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雷达成像的电磁场仿真与超分辨成像算法研究

作　者: 顾翔
导　师: 张云华
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 计算机应用技术
关键词: 雷达近场成像雷达远场成像电磁场仿真时域有限差分方法 ISAR SAR 超分辨成像算法 MUSIC ESPRIT
分类号: TN957.51
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

雷达成像技术是一种在军事和国防现代化建设中极为重要并且得到广泛应用的高尖端技术。长期以来对雷达成像技术的研究注重于如何获得更高的分辨率,而基于对雷达成像物理本质的认识进而对目标进行识别的研究开展得还相对较少。在雷达成像中,直接在雷达天线近场对目标进行成像和在雷达天线远场获取雷达回波信号通过合成孔径技术得到的雷达图像(目标处于合成的等效大天线的近场)的效果是不相同的,两者在成像机理和成像本质上有很大的区别,但对于这一问题的研究目前还很少。本文首先建立基于时域有限差分方法(FDTD)的雷达成像的全电磁场仿真模型,并基于模型的近场仿真数据,使用时域相关法(TDC)、后向投影法(BP)和相移偏移法(PSM)三种近场成像算法进行处理,发现虽然PSM成像算法在远场时可以等效为加权BP成像算法,但在近场成像中,两者差别很大,不存在这样的等效关系。论文从信号频谱与空间频谱之间的投影关系对此作出了解释,并且从空间谱的角度分析了PSM算法“添零”操作的物理意义。为研究直接近场成像与在远场合成孔径处理后得到“等效近场成像”之间的区别问题,论文通过建立电偶极子的辐射模型,从电磁场的角度对雷达近场成像和雷达远场成像进行了分析和比较,从辐射波形和雷达散射回波源自物体表面感应电流(由一系列电耦极子组成)、磁流(由一系列磁耦极子组成)二次辐射的角度出发,分析了雷达回波的幅度、相位、频率等在近场成像和远场成像中的差别,基于物理机理的认识总结了雷达近场和远场成像的特点。超分辨成像是一种在不提高雷达信号带宽前提下,在较小的观测角度范围内实现通常要靠大的信号带宽和大的观测角度才能获得高分辨率雷达图像的成像技术。本文研究了MUSIC和ESPRIT超分辨成像算法,对两种算法的性能进行了统计分析,并证明了采用“空间平滑技术”的二维MUSIC成像算法和一维MUSIC算法的等价性。论文从统计学的角度,利用自相关矩阵的理论特征值和特征向量,从理论上推导了二维MUSIC成像算法的性能估计公式;利用空间倒谱的统计特性,推导了二维MUSIC算法的唯一性条件,分析了在特定情况下导致二维MUSIC失效的原因以及影响二维MUSIC算法性能的各个参数。论文还对一维ESPRIT算法应用于SAR 的学位论文">ISAR方位向时的性能及影响因素进行了分析,并采用RD算法、二维MUSIC算法和二维ESPRIT算法对FDTD成像模型的远场仿真数据进行成像处理,分别对RD成像结果、二维MUSIC的成像结果和二维ESPRIT的成像结果进行了分析,并从分辨率、计算量以及算法稳定性等角度对三种成像算法进行了比较。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
插图清单  11-14
第1章引言  14-32
  1.1 雷达成像及其发展概况  14-17
  1.2 雷达成像电磁仿真的发展和现状  17-19
  1.3 雷达超分辨成像算法的发展和现状  19-21
  1.4 雷达近场和远场成像  21-29
    1.4.1 天线场区的定义和划分依据  22-26
    1.4.2 近场成像和远场成像  26-29
  1.5 论文的章节内容和主要贡献  29-32
    1.5.1 论文的章节内容  29-30
    1.5.2 论文的主要贡献  30-32
第2章时域有限差分（FDTD）  32-52
  2.1 FDTD 概述  32-33
  2.2 FDTD 基本原理  33-36
    2.2.1 麦克斯韦方程组  33-34
    2.2.2 Yee 元胞结构  34-36
    2.2.3 电磁参数的设定  36
  2.3 FDTD 基本要点  36-41
    2.3.1 数值稳定性  36-37
    2.3.2 激励源  37-38
    2.3.3 近——远场外推  38-39
    2.3.4 吸收边界  39-41
