SAR-SIAR運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)及成像新技術(shù)研究.pdf

1、作為一種全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離的主動(dòng)式觀(guān)測(cè)系統(tǒng),雷達(dá)成像技術(shù)在國(guó)防和民用領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用,是雷達(dá)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和成像廣泛應(yīng)用與戰(zhàn)場(chǎng)偵查和災(zāi)害救援等領(lǐng)域中。逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthetic aperture radar,ISAR)主要應(yīng)用于對(duì)空中、空間以及艦船等目標(biāo)的成像。它們大大提高了雷達(dá)信息獲取能力,為目標(biāo)識(shí)別創(chuàng)造了

2、前所未有的機(jī)會(huì)。
　　 本論文主要圍繞著以上兩個(gè)方面做了一些研究,現(xiàn)概括如下:
　　 SAR對(duì)弱小艦船目標(biāo)檢測(cè)和成像時(shí),目標(biāo)回波較弱,且其運(yùn)動(dòng)參數(shù)往往難以估計(jì),這都對(duì)檢測(cè)和成像造成了困難。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,提出了一種基于沙漏形變換的弱小舭船目標(biāo)檢測(cè)與成像的技術(shù)。該沙漏形變換在不需要估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的條件下,對(duì)近似為線(xiàn)性調(diào)頻(linear frequency modulated,LFM)信號(hào)的肌船方位向信號(hào)進(jìn)行相干積累,并且在

3、分辨率不變的前提下很好的抑制Cohen類(lèi)時(shí)頻分布交叉項(xiàng)的影響,從而大大提高了對(duì)這類(lèi)微弱目標(biāo)的檢測(cè)性能及成像質(zhì)量。仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　 二次調(diào)頻(quadratic frequency modulated,QFM)信號(hào)在自然界廣泛存在,很多雷達(dá)系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)也采用這類(lèi)信號(hào),但是由于其信號(hào)形式復(fù)雜,對(duì)其檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)存在較大的困難。針對(duì)這種情況,首先分析了LFM信號(hào)的TCD分布(time—chirpdis

4、tributionl和LFM信號(hào)WVD分布(wigner-ville distribution)的相同點(diǎn),在此基礎(chǔ)上將沙漏形變換推廣到二次調(diào)頻信號(hào)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)中,并分析了其與線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)沙漏形變換的不同。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　 SAR對(duì)多艦船目標(biāo)同時(shí)成像時(shí),不同艦船具有不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),也即是不同的散射點(diǎn)具有不同的多普勒歷程,這導(dǎo)致難以采用統(tǒng)一的相位補(bǔ)償項(xiàng)獲得高質(zhì)量的圖像?？紤]到海面的回波相對(duì)艦船回波很弱可以

5、忽略,可以認(rèn)為艦船相對(duì)于雷達(dá)成像范圍是稀疏的特點(diǎn),提出了基于壓縮感知(compressed sensing,CS)的短孔徑SAR對(duì)多艦船目標(biāo)的成像算法。該方法通過(guò)將多艦船目標(biāo)成像轉(zhuǎn)換為在某種基下具有稀疏表示的信號(hào)重建問(wèn)題,從而滿(mǎn)足CS理論對(duì)信號(hào)恢復(fù)重構(gòu)的要求,獲得比傳統(tǒng)成像方法更高的方位分辨率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理驗(yàn)證了該算法的有效性。
　　 步進(jìn)頻率ISAR對(duì)高速目標(biāo)成像的時(shí)候,為了獲得高質(zhì)量的高分辨距離像(highresoluti

6、on range profile,HRRP),提出一種數(shù)字解線(xiàn)調(diào)頻技術(shù)和一種相位相干化技術(shù)。利用該數(shù)字解線(xiàn)調(diào)頻技術(shù),我們可以大大降低A/D采樣速率,并且回波的相干性也可以較為容易的恢復(fù)。在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)存在誤差的條件下,殘留的運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)引起相鄰子脈沖之間的相位跳變,這會(huì)在一定程度上導(dǎo)致HRRP模糊。利用相位相干化技術(shù)可以很容易的補(bǔ)償殘留多普勒,進(jìn)一步消除相位差的影響。從而可以通過(guò)時(shí)域子脈沖合成技術(shù)獲得高質(zhì)量的HRRP。最后,結(jié)合傳統(tǒng)

7、ISAR成像方法即可獲得高質(zhì)量的目標(biāo)ISAR像。仿真試驗(yàn)和對(duì)比驗(yàn)證了所提數(shù)字解線(xiàn)凋頻技術(shù)和相位相干化技術(shù)的有效性。
　　 采用InISAR技術(shù)獲取目標(biāo)三維視圖時(shí),首先要獲得其高質(zhì)量ISAR圖像。機(jī)動(dòng)目標(biāo)的相位歷程往往是非線(xiàn)性的,這種情況下,傳統(tǒng)傅里葉成像獲得的圖像質(zhì)量下降嚴(yán)重,而時(shí)頻分析類(lèi)方法或分辨率下降,或不能保相,或交叉項(xiàng)影響嚴(yán)重,都不能作為理想的成像方法。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,提出一種利用目標(biāo)稀疏特性的超分辨ISAR成像方法。該方

8、法在較短的時(shí)間即可獲得高分辨的目標(biāo)ISAR像(孤立散射點(diǎn)),并且能夠保持散射點(diǎn)的初相。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合傳統(tǒng)InISAR技術(shù)即可獲得高質(zhì)量的目標(biāo)三維視圖。該方法的有效性分別通過(guò)仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。此外,針對(duì)國(guó)內(nèi)首批實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中存在的問(wèn)題,提出了未來(lái)三維InISAR技術(shù)發(fā)展中信號(hào)處理需要注意的問(wèn)題。由于頻率和空間稀疏有可能成為未來(lái)雷達(dá)信號(hào)處理發(fā)展的重點(diǎn)方向,在以上研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了稀疏頻率-短孔徑的超分辨ISAR及三維InISAR

9、成像方法。仿真數(shù)據(jù)的處理獲得了較好的效果。
　　 根據(jù)ISAR成像的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種ISAR成像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)分別從硬件模塊、數(shù)據(jù)通信和算法實(shí)現(xiàn)三個(gè)層面上進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。硬件設(shè)計(jì)上采用分布式并行設(shè)計(jì)的思想,符合ISAR成像的處理流程；數(shù)據(jù)通信上采用串并轉(zhuǎn)換及交換機(jī)加鏈路口傳輸?shù)乃枷?使得任意節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸高效靈活；最后根據(jù)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)和目標(biāo)特征選擇了適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)算法,并對(duì)算法的運(yùn)算量進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)時(shí)處理在信