對空間目標(biāo)的星載干涉ISAR三維成像技術(shù)研究.pdf

1、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)作為一種新體制雷達(dá)，能夠?qū)︼w機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、衛(wèi)星等運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行高分辨二維成像，在戰(zhàn)略防御、戰(zhàn)術(shù)武器、反衛(wèi)星等軍事領(lǐng)域以及未來的空中、空間交通管制等民事領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用價值。在這其中，為了對空間中的宇宙飛船、空間站、人造衛(wèi)星、空間碎片等目標(biāo)進(jìn)行更準(zhǔn)確、更有效地觀測，本文提出將ISAR成像設(shè)備安裝在編隊(duì)飛行的衛(wèi)星平臺上，建立星載干涉ISAR三維成像空間目標(biāo)觀測系統(tǒng)。這種方式一方面有效避開了大氣窗口對成像質(zhì)量的影

2、響，另一方面三維成像比二維ISAR成像增加了目標(biāo)在一個維度上的信息，對目標(biāo)的立體幾何結(jié)構(gòu)描述更加清晰，使得原來通過一系列圖像才能得到的目標(biāo)識別率現(xiàn)通過一幅圖像就可獲得。然而星載 ISAR/干涉 ISAR成像遇到了傳統(tǒng)ISAR/干涉 ISAR成像不曾遇到的新問題，本文深入分析和研究了這些新問題，并提出相關(guān)解決方法。具體內(nèi)容概括如下：
　?。?）闡述了二維 ISAR成像和干涉 ISAR三維成像基本原理。重點(diǎn)闡述了ISAR成像中的RD成

3、像算法和運(yùn)動補(bǔ)償算法，為后續(xù)星載 ISAR的成像特性分析奠定了基礎(chǔ)；歸納總結(jié)了傳統(tǒng)干涉ISAR三維成像的關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)研究衛(wèi)星編隊(duì)干涉ISAR三維成像中這些關(guān)鍵技術(shù)的體現(xiàn)及解決提供了對照和分析的基礎(chǔ)。
　?。?）針對星載 ISAR在觀測衛(wèi)星和空間目標(biāo)兩方面運(yùn)動引入的新問題，分析了星載ISAR成像特性及RD算法的適用條件。首先，結(jié)合空間物體軌道運(yùn)動規(guī)律的六要素描述和ISAR成像的運(yùn)動補(bǔ)償原理，分析了觀測衛(wèi)星軌道運(yùn)動的ISAR成像問

4、題；然后從信號回波角度入手研究了觀測衛(wèi)星姿態(tài)抖動的幅度、頻率和初始相位對ISAR成像的影響并給出量化結(jié)果；接下來根據(jù)空間目標(biāo)的運(yùn)動特點(diǎn)，分別研究了軌道運(yùn)動占優(yōu)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動占優(yōu)的ISAR成像模式；最后指出了RD成像的適用條件。該部分內(nèi)容為衛(wèi)星編隊(duì)的星載ISAR成像算法研究奠定了基礎(chǔ)。
　?。?）為實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的三維成像，建立了基于衛(wèi)星編隊(duì)的星載干涉 ISAR成像系統(tǒng)并研究了相關(guān)的成像算法及問題。首先，由于星載干涉ISAR不再滿足傳統(tǒng)

5、干涉 ISAR正交天線配置的幾何條件，本文提出了非正交天線配置下的干涉ISAR成像算法。根據(jù)新的干涉 ISAR成像算法，量化分析了衛(wèi)星平臺的編隊(duì)繞飛運(yùn)動對二維成像及干涉成像的影響，并通過分析回波信號相關(guān)性和高度主值區(qū)間分別確定了水平基線和垂直基線的限制條件。在此基礎(chǔ)上，提出利用長基線下的天線間視角變化獲取目標(biāo)多姿態(tài)圖像的ISAR多姿態(tài)成像算法，這種算法可以獲取比常規(guī)ISAR成像更多形狀和結(jié)構(gòu)信息。更進(jìn)一步，針對實(shí)際中空間軌道運(yùn)動目標(biāo)由于

6、等效旋轉(zhuǎn)角速度未知等因素導(dǎo)致目標(biāo)橫距無法從ISAR像中估計的情況，提出了未知軌道運(yùn)動目標(biāo)的干涉ISAR三維成像算法，通過對目標(biāo)運(yùn)動造成的三通道回波相位變化進(jìn)行分解、化簡和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了直接從ISAR回波相位中估計散射點(diǎn)橫距及高度位置信息。
　　（4）為提高在編隊(duì)繞環(huán)全周期內(nèi)的干涉高度成像精度，提出了基于五星編隊(duì)構(gòu)形的多基線相位解纏法。這里首先根據(jù)非正交天線配置下的干涉ISAR成像公式推導(dǎo)了決定高度成像精度的六個描述量，通過對各描述量

7、實(shí)際影響的量級分析，確定了提高高度成像精度與相位解纏的關(guān)系。然后，研究了兩種利用散射點(diǎn)間相關(guān)性的解纏方法：最小生成樹法和蟻群優(yōu)化算法，理論分析和仿真結(jié)果表明 ISAR圖像中的大量高度不連續(xù)點(diǎn)使得這類方法會出現(xiàn)錯誤甚至失效。為此，本文研究了利用ISAR衛(wèi)星自身優(yōu)勢的基于衛(wèi)星編隊(duì)多基線相位解纏法，該方法充分考慮衛(wèi)星編隊(duì)繞環(huán)一周的水平和垂直基線變化，在繞環(huán)過程中可以同時減小干涉相位測量偏差并改善水平－垂直基線的比值，有效提高了編隊(duì)繞環(huán)全周期內(nèi)