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分数阶Fourier变换在逆合成孔径雷达成像处理中的应用

2020-12-05阅读(701)

分数阶Fourier变换在逆合成孔径雷达成像处理中的应用

论文摘要

逆合成孔径雷达（ISAR）能够实现运动目标的高分辨二维成像,并具有全天候全时段的工作能力,因此受到各国研究者的广泛重视并得到了迅速的发展,成像对象已从最初的平稳运动目标扩展到复杂运动目标,例如强机动飞机目标、复杂海情中的舰船目标、高速飞行的空间航天器和空间碎片、旋翼飞机等。这些复杂运动目标的回波信号通常是非平稳的,具有多分量LFM信号的特征,此时传统的RD算法已不再适用,必须寻找新的处理方法。分数阶Fouire变换（FRFT）是一种新兴的非平稳信号处理方法,它是一种全时域的线性变换,具有很高的时频分辨率,不存在交叉项干扰问题,因而对分析和处理多分量LFM信号具有十分优良的特性。本文将FRFT应用到ISAR成像处理中,对高速目标、机动目标和含游动部件目标的成像进行了较深入的研究。本文首先研究了基于FRFT的LFM信号检测和参数估计问题,提出一种基于分数阶频谱原点矩的检测方法,并经数学推导和物理分析论证了该方法检测LFM信号的有效性。研究表明该方法与RAT检测方法等价,但它的计算量更小,能够更加有效地完成LFM信号检测和调频斜率估计。高速目标成像中的距离色散现象将严重影响目标的距离成像和ISAR图像质量,本文研究了基于FRFT距离压缩的解决方法。通过建立高速目标宽带回波模型和运动目标距离向点散布函数,详细分析了距离色散对目标距离像和ISAR图像的影响。利用高速目标回波是调频斜率相同的LFM信号的特点,采用FRFT替代传统的DFT完成距离压缩,从而消除了目标高速运动的距离色散效应,校正了距离像的模糊和畸变,避免ISAR图像的径向散焦。机动目标的多普勒回波多数情况下可以近似为LFM信号,因此FRFT能够解决机动目标的横向散焦问题。通过分数阶Fourier域滤波对距离单元回波完成子回波分离预处理,可以抑制距离-瞬时多普勒（RID）成像中的交叉项,提高RID图像质量。机动目标成像还可通过FRFT方位压缩实现,当散射点子回波在某分数阶Fourier域的能量聚集性最好时,它在该Fourier域的频谱就是其聚焦横向像,将距离单元内所有散射点在分数阶Fourier域的聚焦横向像相加则可实现该距离单元的横向成像,仿真表明基于FRFT方位压缩的成像结果好于RID方法。并且FRFT方位压缩过程完整地保留回波的相位信息,因此该方法能有效地实现机动目标的三维成像。此外,对于同时具有高速和机动两种运动形式的目标,可通过二维FRFT压缩实现其成像。本文研究的最后一个问题是含游动部件的目标成像,转动部件和振动部件的多普勒回波是正弦频率调制信号,它们与目标主体回波在信号参数上存在较大差异,因此可通过基于自适应高斯短时分数阶Fourier变换（AGSFRFT）的信号分解方法对两种回波进行分离,从而在ISAR图像中剔除游动部件的干扰和污染。本文对FRFT在ISAR成像处理中的应用做了若干尝试,较好地解决了高速目标距离色散、机动目标横向散焦和游动部件干扰等问题,但还有存在较多尚未完善的工作,有待于进一步的深入研究。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 图目标
  • 第1章 绪论
  • §1.1 引言
  • §1.2 论文背景和相关问题研究现状
  • §1.2.1 空间航天器和碎片等高速目标成像
  • §1.2.2 机动目标成像
  • §1.2.3 含游动部件的目标成像
  • §1.3 本文的主要工作和创新
  • §1.4 本文的组织结构和内容安排
  • 第2章 相关理论基础简介
  • §2.1 逆合成孔径（ISAR）简介
  • §2.1.1 距离-多普勒成像原理
  • §2.1.2 ISAR成像信号处理流程和关键技术
