多徑和海雜波干擾下的艦船ISAR成像及橫向定標.pdf

1、雷達成像作為雷達的一個重要功能，已經(jīng)廣泛集成于現(xiàn)代雷達設備中，用來對目標進行全天時、全天候、遠距離的高分辨率二維成像，在戰(zhàn)略防御、反衛(wèi)星、戰(zhàn)術武器等軍事領域以及雷達天文學、地形測繪和災情預報等民事領域中都有重要應用價值。逆合成孔徑雷達(ISAR)就是這樣一種高分辨的二維成像雷達，可用于對衛(wèi)星、導彈、飛機、艦船等運動目標成像。利用ISAR技術對艦船目標進行成像，對于海上偵察、反潛、反艦、海上交通管制及緝私等方面有重要意義。世界上許多國家都

2、在研究海上目標的岸基ISAR成像，這個研究方向在國際上仍然是一個前沿和熱點問題。本文主要深入研究了ISAR對艦船目標成像時面臨的一些問題，包括艦船目標ISAR成像時目標三維轉(zhuǎn)動的復雜性、多徑效應和海雜波等成像背景對ISAR成像的干擾及其抑制、最佳成像時間選取和橫向定標等，并分別提出新的信號處理算法來解決相關問題。具體內(nèi)容概述如下：
　　1.作為基礎研究，介紹了ISAR成像原理和相關算法，并針對艦船目標進行了幾何建模和運動特性分析研

3、究，進而對理想狀況下的ISAR成像進行仿真，為后續(xù)章節(jié)存在背景干擾和進一步優(yōu)化成像等研究內(nèi)容奠定了分析的基礎。
　　2.針對ISAR成像時存在的多徑效應，分析其對成像造成的影響，并提出消除這種影響的算法。當雷達波束以較低的仰角照射艦船目標時，ISAR成像會受到多徑效應的影響，成像時除了產(chǎn)生真實的目標圖像之外，還會在真實像的同一側(cè)的不同位置產(chǎn)生兩個具有相同形態(tài)但幅度大小各異的偽像，造成ISAR像的模糊，不利于目標識別。首先從ISAR

4、成像的點擴散函數(shù)理論出發(fā)，通過回波建模分析了造成這種現(xiàn)象的機理，應用距離-多普勒成像原理并結(jié)合運動補償過程直觀地揭示了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。其次，根據(jù)有無多徑效應以及偽像與真實目標像之間的位置關系，將ISAR圖像分為無多徑圖像、模糊多徑圖像、可辨多徑圖像和可分離多徑圖像四類。針對可分離多徑圖像，提出了基于橫向垂直投影差分的自動圖像分割算法來消除多徑的影響；針對模糊和可辨多徑圖像，基于偽像產(chǎn)生的機理，提出了一種以二維圖像熵作為評價函數(shù)的多徑

5、效應參數(shù)估計方法來去除多徑的影響：當?shù)玫降亩S圖像熵的值最小時，即可精確估計出多徑效應參數(shù)。利用估計出的多徑效應參數(shù)對多徑圖像進行處理，可消除由于多徑效應產(chǎn)生的偽像。多徑效應參數(shù)包含多個變量，采用針對非線性多參數(shù)最優(yōu)估計的模擬退火(SA)算法，可以很好地估計相應參數(shù)值。
　　3.研究分析海雜波對成像的影響，并提出基于頻域 CFAR檢測的海雜波抑制算法。ISAR對海面上的艦船目標進行成像時，會受到海雜波的干擾。首先研究了時空相關的K

6、分布海雜波的統(tǒng)計特性，在此基礎上，利用球不變隨機過程(SIRP)方法進行了特定雷達參數(shù)下時空相關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)下得到的艦船目標回波信號，當海雜波形狀參數(shù)較小時，ISAR成像會受到海尖峰的影響；當海雜波功率譜接近目標功率譜時，ISAR目標的功率譜將會和雜波功率譜混疊；當海雜波相關且信噪比較低時，會大大降低ISAR成像時的運動補償精度。為了抑制或去除海雜波的上述影響，在對比分析時域和頻域K分布海

7、雜波CFAR檢測算法的基礎上，采用頻域“選大值”單元平均恒虛警率(GO-CFAR)檢測算法來消除海雜波對艦船成像的影響，得到了較為清晰的ISAR圖像。
　　4．針對最佳成像時間選取及橫向定標問題，提出一種新的最佳成像時間段選取算法和快速橫向定標算法。由于艦船運動較為復雜，通常為周期性的非勻速旋轉(zhuǎn)運動，導致回波為非平穩(wěn)信號，多普勒頻率具有時變特性，ISAR成像的橫向分辨率和成像平面也會隨時間發(fā)生改變，因此需要進行最佳成像時間選取。在

8、給出最佳成像時間的定義后，利用多普勒展寬算法確定最佳成像時間中心；再結(jié)合圖像對比度最大算法(ICMA)確定相應的成像時間段，從而完成了最佳成像時間選取。利用選取出的數(shù)據(jù)段進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，利用基于分數(shù)階傅里葉變換(FrFT)的橫向定標算法確定了圖像的橫向分辨率：經(jīng)過距離壓縮后，某距離單元上的慢時間ISAR回波序列信號為線性調(diào)頻(LFM)信號，LFM信號的調(diào)頻率隱含著目標的轉(zhuǎn)動角速度信息，