ISAR成像新方法研究.pdf

1、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)是一種重要的高分辨雷達(dá),可以全天候、全天時、遠(yuǎn)距離的獲取非合作目標(biāo)的圖像,可以大大提高雷達(dá)信息獲取能力,在軍用和民用領(lǐng)域均有重大實用價值。隨著實際需求的不斷發(fā)展,對ISAR成像技術(shù)的研究也在不斷的深入。為充分發(fā)揮信號處理作用,提高雷達(dá)的成像能力,本文利用概念分析、理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)驗證等手段對ISAR成像的一些新方法進(jìn)行了研究。本文的主要工作概括如下:
　　 1.在逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像中,目標(biāo)的非

2、均勻轉(zhuǎn)動會造成圖像的嚴(yán)重散焦。針對這一問題,提出一種高效的成像方法。該方法首先對同一距離單元的方位向回波數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻分析,接著根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與尺度變換因子的對應(yīng)關(guān)系,用不同尺度因子對中心時刻的頻率分布進(jìn)行尺度變換構(gòu)造出參考信號,通過求解各個時刻的頻率分布與參考信號的相關(guān)系數(shù),估計出目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度變化情況,然后沿方位向進(jìn)行重采樣以補(bǔ)償目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度變化的影響,最后進(jìn)行成像處理得到聚焦良好的目標(biāo)圖像。該算法對每個時刻目標(biāo)轉(zhuǎn)動速度的變化都進(jìn)行了精

3、確的估計和補(bǔ)償,因此它適用于轉(zhuǎn)動速度任意變化的情況。另外,該算法需要的計算量較少,適合實時處理采用。仿真和實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗證了該方法的有效性。
　　 2.隨著ISAR成像分辨率的提高,目標(biāo)旋轉(zhuǎn)運動所導(dǎo)致散射點越距離單元走動對成像結(jié)果的影響變得越來越嚴(yán)重。提出一種新的子圖像合成方法來補(bǔ)償高分辨率ISAR成像中的旋轉(zhuǎn)運動。通過將比較大的旋轉(zhuǎn)運動分成幾個較小的部分,子圖像的生成就可以很容易地使用現(xiàn)有的ISAR成像算法實現(xiàn)。同時,隨

4、著子圖像數(shù)目的增加,在相干積累間隔內(nèi)方位角的變化就可以變得很大,所以能夠很容易就獲得很高的分辨率。另外,由于整個處理流程都是通過快速傅里葉變換(FFT)和向量乘法實現(xiàn),所以,該算法的計算效率較高并且不包含插值操作。最后也給出了數(shù)字處理的結(jié)果來證明所提算法的有效性。
　　 3.地基雷達(dá)一直是空間碎片監(jiān)測的有力工具,研究如何利用它們對尺寸小于距離分辨率的自旋空間碎片進(jìn)行成像具有重要意義?；诳臻g碎片通常會圍繞它的主軸進(jìn)行簡單的自旋轉(zhuǎn)

5、運動這一事實,通過對目標(biāo)回波模型的分析,提出了兩種方法,即單距離圖像融合方法和基于稀疏信號表示的空間碎片成像方法。這兩種方法都是基于目標(biāo)是由孤立的各向同性散射點組成的這樣一個假設(shè),通過使用單個距離單元上的方位回波數(shù)據(jù)就可以獲得目標(biāo)的二維圖像,理論上的分辨率為四分之一波長。在單距離圖像融合算法中,由于總的旋轉(zhuǎn)角被分成了四個部分,所以使得對每一個部分的處理都非常容易,所以該方法計算效率較高,特別是針對比較小的目標(biāo)的時候。另外,該方法可以直接

6、在笛卡爾坐標(biāo)系中得到目標(biāo)的圖像,而現(xiàn)有的算法首先得到極坐標(biāo)中的圖像,需要重新格式化到笛卡爾坐標(biāo)系中。仿真實驗結(jié)果證明了該算法的有效性。在基于稀疏信號表示的空間碎片成像方法中,成像問題被轉(zhuǎn)化為稀疏信號分解問題,首先以各個散射點的散射特性作為元素構(gòu)建字典,然后通過采用現(xiàn)有的方法對單個距離單元橫向回波數(shù)據(jù)的稀疏信號表示進(jìn)行求解,最后對求解的結(jié)果重新排列以得到目標(biāo)的二維高分辨圖像。仿真實驗結(jié)果表明了該方法的正確性。
　　 4.線性調(diào)頻步

7、進(jìn)信號在簡化雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計的同時,也存在對高速運動目標(biāo)易出現(xiàn)多普勒模糊的問題,因此研究如何提高其等效的重復(fù)頻率具有重要意義。由于ISAR目標(biāo)的后向散射場具有較強(qiáng)的稀疏性,即大部分能量僅由少數(shù)散射中心貢獻(xiàn),所以基于稀疏信號表示理論,通過對目標(biāo)回波模型的分析,提出了一種基于稀疏步進(jìn)頻率信號的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法。該方法通過隨機(jī)地選擇線性調(diào)頻步進(jìn)信號的部分子脈沖進(jìn)行發(fā)射,然后使用稀疏信號分解的方法對目標(biāo)圖像進(jìn)行重建以得到目標(biāo)的二維高分辨圖像。

8、該方法以計算資源為代價,能夠有效地去除方位多普勒模糊,同時還能夠壓低旁瓣并得到超分辨的圖像。仿真和實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證了本方法的有效性。
　　 5.基于壓縮采樣理論,提出一種基于發(fā)射稀疏探測頻率信號的高分辨ISAR成像新方法。該方法僅僅需要距離頻域方位慢時間域上的很少一部分測量,然后通過線性規(guī)劃或者貪婪追蹤方法求解一個逆問題就可以重建出目標(biāo)的圖像。通過僅僅發(fā)射很少的幾個探測頻率而不是寬帶信號,該方法就可以得到不模糊的超分辨ISA

9、R圖像。仿真和實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證了所提方法的有效性。
　　 6.艦船目標(biāo)成像是逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點。針對艦船目標(biāo)的復(fù)雜運動特性以及采用步進(jìn)線性調(diào)頻信號給實時處理帶來的困難,設(shè)計了以數(shù)字信號處理器作為處理單元數(shù)字信號處理板卡,選擇了適于步進(jìn)線性調(diào)頻信號艦船ISAR成像實時處理的算法流程,并完成了實時處理在信號處理板卡上的任務(wù)分配和程序編寫。該方法能夠完成步進(jìn)線性調(diào)頻信號艦船目標(biāo)ISAR成像的實時處理任務(wù),