逆合成孔徑雷達(dá)提高分辨率成像方法研究.pdf

1、逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)成像具有全天候、全天時(shí)、作用距離遠(yuǎn)和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。ISAR可實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)、空中目標(biāo)和海面艦船等非合作目標(biāo)成像和識(shí)別，隨著應(yīng)用需求的日益增加，ISAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄取方式向多功能、多模式、多視角、多極化的方向發(fā)展。復(fù)雜的工作方式對高分辨成像提出了更高的要求，現(xiàn)有高分辨ISAR成像面臨著運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、極化信息融合以及目

2、標(biāo)后向散射場建模等問題。
　　本文旨在利用壓縮感知(Compressive Sensing，CS)和電磁散射理論提高全極化ISAR、正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)ISAR的圖像分辨率。論文圍繞國家“973”計(jì)劃課題“基于電磁散射機(jī)理的XXX方法研究”、國家“973”計(jì)劃課題“稀疏微波成像的理論、體制和方法研究”以及國家自然科學(xué)基金“空間目標(biāo)全極化逆合成

3、孔徑雷達(dá)成像和特征提取”等項(xiàng)目，對提高各工作模式下的ISAR成像分辨率進(jìn)行了較為深入的研究。全文內(nèi)容主要概括為以下四個(gè)方面:
　　1.短孔徑有限帶寬數(shù)據(jù)ISAR超分辨成像
　　寬帶ISAR在短孔徑、有限帶寬的數(shù)據(jù)錄取模式工作下，非合作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)近似平穩(wěn)，成像信號處理簡單，可有效解決多功能雷達(dá)對單一目標(biāo)時(shí)間和頻率資源分配有限的問題，但短孔徑有限帶寬觀測會(huì)對圖像分辨率產(chǎn)生制約，在成像處理中需要加以克服。本文第三章第一部分將基于CS

4、的短孔徑超分辨ISAR成像擴(kuò)展為二維聯(lián)合超分辨成像，該方法充分有效地利用了回波信號二維耦合信息，通過將二維超分辨成像建模為l1范數(shù)優(yōu)化問題，超分辨圖像可通過結(jié)合快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)、共軛梯度法(Conjugate Gradient Algorithm，CGA)和Hadamard乘積的快速迭代法重構(gòu)。結(jié)果表明，基于CS的二維ISAR超分辨成像除了可利用二維耦合信息重構(gòu)超分辨ISAR圖像外，

5、還具有較強(qiáng)的噪聲魯棒性。
　　2.極化ISAR超分辨成像與自聚焦
　　極化ISAR成像是指利用全極化雷達(dá)對衛(wèi)星、航天飛機(jī)、飛機(jī)、導(dǎo)彈等人造功能目標(biāo)進(jìn)行高分辨雷達(dá)成像，由于電磁波的矢量特性使目標(biāo)不同極化通道信號間存在豐富的信息冗余與互補(bǔ)，通過極化散射機(jī)理分析目標(biāo)后向散射特性可提取目標(biāo)的重要特征信息，論文開展了全極化ISAR超分辨成像與自聚焦研究。首先，第三章第二部分將二維聯(lián)合超分辨算法推廣到極化雷達(dá)中，針對散射點(diǎn)在極化通道各向

6、異性的問題，研究了極化信息保持的二維ISAR超分辨成像，通過對各通道回波聯(lián)合處理，保證了散射點(diǎn)在各極化通道間的連續(xù)性，有助于后續(xù)極化散射矩陣提取。接著，本文第五章提出了針對稀疏孔徑信號的全極化自聚焦算法，在自聚焦階段聯(lián)合全極化數(shù)據(jù)進(jìn)行相位誤差估計(jì)，提高了全極化ISAR自聚焦精度和對噪聲容忍性。Backhoe數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，全極化ISAR超分辨和自聚焦算法利用了各通道間冗余的極化信息，有效提高了全極化成像分辨率和相位補(bǔ)償精度。
　

7、　3.屬性散射中心模型超分辨成像
　　ISAR成像可精細(xì)描述目標(biāo)在某些方位角度和頻率下的電磁散射場分布，在一定的觀測條件下，目標(biāo)的幾何形態(tài)和信號中的電磁散射分布有著明確的對應(yīng)關(guān)系。第四章將可精確描述這種對應(yīng)關(guān)系的屬性散射中心模型進(jìn)行簡化，并提出一種快速的屬性散射中心模型參數(shù)估計(jì)方法反演目標(biāo)的幾何形態(tài)和特征。接著利用估計(jì)出的散射中心參數(shù)進(jìn)行頻譜外推，突破分辨率的理論極限，并在方位維超分辨時(shí)選取合理的中心角度，使信號能量集中于主瓣，取

8、得良好的聚焦效果。最后的實(shí)驗(yàn)證明了算法除了超分辨效果明顯外，還可克服傳統(tǒng)的基于點(diǎn)散射中心模型超分辨方法目標(biāo)結(jié)構(gòu)不完整和形變的問題，保留目標(biāo)的幾何特征。
　　4.OFDM-ISAR成像與運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償
　　常規(guī)脈沖壓縮技術(shù)會(huì)造成ISAR成像距離旁瓣偏高，也即產(chǎn)生目標(biāo)散射點(diǎn)回波信號能量到相鄰距離單元的泄露，對ISAR成像分辨率產(chǎn)生影響。針對此問題，第六章提出了OFDM-ISAR成像方法，基于OFDM信號特殊的時(shí)頻結(jié)構(gòu)，在發(fā)射OFDM序

9、列時(shí)插入足夠長度的CP，可有效抑制距離旁瓣。與常規(guī)非合作目標(biāo)ISAR成像一樣，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是OFDM-ISAR成像的關(guān)鍵，第六章第二部分提出了適用于OFDM-ISAR的包絡(luò)對齊和自聚焦方法，包絡(luò)對齊對目標(biāo)平動(dòng)造成的包絡(luò)偏移進(jìn)行補(bǔ)償，在補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)保證了重構(gòu)OFDM-ISAR距離向低旁瓣的特點(diǎn)，自聚焦處理補(bǔ)償了包絡(luò)對齊中引入的偏差以及平動(dòng)引起的相位誤差。最后的仿真實(shí)驗(yàn)表明，OFDM-ISAR通過發(fā)射插入足夠長度CP的OFDM波形可獲取距離低旁瓣