基于酉ESPRIT的超分辨ISAR成像及其應(yīng)用.pdf

1、逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)能全天候、全天時(shí)的獲取二維高分辨雷達(dá)圖像，為目標(biāo)檢測(cè)和分類與識(shí)別提供豐富的特征信息。分辨率越高，后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)和分類識(shí)別率就會(huì)越高，然而傳統(tǒng)的距離多普勒算法的分辨率受到合成孔徑時(shí)間和信號(hào)帶寬的限制，無法突破Rayleigh限。為了在不增加帶寬和成像積累時(shí)間的情況下獲得更高的分辨率，學(xué)者們將各種超分辨算法引入到ISAR成像中。其中子空間類算法通過協(xié)

2、方差矩陣的特征分解，突破了Rayleigh限的限制，使參數(shù)估計(jì)值的均方差趨于克拉美羅界，具有很好的參數(shù)估計(jì)性能，使目標(biāo)分辨能力大大提高。酉ESPRIT算法除了具有其它子空間類算法的優(yōu)點(diǎn)和避免類似MUSIC的復(fù)雜的譜峰搜索外，還能夠有效的利用觀測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)共軛信息，有效的提高ESPRIT的參數(shù)估計(jì)精度。特別是在二維參數(shù)估計(jì)中，基于2D unitaryESPRIT的超分辨算法可以有效的解決常規(guī)2D ESPRIT的角度兼并問題。因此，研究如何利

3、用酉ESPRIT算法實(shí)現(xiàn)超分辨ISAR成像具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)這一問題做了如下幾個(gè)方面的工作:
　　1.在分析ISAR成像原理、建立ISAR成像模型的基礎(chǔ)上，通過距離對(duì)準(zhǔn)和相位補(bǔ)償消除平動(dòng)對(duì)ISAR成像的影響。簡(jiǎn)要分析了基于物理光學(xué)法和等效電磁流的電磁散射計(jì)算方法，并利用等效電磁流對(duì)四種飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行了電磁散射特性研究。結(jié)合距離多普勒算法對(duì)成像模型的遠(yuǎn)場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，獲得了目標(biāo)的ISAR圖像，為后續(xù)的仿真實(shí)

4、驗(yàn)準(zhǔn)備了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　2.在論述了LS-ESPRIT算法、TLS-ESPRIT算法及酉ESPRIT算法的原理及算法步驟的基礎(chǔ)上，研究了三種算法在目標(biāo)一維散射中心提取和重構(gòu)中的應(yīng)用。重點(diǎn)研究了酉ESPRIT超分辨成像算法，其主要思想是通過酉變換將數(shù)據(jù)從復(fù)數(shù)域轉(zhuǎn)換到實(shí)數(shù)域，不但有效的提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的利用率，而且大大的減少了計(jì)算量。最后，研究了散射中心數(shù)目估計(jì)方法，并分析了信噪比、脈沖數(shù)和調(diào)整因子對(duì)蓋氏圓盤法估計(jì)性能的影響。

5、r>　　3.基于二維酉ESPRIT和空間平滑技術(shù)提出了一種超分辨ISAR成像算法，由于利用了觀測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)共軛信息使得數(shù)據(jù)得到有效利用，另外空間平滑技術(shù)可以解決ISAR數(shù)據(jù)只有一次快拍而二維酉ESPRIT算法本身需要多次快拍的矛盾。文中還詳細(xì)分析了子孔徑的選擇對(duì)數(shù)據(jù)量和分辨率的影響，以及信噪比對(duì)ISAR成像結(jié)果的影響。
　　4.由于非合作目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息往往未知，給目標(biāo)ISAR圖像的橫向定標(biāo)帶來困難。論文針對(duì)橫向定標(biāo)問題提出了兩

6、種不同的定標(biāo)算法:基于旋轉(zhuǎn)匹配的橫向定標(biāo)方法和基于調(diào)頻率估計(jì)的橫向定標(biāo)方法。前者首先利用聯(lián)合時(shí)頻分布獲取目標(biāo)不同時(shí)刻下的瞬時(shí)ISAR像，其次利用二維酉ESPRIT提取目標(biāo)的散射中心位置，通過旋轉(zhuǎn)少數(shù)幾個(gè)散射中心對(duì)角速度進(jìn)行搜索。當(dāng)兩幅基于散射中心的圖像匹配最好時(shí)即認(rèn)為得到了正確的角速度估計(jì)，進(jìn)而可以獲得橫向定標(biāo)參數(shù)。后者考慮由于每一個(gè)散射點(diǎn)都通過調(diào)頻率攜帶目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息，因此利用二維酉ESPRIT從ISAR圖像中提取散射中心，然后估計(jì)和

7、散射中心有關(guān)的調(diào)頻斜率，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)ISAR像的橫向定標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)由于二維酉ESPRIT的超分辨性能，使得基于此算法的橫向定標(biāo)結(jié)果準(zhǔn)確度較高。
　　5.在分類識(shí)別領(lǐng)域，主要提出了一種基于酉ESPRIT的目標(biāo)高分辨一維距離像恢復(fù)的分類識(shí)別方法和一種基于散射中心提取的ISAR目標(biāo)輪廓提取方法。分類識(shí)別方法主要利用酉ESPRIT提取目標(biāo)每個(gè)視線下的一維散射中心位置，對(duì)目標(biāo)的一維距離像進(jìn)行恢復(fù)，通過幅度歸一化克服方位敏感