 所示。著名研究学者 Walker 针对旋转目标的距离多普勒成像的运用模型在理论层面上展开了进一步研究。

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重庆大学硕士学位论文监测要求越来越高，特别是针对导弹等高机动目标，在这些迫切的军事需求下，进一步加速了 ISAR 技术的发展。ISAR 能够有效获取运动目标的高分辨图像，对了解和掌握敌方军事意图具有重大帮助，其已作为国防战略系统中重要的环节，成为各国国防事业发展的重要方向。在 ISAR 成像基础理论和 ISAR 系统研发方面，美国处于优势地位；其他国家也都相继进行了有关 ISAR 的研究并研发了实际的雷达系统。其中，德国的 TIRA(Tracking and Imaging Radar)雷达，是由德国高频物理和雷达技术研究所研发的同时具备跟踪和宽带成像能力的 ISAR 雷达系统，具有直径分别为 49 米和 34 米的天线罩和抛物面，其距离分辨率可以达到 25cm，可以工作在不同波段从而实现特定的功能。另外，该部雷达先后成功获取了前苏联礼炮-7 空间站以及德国的ABRIXAS 卫星的 ISAR 图像[27]；图 1.3 为德国的 TIRA 雷达及其成像结果。

【参考文献】