浮空器载逆合成孔径雷达飞机目标成像技术研究

发布时间：2019-07-20 20:40

【摘要】：逆合成孔径雷达(ISAR)是一种高分辨的二维成像雷达,可对飞机、卫星、导弹、和舰船等运动目标进行成像,具有全天候、全天时、远距离的特点,在战略防御、战场侦察、火力评估等领域具有重要的应用价值,是雷达预警的关键组成部分。目前,包括我国在内的很多国家都在构建陆、海、空、天一体化预警网络。其中,利用浮空器平台进行雷达预警由于具有执行任务时间长、效费比高、隐身与反隐身性能好等优点,成为了当前空基预警中的一个前沿问题。本文深入研究了浮空器载ISAR对飞机目标的成像,包括浮空器的不稳定运动对ISAR成像的影响、浮空器载ISAR对飞机的高分辨成像与运动补偿、对螺旋桨飞机成像时的微动干扰抑制、对在同一波束内的多个飞机目标的成像及对浮空器载ISAR飞机图像的横向定标。本文的主要研究内容为:本文首先介绍了稳定平台下ISAR飞机目标成像的基本理论和方法。在该部分本文对所探测的飞机目标的运动方式及其回波信号进行了建模,并介绍ISAR二维成像的原理和距离—多普勒算法,还给出了传统的ISAR运动补偿算法,包括包络互相关法和模-1法距离对准和相位梯度自聚焦等。由于实际的浮空器并不稳定,接下来本文建立了浮空器的三维运动模型,根据其动力学方程和运动学方程,对浮空器在受气流扰动后的运动特性进行了分析,随后通过仿真详细研究了浮空器平台的不稳定运动对飞机目标的ISAR成像所造成的影响。由于浮空器的不稳定运动会引入复杂的多普勒频率,传统的运动补偿和成像算法所得到的效果并不理想。针对该问题本文提出了浮空器载ISAR对飞机的高分辨成像方法,其基本思想是通过对回波数据的时间稀疏化处理去除浮空器受到气流扰动期间ISAR接收的回波,然后通过基于压缩感知的ISAR成像算法得到目标的高分辨图像。在去除了受干扰回波后,由于飞机目标还存在平动运动,本文提出了一种基于梯度投影法和共轭梯度法,利用双重迭代进行ISAR自聚焦的GP-CG算法。该算法能够在时间稀疏的情况下,将剩余回波中目标的平动运动所引入的相位误差进行精确的估计,从而生成聚焦的飞机ISAR图像。通过对仿真数据和实测数据的处理,证明了本算法的有效性,能够应用在实际的工程中。获取高质量的飞机主体的ISAR图像是利用浮空器载雷达对飞机进行ISAR成像的主要目标。但实际的飞机目标中很多都装载有外置的螺旋桨,螺旋桨的快速转动破坏了目标的刚体属性,使得ISAR图像中出现了多个干扰条带,对飞机主体造成了遮挡,成像质量下降,故需要对该微动干扰进行抑制。当前主要的微多普勒抑制方法运行时间较长,不符合浮空器载ISAR快速预警的要求。为了解决该问题,本文以桨叶为单位,研究了在浮空器载ISAR体制下螺旋桨回波信号的特征,得出其在高分辨距离像上的谱线具有闪烁特性。基于该闪烁特性,本文提出了利用波形熵在距离像上检测螺旋桨所在的距离单元的方法,然后提出了基于压缩感知的飞机螺旋桨微动干扰的快速抑制算法,通过仿真和实测数据的实验结果证明该算法能够在较短的处理时间内获得令人满意的飞机主体ISAR像。在浮空器载ISAR成像中,由于雷达探测距离远,波束覆盖范围广,且飞机目标有时会编队运动,因此常会出现在同一个雷达波束内有多个飞机目标的情况。由于这些目标相对于雷达的运动形式不同,不能直接利用单目标成像的算法来进行处理。多目标的成像可以分为多目标直接成像和多目标分离成像两种思路。针对浮空器载ISAR多目标直接成像,本文研究了基于Chirplet-WVD的距离—瞬时多普勒多飞机目标成像方法,该方法可以在浮空器非稳定的情况下获得聚焦良好的多飞机瞬时ISAR像,还具有杂波抑制的作用。针对多目标的分离成像,本文提出了基于K-均值聚类的多目标成像方法,该方法可以应用在多飞机目标在未聚焦的ISAR图像上有部分交叠的情况。浮空载ISAR对飞机进行成像的最终目的是对飞机目标进行分类和识别。飞机的尺寸信息是用于识别的重要特征,但该信息不能从ISAR图像上直观获取,其方位分辨率通常未知,通过横向定标算法估计方位向分辨率是必要的。本文提出了基于自适应chirplet变换的ISAR横向定标方法,利用与信号匹配的chirplet原子的调频率,结合最小方差准则的直线拟合,可以估计出准确的方位向分辨率。针对飞机转角较大的情况本文还对算法进行了改进。该横向定标方法的优点在于对受微动干扰影响的飞机ISAR像也能进行准确的横向定标。
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TARS系留气球Fig.1-1CaptiveballoonofTARS

ENS 是美国陆军为了帮助驻扎在国外的美国军队应对巡航导弹飞行高度在 1 万~1.5 万英尺，上面的雷达能提供超视距监视。该系统能比地面防空雷达早十分钟发现敌目标，其意义巨大，重视。一套 JLENS 系统包括两只系留气球，一只装备监视雷达罗普—格鲁曼公司研制的 AN/TPS-63 雷达，其工作在 1~2GHz 0～3000m 高度工作时，能在一次扫描中以 90%的概率探测 26、飞行高度为 150m、雷达截面为 5m2的空中目标[15]，用于进；另一只上装有精确跟踪目标照射雷达（PTIR），其根据 SuR 进行火控精度跟踪[16]，，其雷达型号为 AN/APG-66SR，是由 AN载火控雷达衍生而来的，工作频率为 9.7~9.9GHz，具有 7 种工重复频率空中监视，非相干频率捷变低脉冲重复频率海上监视上监视，地面动目标指示，8~12.5GHz 频段信标询问，天气监15,17]。JLENS 系统已经与联合战术体系、联合作战能力、单通[18]图 1-1 TARS 系留气球Fig.1-1 Captive balloon of TARS
HAA飞艇概念图

第 1 章绪论登者”（Ascender）飞艇，2003 年初由 JP 宇航公司开始。该飞艇是一种 V 形飞艇，可将氦气在两个气囊间传送来佳的机动性能。该飞艇计划携带 100 磅载荷飞至 120000 已经确定将携带 ISR 雷达、通信中继和其它任务载荷[23] 2 种飞艇，分别是“轨道攀登者”飞艇和“黑暗空间站项目是从 2002 年 10 月开始进行，由美国导弹防御局牵头研究并生产，计划建造 10 艘飞艇分布在美国太平洋沿岸图如图 1-2 所示。HAA 最终目标是能从美国本土起飞自驻空时间能达到 1 年而无需添加燃料[24]。每艘飞艇未来600km 区域的雷达及其它传感器，目标是对洲际导弹和巡
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN957.52

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