基于空间谱域分析的雷达成像技术研究

论文摘要

应用成像雷达重构目标像,能够获取目标的结构信息,有利于目标特性分析和目标识别。为实现较高的分辨率以重构目标散射函数,成像雷达需要获得空间谱域一定范围内的观测采样。按照获得空间谱域观测的方式,运动目标雷达成像技术大致可分为ISAR成像技术和实孔径成像技术。其中ISAR成像技术通过目标相对雷达的运动获得空间谱域观测,而实孔径成像技术则利用天线阵列直接获得不同方位向的空间谱域观测。从空间谱域观测的角度分析运动目标雷达成像技术,能够考察各种成像方法的适用范围,并为研究新的成像方法提供思路。在ISAR成像中,目标运动会引入相位误差并改变谱域观测采样的分布特性;而在实孔径成像雷达中,阵元的排列决定了空间谱域的数据支撑域。本文首先从空间谱域的角度分析ISAR成像技术,并给出不同谱域观测条件下的ISAR成像方法;然后针对实孔径成像问题,提出了分布式多通道的成像方法。论文的研究成果如下:(1)分析ISAR成像中目标运动的影响。首先,详细分析目标不同运动状态下回波信号的距离压缩相位历程;然后,通过分析二维转动目标成像和三维转动目标成像的空间谱域观测,更加清晰地阐明了ISAR成像中目标运动的影响。(2)给出基于平面空间谱域观测采样的ISAR成像方法。在目标转动矢量方向保持不变的条件下,平面空间谱域观测大致可以分为三种情况:目标小角度的均匀转动,谱域观测可近似为矩形内均匀的采样点;目标非均匀转动,谱域观测为横向上非均匀的采样点;目标大角度的转动,谱域观测为部分扇形内非均匀的采样点。针对上述三种不同的空间谱域观测条件,分别提出基于最大似然估计的自聚焦算法、基于离散调频傅立叶变换的成像方法和近似极坐标格式化成像方法。(3)给出基于曲面空间谱域观测的ISAR成像方法。首先给出目标三维转动、曲面空间谱域观测条件下的回波信号模型;然后,在空间谱域观测曲面与平面较接近的条件下,提出一种复杂运动目标的ISAR成像算法;最后,针对强机动目标ISAR成像,提出基于散射点信号特性的成像时间选择算法。(4)提出分布式多通道的成像方法。首先,针对实孔径雷达成像问题,通过分析其空间谱域观测,提出分布式多通道的成像方法,并给出其成像原理;然后,分析分布式多通道雷达空间谱域观测采样的分布规律,并讨论其成像性能和阵元位置误差的影响。(5)提出分布式多通道雷达目标成像的实现方法。首先研究雷达阵元排列对成像性能的影响,提出阵元排列应遵循的准则;然后,讨论分布式多通道雷达回波信号距离压缩相位历程的特点,给出相位校正方法,并根据空间谱域观测采样分布的特性提出极坐标格式化成像算法。

论文目录

• 目录
• 图表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 雷达成像的发展历史
• 1.2 运动目标雷达成像技术
• 1.2.1 运动目标成像原理的空间谱域解释
• 1.2.2 利用ISAR技术获得空间谱域观测的成像方法
• 1.2.3 利用实孔径获得空间谱域观测的成像方法
• 1.2.4 运动目标雷达成像技术中的主要问题
• 1.3 运动目标成像问题的空间谱域解决思路
• 1.3.1 由空间谱域观测分析运动目标成像问题的优势
• 1.3.2 运动目标成像问题的空间谱域解决思路
• 1.4 论文内容安排
• 第二章 ISAR成像中目标运动的影响和空间谱域解释
• 2.1 ISAR成像中目标运动的影响
• 2.1.1 ISAR信号的相干处理过程
• 2.1.2 目标运动的影响
• 2.2 ISAR成像的空间谱域分析
• 2.2.1 ISAR成像原理的空间谱域解释
• 2.2.2 二维转动目标成像的空间谱域分析
• 2.2.3 三维转动目标成像的空间谱域分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于空间谱域平面观测采样的ISAR成像方法
• 3.1 基于最大似然估计的径向运动相位误差校正算法
• 3.1.1 径向运动相位校正的空间谱域分析
• 3.1.2 ISAR信号模型
• 3.1.3 相位误差的最大似然估计
• 3.1.4 算法的实现步骤和时间复杂度
• 3.1.5 实测数据的实验结果
• 3.1.6 小结
• 3.2 非均匀转动目标的成像方法
• 3.2.1 非均匀转动目标成像方法的空间谱域分析
• 3.2.2 非均匀转动目标的ISAR信号模型
• 3.2.3 基于DCFT的成像方法
• 3.2.4 离散调频傅立叶变换的估计性能分析
• 3.2.5 实验结果
• 3.2.7 小结
• 3.3 越距离单元走动校正的成像方法
• 3.3.1 散射点越距离单元走动的空间谱域分析
• 3.3.2 近似极坐标格式化算法
• 3.3.3 算法性能分析
• 3.3.4 仿真试验
• 3.3.5 小结
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于空间谱域曲面观测采样的ISAR成像方法
• 4.1 三维转动目标ISAR成像方法的空间谱域分析
• 4.2 曲面空间谱域观测条件下的回波信号分析
• 4.2.1 曲面空间谱域观测条件下的回波信号模型
• 4.2.2 散射点在新坐标系中的分布
• 4.2.3 数值例子
• 4.2.4 小结
• 4.3 曲面空间谱域观测条件下的成像算法
• 4.3.1 成像算法的实现步骤
• 4.3.3 仿真试验
• 4.3.4 算法性能分析
• 4.3.5 小结
• 4.4 基于散射点信号特性的成像时间选择算法
• 4.4.2 散射点信号特性分析
• 4.4.3 成像时间选择算法和性能分析
• 4.4.4 仿真试验
• 4.4.5 小结
• 4.5 本章小结
• 第五章 分布式多通道雷达成像的空间谱域观测分析
• 5.1 实孔径雷达成像的空间谱域解决思路
• 5.1.1 实孔径雷达成像的空间谱域解决思路
• 5.1.2 分布式多通道成像雷达的技术难点
• 5.2 分布式多通道雷达的成像原理
• 5.2.1 分布式多通道雷达的目标散射特性
• 5.2.2 观测信号模型
• 5.2.3 成像原理
• 5.3 成像性能分析
• 5.3.1 空间谱域采样点的分布规律
• 5.3.2 成像分辨率和模糊距离
• 5.4 雷达阵元位置误差对成像的影响
• 5.4.1 阵元位置误差的影响
• 5.4.2 目标参考中心距离的变化
• 5.4.3 雷达视线方向的变化
• 5.5 本章小结
• 第六章 分布式多通道雷达目标成像的实现方法
• 6.1 雷达阵元排列
• 6.1.1 雷达阵元的排列
• 6.1.2 成像仿真试验
• 6.2 发射阵元和接收阵元直线排列下的成像方法
• 6.2.1 回波信号的相位分析和相位校正
• 6.2.2 极坐标格式化成像算法
• 6.2.3 成像仿真试验
• 6.3 发射阵列和接收阵列不共线条件下的成像方法
• 6.3.1 发射阵列和接收阵列不共线条件下的空间谱域观测
• 6.3.2 成像方法
• 6.3.3 仿真实验和算法性能分析
• 6.3.4 小结
• 6.4 本章小结
• 第七章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 复杂运动目标成像算法性能分析中的推导
• 附录B 极坐标格式化成像算法中距离弯曲的影响
• 攻读博士学位期间完成的学术论文