  • §2.2 分数阶Fourier变换简介
  • §2.2.1 FRFT的基本定义
  • §2.2.2 FRFT的基本性质
  • §2.2.3 FRET的数值计算（DFRFT）
  • §2.3 GRECO回波模拟简介
  • 第3章 基于分数阶频谱原点矩的LFM信号检测和调频斜率估计
  • §3.1 引言
  • §3.2 LFM信号的时频特征和FRFT分析
  • §3.2.1 LFM信号的时频特征
  • §3.2.2 LFM信号的FRET分析
  • §3.3 基于分数阶频谱原点矩的LFM信号检测
  • §3.3.1 模糊函数与分数阶频谱的关系
  • §3.3.2 基于RAT的LFM信号检测
  • §3.3.3 分数阶频谱原点矩检测因子
  • §3.3.4 基于峰度的解释
  • §3.3.5 数学证明
  • §3.3.6 计算复杂度分析
  • §3.3.7 仿真分析
  • §3.4 分数阶频谱原点矩检测因子的推广
  • §3.5 本章小结
  • 第4章 基于FRFT距离压缩的高速目标成像
  • §4.1 引言
  • §4.2 线性调频信号和一维距离像
  • §4.3 目标高速运动对ISAR成像的影响
  • §4.3.1 高速目标回波模型
  • §4.3.2 差频信号频谱分析
  • §4.3.3 高速径向运动引起的色散效应
  • §4.3.4 高速径向运动对ISAR图像的影响
  • §4.4 基于FRFT距离压缩的高速目标成像
  • §4.4.1 FRFT距离压缩原理
  • §4.4.2 最佳旋转角估计
  • §4.4.3 仿真分析
  • §4.5 基于天基雷达的空间目标成像
  • §4.5.1 空间目标轨道和动力学模型
  • §4.5.2 交汇成像
  • §4.5.3 仿真实例
  • §4.6 本章小结
  • 第5章 基于FRFT滤波和方位压缩的机动目标成像
  • §5.1 引言
  • §5.2 机动目标回波模型
  • §5.3 基于FRFT信号分离的RID成像
  • §5.3.1 基于分数阶Fourier域滤波的子回波分离
  • §5.3.2 距离单元回波的时频分析
  • §5.3.3 算法实现步骤
  • §5.3.4 仿真分析
  • §5.4 FRFT方位压缩成像
  • §5.4.1 基本原理
  • §5.4.2 仿真分析
  • §5.5 基于FRFT二维压缩的ISAR成像
  • §5.5.1 基本原理和实现步骤
  • §5.5.2 主动助推段的火箭成像
  • §5.6 基于FRFT方位压缩的机动目标三维成像
  • §5.6.1 干涉技术简介
  • §5.6.2 基于FRFT方位压缩的机动目标三维成像
  • §5.6.3 仿真实验
  • §5.7 本章小结
  • 第6章 基于AGSFRFT的含转动和振动部件目标成像
  • §6.1 引言
  • §6.2 目标回波分析
  • §6.2.1 转动部件
  • §6.2.2 振动部件
  • §6.2.3 目标总体回波
  • §6.2.4 游动部件和目标主体回波多普勒的比较
  • §6.3 基于自适应高斯短时分数阶Fourier变换的信号分离
  • §6.3.1 高斯短时分数阶Fourier变换
  • §6.3.2 自适应GSFRFT
  • §6.3.3 基于AGSFRFT的游动部件和目标主体回波分离
  • §6.4 仿真分析
  • §6.4.1 转动点目标
  • §6.4.2 振动点目标
  • §6.4.3 具有转动扫描天线的舰船
  • §6.5 本章小结
  • 第7章 总结和展望
  • 参考文献
  • 作者在攻读博士学位期间完成的学术论文
  • 作者在攻读博士学位期间参与的主要工作
  • 致谢

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