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高速运动目标ISAR成像方法研究

作　者: 张焕颖
导　师: 张守宏
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 雷达成像逆合成孔径雷达高速运动目标回波模型运动补偿线性调频步进信号海面目标检测
分类号: TN958
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

成像雷达能够全天时、全天候、远距离地提供高分辨率雷达图像,在军用和民用领域得到了越来越广泛的应用。利用成像雷达对高速运动目标如导弹、卫星、空间碎片等进行成像具有重要的军事和科研价值。本论文主要研究了高速运动目标的ISAR成像方法,分析了根据低速运动目标模型补偿高速运动目标回波引起的补偿误差及其影响;对线性调频步进信号的处理方法进行了深入研究;作为成像雷达的应用,提出了海面目标顶空检测与成像方法。具体工作概括如下:1.总结了雷达信号处理中经常采用的三种回波模型:回波的精确模型、一阶近似模型和“stop-go”模型。根据雷达成像的特点推导了线性调频信号的一阶近似模型和“stop-go”模型的适用条件。2.提出了基于“运动”参考去调频的高速目标高分辨ISAR成像的运动补偿方法。该方法的主要步骤为:首先估计目标的平动轨迹,并将回波补偿成以该轨迹为参考去调频的信号,从而完成目标距离像的脉冲内补偿和回波相干化;然后利用keystone变换消除散射点的越距离走动;再利用相位聚焦消除高阶运动参数补偿误差的影响;最后用RD算法或瞬时成像算法得到目标的ISAR像。这种方法的关键是目标运动轨迹的拟合,而拟合精度与积累脉冲数有关,给出了补偿精度与拟合脉冲数的关系。3.研究了线性调频步进信号的合成距离像法以及基于合成距离像法的高速运动目标ISAR成像方法。为了克服合成距离像法中传统目标抽取算法存在的伪峰、抽取损失和多普勒耦合时移等问题,提出了基于距离像最大1范数搜索的移位抽取算法,并给出了应用该算法系统参数需要满足的条件和系统参数的设计方法。在此基础上,提出了线性调频步进雷达ISAR成像的分步补偿法。推导了成像过程中雷达回波的一阶近似模型和“stop-go”模型的适用条件。4.研究了线性调频步进信号的合成带宽法(时域合成带宽法和频域合成带宽法)以及基于合成带宽法的高速运动目标ISAR成像方法。提出了利用时域合成带宽法和频域合成带宽法处理高速运动目标回波时的运动补偿方法,并对传统的频域合成带宽法进行了改进,拓宽了频域合成带宽法的应用范围。分析了根据“stop-go”模型和一阶近似模型补偿回波引入的补偿误差。针对目标运动参数的精确估计问题,将SAR成像运动补偿中的多普勒中心估计算法引入到ISAR成像中,根据ISAR目标回波的特点对传统的多普勒中心估计算法进行了修正,使运动参数估计的精度达到带宽合成和ISAR成像的要求。5.研究了相位编码信号的高速运动目标成像方法。分析了相位编码信号的“stop-go”模型和一阶近似模型的适用条件。提出了相位编码信号ISAR成像的运动补偿方法,即采用宽带相位编码信号和窄带线性调频信号结合的方式,窄带信号用来完成目标检测和测速,宽带信号用来提高测速精度和成像。6.深入研究了海面目标顶空检测与成像问题。分析了海面目标顶空检测的难点,提出顶空情况下对目标和海面同时ISAR成像,再在图像中分离海杂波是解决这个问题有效途径。给出了顶空成像的海面监视范围。重点讨论了顶空成像的运动补偿方法、距离弯曲校正方法和图像分割方法。给出了利用单脉冲测角获得目标三维图像的方法和步骤。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-24
  1.1 研究背景及意义  12-14
  1.2 研究历史和现状  14-16
  1.3 本文的主要工作  16-18
  本章参考文献  18-24
第二章雷达回波建模及低速运动目标的ISAR成像方法  24-44
  2.1 雷达回波模型  24-28
  2.2 低速运动目标的ISAR成像  28-33
    2.2.1 ISAR成像的基本原理  28-29
    2.2.2 回波模型  29-30
    2.2.3 ISAR成像的运动补偿方法  30-32
    2.3.5 成像处理  32-33
  2.3 线性调频信号回波近似模型的应用条件  33-39
    2.3.1 一阶近似模型  33-37