  2.4 FDTD 的仿真实例  41-50
  2.5 本章小结  50-52
第3章雷达近场成像  52-72
  3.1 雷达近场成像概述  52-54
  3.2 常见的雷达近场成像模型  54-56
  3.3 雷达目标近场成像算法  56-61
    3.3.1 时域相关法（TDC）  56-57
    3.3.2 后向投影法（BP）  57-59
    3.3.3 相移偏移法（PSM）  59-60
    3.3.4 三种算法之间的比较  60-61
  3.4 雷达目标近场FDTD 模型仿真  61-68
  3.5 PSM 算法中“添零”的物理意义  68-69
  3.6 本章小结  69-72
第4章雷达远场成像  72-94
  4.1 雷达远场成像概述  72-73
  4.2 常见的雷达远场成像模型  73-74
    4.2.1 合成孔径雷达（SAR）  73
    4.2.2 逆合成孔径雷达（ISAR）  73-74
  4.3 ISAR 成像方法  74-80
    4.3.1 距离——多普勒成像算法（RD）  75
    4.3.2 极坐标成像算法（PFA）  75
    4.3.3 基于时频分析的成像算法  75-76
    4.3.4 超分辨成像算法  76-80
  4.4 雷达近场成像和远场成像的区别和联系  80-92
    4.4.1 辐射模型的近场和远场分析  81-91
    4.4.2 散射模型的近场和远场分析  91-92
  4.5 本章小节  92-94
第5章 MUSIC 成像算法  94-142
  5.1 MUSIC 算法的基本原理  94-103
    5.1.1 一维MUSIC 算法的基本原理  94-96
    5.1.2 二维MUSIC 算法的基本原理  96-101
    5.1.3 信源估计方法  101-103
  5.2 二维MUSIC 算法的一维等效  103-106
  5.3 二维MUSIC 算法性能的理论分析  106-125
    5.3.1 空间倒谱的统计特性  106-107
    5.3.2 理论自相关矩阵的特征值和特征向量  107-111
    5.3.3 MUSIC 算法的有效性条件和唯一性条件  111-113
    5.3.4 φ= 0 时，空间倒谱的性能  113-116
    5.3.5 φ= 0 时，MUSIC 的分辨率问题  116-120
    5.3.6 φ≠0 时，空间倒谱的性能  120-124
    5.3.7 φ≠0 时，MUSIC 的分辨率问题  124-125
  5.4 MUSIC 算法仿真验证和性能分析  125-130
    5.4.1 一维MUSIC 算法仿真验证和性能分析  126-128
    5.4.2 二维MUSIC 算法仿真验证和性能分析  128-130
  5.5 雷达目标远场FDTD 模型仿真  130-140
  5.6 本章小节  140-142
第6章 ESPRIT 成像算法  142-168
  6.1 ESPRIT 算法的基本原理  142-149
    6.1.1 一维ESPRIT 算法的基本原理  142-146
    6.1.2 二维ESPRIT 算法的基本原理  146-149
  6.2 一维ESPRIT 在ISAR 方位向的应用  149-155
    6.2.1 方位向dθ应满足的条件  149-150
    6.2.2 影响ESPRIT 性能的因素  150-155
  6.3 ESPRIT 算法仿真验证和性能分析  155-159
    6.3.1 一维 ESPRIT 算法仿真验证和性能分析  156-157
    6.3.2 二维 ESPRIT 算法仿真验证和性能分析  157-159
  6.4 雷达目标远场 FDTD 模型仿真  159-166
  6.5 二维 MUSIC 算法和二维 ESPRIT 算法的比较  166-167
  6.6 本章小节  167-168
第7章结束语  168-172
  7.1 本文的主要内容和结论  169-170
  7.2 后续工作及展望  170-172
参考文献  172-181
作者攻读博士学位期间发表的论文  181-182
致谢  182

雷达成像的电磁场仿真与超分辨成像算法研究

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