多徑和海雜波干擾下的艦船ISAR成像及橫向定標(biāo).pdf

1、雷達(dá)成像作為雷達(dá)的一個(gè)重要功能，已經(jīng)廣泛集成于現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)備中，用來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離的高分辨率二維成像，在戰(zhàn)略防御、反衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)武器等軍事領(lǐng)域以及雷達(dá)天文學(xué)、地形測(cè)繪和災(zāi)情預(yù)報(bào)等民事領(lǐng)域中都有重要應(yīng)用價(jià)值。逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)就是這樣一種高分辨的二維成像雷達(dá)，可用于對(duì)衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像。利用ISAR技術(shù)對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行成像，對(duì)于海上偵察、反潛、反艦、海上交通管制及緝私等方面有重要意義。世界上許多國(guó)家都

2、在研究海上目標(biāo)的岸基ISAR成像，這個(gè)研究方向在國(guó)際上仍然是一個(gè)前沿和熱點(diǎn)問(wèn)題。本文主要深入研究了ISAR對(duì)艦船目標(biāo)成像時(shí)面臨的一些問(wèn)題，包括艦船目標(biāo)ISAR成像時(shí)目標(biāo)三維轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)雜性、多徑效應(yīng)和海雜波等成像背景對(duì)ISAR成像的干擾及其抑制、最佳成像時(shí)間選取和橫向定標(biāo)等，并分別提出新的信號(hào)處理算法來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題。具體內(nèi)容概述如下：
　　1.作為基礎(chǔ)研究，介紹了ISAR成像原理和相關(guān)算法，并針對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行了幾何建模和運(yùn)動(dòng)特性分析研

3、究，進(jìn)而對(duì)理想狀況下的ISAR成像進(jìn)行仿真，為后續(xù)章節(jié)存在背景干擾和進(jìn)一步優(yōu)化成像等研究?jī)?nèi)容奠定了分析的基礎(chǔ)。
　　2.針對(duì)ISAR成像時(shí)存在的多徑效應(yīng)，分析其對(duì)成像造成的影響，并提出消除這種影響的算法。當(dāng)雷達(dá)波束以較低的仰角照射艦船目標(biāo)時(shí)，ISAR成像會(huì)受到多徑效應(yīng)的影響，成像時(shí)除了產(chǎn)生真實(shí)的目標(biāo)圖像之外，還會(huì)在真實(shí)像的同一側(cè)的不同位置產(chǎn)生兩個(gè)具有相同形態(tài)但幅度大小各異的偽像，造成ISAR像的模糊，不利于目標(biāo)識(shí)別。首先從ISAR

4、成像的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)理論出發(fā)，通過(guò)回波建模分析了造成這種現(xiàn)象的機(jī)理，應(yīng)用距離-多普勒成像原理并結(jié)合運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程直觀地揭示了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。其次，根據(jù)有無(wú)多徑效應(yīng)以及偽像與真實(shí)目標(biāo)像之間的位置關(guān)系，將ISAR圖像分為無(wú)多徑圖像、模糊多徑圖像、可辨多徑圖像和可分離多徑圖像四類(lèi)。針對(duì)可分離多徑圖像，提出了基于橫向垂直投影差分的自動(dòng)圖像分割算法來(lái)消除多徑的影響；針對(duì)模糊和可辨多徑圖像，基于偽像產(chǎn)生的機(jī)理，提出了一種以二維圖像熵作為評(píng)價(jià)函數(shù)的多徑

5、效應(yīng)參數(shù)估計(jì)方法來(lái)去除多徑的影響：當(dāng)?shù)玫降亩S圖像熵的值最小時(shí)，即可精確估計(jì)出多徑效應(yīng)參數(shù)。利用估計(jì)出的多徑效應(yīng)參數(shù)對(duì)多徑圖像進(jìn)行處理，可消除由于多徑效應(yīng)產(chǎn)生的偽像。多徑效應(yīng)參數(shù)包含多個(gè)變量，采用針對(duì)非線性多參數(shù)最優(yōu)估計(jì)的模擬退火(SA)算法，可以很好地估計(jì)相應(yīng)參數(shù)值。
　　3.研究分析海雜波對(duì)成像的影響，并提出基于頻域 CFAR檢測(cè)的海雜波抑制算法。ISAR對(duì)海面上的艦船目標(biāo)進(jìn)行成像時(shí)，會(huì)受到海雜波的干擾。首先研究了時(shí)空相關(guān)的K

6、分布海雜波的統(tǒng)計(jì)特性，在此基礎(chǔ)上，利用球不變隨機(jī)過(guò)程(SIRP)方法進(jìn)行了特定雷達(dá)參數(shù)下時(shí)空相關(guān)的二維分布海雜波的仿真；接著，將仿真得到的海雜波加入相同參數(shù)下得到的艦船目標(biāo)回波信號(hào)，當(dāng)海雜波形狀參數(shù)較小時(shí)，ISAR成像會(huì)受到海尖峰的影響；當(dāng)海雜波功率譜接近目標(biāo)功率譜時(shí)，ISAR目標(biāo)的功率譜將會(huì)和雜波功率譜混疊；當(dāng)海雜波相關(guān)且信噪比較低時(shí)，會(huì)大大降低ISAR成像時(shí)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償精度。為了抑制或去除海雜波的上述影響，在對(duì)比分析時(shí)域和頻域K分布海

7、雜波CFAR檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上，采用頻域“選大值”單元平均恒虛警率(GO-CFAR)檢測(cè)算法來(lái)消除海雜波對(duì)艦船成像的影響，得到了較為清晰的ISAR圖像。
　　4．針對(duì)最佳成像時(shí)間選取及橫向定標(biāo)問(wèn)題，提出一種新的最佳成像時(shí)間段選取算法和快速橫向定標(biāo)算法。由于艦船運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，通常為周期性的非勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致回波為非平穩(wěn)信號(hào)，多普勒頻率具有時(shí)變特性，ISAR成像的橫向分辨率和成像平面也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變，因此需要進(jìn)行最佳成像時(shí)間選取。在

8、給出最佳成像時(shí)間的定義后，利用多普勒展寬算法確定最佳成像時(shí)間中心；再結(jié)合圖像對(duì)比度最大算法(ICMA)確定相應(yīng)的成像時(shí)間段，從而完成了最佳成像時(shí)間選取。利用選取出的數(shù)據(jù)段進(jìn)行成像即可得到聚焦較為良好且分辨率較高的最佳圖像。在得到最佳像后，利用基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(FrFT)的橫向定標(biāo)算法確定了圖像的橫向分辨率：經(jīng)過(guò)距離壓縮后，某距離單元上的慢時(shí)間ISAR回波序列信號(hào)為線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)，LFM信號(hào)的調(diào)頻率隱含著目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度信息，