多频段合成成像技术研究

论文摘要

多频段合成成像技术是一门新兴的雷达成像处理技术。它旨在通过对来自不同频率范围上的雷达观测信息进行相干融合,以提高雷达成像分辨率,从而有利于目标识别与图像理解等后期处理。基于多雷达观测信息的有效融合,可以明显改善雷达成像分辨率,提高目标散射中心参数的估计精度。本文针对高速运动目标多频段合成成像的应用背景,研究了宽带雷达动目标回波模型、预处理、相干配准、多频段合成算法等关键技术。首先改进了传统的多频段合成成像处理流程,提高了多频段合成成像的质量。建立多频段宽带雷达动目标回波模型是后续相干合成算法的理论基础。本文第二章建立了发射波形为线性调频信号(LFM)、目标频响为几何绕射(GTD)模型时多频段宽带雷达动目标回波的模型;并以该模型为基础提出了匹配滤波和去线性调频两种方式下预处理的流程;经过预处理之后得到的等效频谱类似于GTD模型频谱。相干配准是合成成像的前提和关键。本文第三章详细分析了造成动目标多频子带回波非相干的原因,在此基础上给出了动目标多频子带相干模型;针对相干模型多参数、高度非线性的特点,提出了利用遗传算法(GA)求解非相干量,并讨论了重叠频带频率范围的选取准则;针对遗传算法计算量大、需作频谱外推的缺点,提出了不需频谱外推的时域相干方法和直接利用子带极点信息求解非相干量的极点相干法;最后对各种相干方法进行了仿真比较。合成成像是整个流程中最为关键的一个步骤。第四章介绍了多频段合成算法的基本原理;提出了利用数据重排构造旋转不变自相关矩阵;给出了基于最小描述长度准则(MDL)的散射中心个数的估计方法,研究了基于ESPRIT提取极点的具体方法;分析了如何通过获得的极点值估计散射中心的位置、频率依从系数及幅度等信息;最后对合成算法的参数估计精度进行了蒙特卡罗仿真,并结合具体发射波形(线性调频信号)对合成成像算法进行了仿真验证。多频段合成成像技术微波暗室实验是验证多频段相干合成算法有效性的有效手段。第五章详细讨论了在微波暗室条件下验证相干合成算法的思路;给出了非相干量的模拟方法、实验环境设置和具体实验步骤;对录制的实测数据进行了相干合成处理,验证了文中所提方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 多频段合成成像技术的研究现状
• 1.2.1 多频段宽带雷达动目标回波建模
• 1.2.2 适用于多频段信号融合的速度补偿技术
• 1.2.3 相干配准
• 1.2.4 多频段合成算法
• 1.3 多频段合成成像技术处理流程
• 1.4 本文主要研究内容及组织结构
• 第二章 多频段宽带雷达动目标回波建模及预处理
• 2.1 引言
• 2.2 宽带雷达动目标回波建模
• 2.2.1 动目标电磁散射模型选择
• 2.2.2 单频段宽带雷达动目标回波建模
• 2.2.3 多频段动目标宽带雷达回波建模
• 2.3 匹配滤波方式下多频段宽带雷达动目标回波预处理
• 2.3.1 匹配滤波方式下速度补偿技术
• 2.3.2 匹配滤波方式下多频段动目标回波预处理流程
• 2.4 去线性调频方式下多频段宽带雷达回波建模及预处理
• 2.4.1 Dechirp 基本原理
• 2.4.2 Dechirp 处理方式下速度补偿技术
• 2.4.3 Dechirp 方式下多频子带动目标回波预处理流程
• 2.5 仿真实验
• 2.5.1 匹配滤波方式下预处理过程仿真实现与结果分析
• 2.5.2 Dechirp 方式下预处理过程仿真实现与结果分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 多频子带相干算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 多频段动目标回波数据相干性分析
• 3.2.1 目标运动引起的非相干
• 3.2.2 速度补偿残差引起的非相干
• 3.2.3 视角差引起的非相干
• 3.2.4 相干函数模型
• 3.3 基于GA 的相干方法
• 3.4 基于极点估计值的相干算法
• 3.5 基于子带距离像包络对齐的时域相干方法
• 3.5.1 经典时域相干方法
• 3.5.2 改进的基于子带距离像包络对齐的时域相干方法
• 3.6 仿真实验
• 3.6.1 GA 算法的非相干量估计精度分析
• 3.6.2 基于极点估计值的相干算法与时域相干方法估计性能比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 合成成像算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 基本原理
• 4.3 基于ESPRIT 的极点提取方法
• 4.3.1 模型阶数确定
• 4.3.2 具有旋转不变性的自相关阵的构造
• 4.3.3 基于ESPRIT 的极点提取方法
• 4.4 散射中心参数估计
• 4.5 仿真实验
• 4.5.1 ESPRIT 方法参数估计性能分析
• 4.5.2 合成成像算法对于合成GTD 多频子带数据的有效性
• 4.5.3 多频段线性调频信号合成成像实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 多频段合成成像技术微波暗室实验及实测数据分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验环境设置
• 5.3 实验步骤
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 单目标距离像合成成像实验
• 5.4.2 双目标距离像相干合成实验
• 5.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果