    2.3.2 “stop-go”模型  37-39
  2.4 仿真实验  39-41
  2.5 本章小结  41-42
  本章参考文献  42-44
第三章基于去调频处理的高速运动目标成像方法  44-58
  3.1 线性调频信号的去调频处理方法  44-46
  3.2 高速运动目标的回波模型  46-48
  3.3 高速运动目标ISAR成像方法  48-54
    3.3.1 基于“运动”参考的去调频处理的运动补偿方法  48-51
    3.3.2 距离走动校正  51-53
    3.3.3 成像处理  53-54
  3.4 仿真分析  54-56
  3.5 本章小结  56
  本章参考文献  56-58
第四章基于合成距离像法的高速运动目标成像  58-84
  4.1 线性调频步进信号的合成距离像法  58-71
    4.1.1 信号模型  59-60
    4.1.2 伪峰产生机理  60-62
    4.1.3 移位抽取算法及系统参数设计  62-66
    4.1.4 系统参数设计  66-68
    4.1.5 仿真分析  68-71
  4.2 高速运动目标ISAR成像方法  71-78
    4.2.1 信号模型  71-73
    4.2.2 运动补偿方法  73-76
    4.2.4 仿真结果  76-78
  4.3 近似模型的应用范围  78-81
    4.3.1 “stop-go”模型  78-79
    4.3.2 一阶近似模型  79-80
    4.3.3 仿真结果  80-81
  4.4 本章小结  81
  本章参考文献  81-84
第五章基于合成带宽法的高速运动目标成像  84-110
  5.1 针对高速运动目标的时域合成带宽法  85-88
    5.1.1 回波模型  85
    5.1.2 时域合成带宽法  85-87
    5.1.3 仿真分析  87-88
  5.2 针对高速运动目标的频域合成带宽法  88-93
    5.2.1 运动补偿方法  89-92
    5.2.2 仿真分析  92-93
  5.3 基于低速模型的运动补偿方法的补偿误差  93-102
    5.3.1 一阶近似模型  93-96
    5.3.2 “stop-go”模型  96-98
    5.3.3 仿真分析  98-102
  5.4 基于合成带宽处理的高速运动目标ISAR成像方法  102-108
    5.4.1 目标运动参数估计方法  102-104
    5.4.2 ISAR成像流程  104-105
    5.4.3 仿真分析  105-108
  3.5 本章小结  108
  本章参考文献  108-110
第六章相位编码信号的高速运动目标成像方法  110-122
  6.1 二相码信号模型  110-115
    6.1.1 信号模型  110-111
    6.1.2 “stop-go”模型  111-112
    6.1.3 一阶近似模型  112-113
    6.1.4 仿真分析  113-115
  6.2 高速运动成像方法  115-121
    6.2.1 运动参数估计方法  116-118
    6.2.2 运动补偿及成像方法  118-119
    6.2.3 仿真分析  119-121
  6.3 本章小结  121
  本章参考文献  121-122
第七章海面目标的顶空检测与成像方法  122-140
  7.1 顶空成像的特点及影响因素分析  123-126
  7.2 顶空成像算法及图象分割  126-132
    7.2.1 顶空成像算法  126-131
    7.2.2 确定图像分割线位置及目标检测  131-132
  7.3 海面目标顶空三维成像方法  132-134
  7.4 仿真分析  134-137
  7.5 本章小结  137
  本章参考文献  137-140
第八章总结与展望  140-142
  8.1 本文内容总结  140-141
  8.2 工作展望  141-142
附录A: 利用包络对齐拟合运动参数的参数估计误差  142-146
附录B: 频域合成带宽法中目标距离像栅瓣电平与补偿误差的关系  146-150
致谢  150-152
作者在攻读博士期间(合作)撰写的学术论文  152

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