岸基对海逆合成孔径雷达舰船目标成像研究

论文摘要

逆合成孔径雷达能对运动目标进行成像,是边海防系统的重要组成部分,对国防具有重要意义。在国内,逆合成孔径雷达对舰船目标的成像技术研究尚处于起步阶段。本文面向对近海中小舰船目标成像的军方具体需求,从目标特性、成像方法和海杂波对成像质量的影响三个方面对舰船成像进行了深入的研究。通过实测数据和仿真数据的处理,验证了所得到结论的正确性。在海浪作用下,舰船存在六个自由度的摇荡运动。本文从舰船的实际运动状态出发,建立了一个新的舰船目标回波模型,分析了舰船航速、摇摆运动和振荡运动对回波多普勒的影响,指出舰船摆动是岸基逆合成孔径雷达对近海目标成像的主要多普勒来源。然后将舰船耐波性理论引入舰船目标回波特性研究之中,讨论了舰船摆动成像的条件;结合成像投影平面的概念推导出描述回波多普勒与舰船主尺度参数、海面状态参数和舰船与雷达相对位置关系的表达式。并通过实测数据验证了这些结论。舰船是典型的非平稳目标,其回波多普勒随时间变化复杂,以至于传统的距离多普勒算法的成像质量大大下降,甚至影响成像结果的判读。因此,必须使用距离瞬时多普勒的成像方法改善成像质量。本文详细介绍了Cohen类时频分布,时频重排,S-Method,LWVD,S-distribution和自适应Chirplet分解等几种方法,并将它们应用于逆合成孔径雷达成像。对实测数据和仿真数据的处理结果验证了这些算法的有效性。在近距离,海杂波强度远大于系统噪声,是影响岸基逆合成孔径雷达成像质量的主要因素。在远距离则是接收机内部噪声占优。本文明确了高分辨雷达的信杂比和信噪比概念,通过实测数据与仿真杂波/噪声相叠加的方法详细地讨论了信杂/噪比对包络对齐,相位校正和距离多普勒算法成像质量的影响。仿真的结果说明,杂波对相位校正的影响较大,使图像散焦;而噪声降低了回波间的互相关系数,对包络对齐有较大影响。成像的质量随着信杂/噪比的增大而改善,当信杂/噪比大于25dB时,视觉上分辨不出杂波和噪声对成像效果的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源和意义
• 1.2 成像雷达的发展历程和现状
• 1.3 逆合成孔径雷达的成像原理
• 1.3.1 转台成像原理
• 1.3.2 ISAR 的平动补偿
• 1.3.3 图像投影平面和瞬时成像原理
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 舰船目标的回波特性
• 2.1 舰船和海浪的基本知识
• 2.1.1 常用的船舶工程概念
• 2.1.2 海态的描述
• 2.2 规则波浪下舰船的回波模型
• 2.2.1 舰船在规则波浪下的摆动规律
• 2.2.2 规则波浪下舰船的回波模型
• 2.2.3 各自由度运动对回波的影响
• 2.3 耐波性理论求解舰船的摆动幅度
• 2.4 目标与雷达相对位置对回波多普勒的影响
• 2.5 目标回波的多普勒带宽
• 2.6 目标轮廓像与舰船航行状态的关系
• 2.6.1 舰船的航迹成像
• 2.6.2 舰船的摆动成像
• 2.6.3 混合视角的成像结果
• 2.7 不规则波浪下舰船的回波模型
• 2.8 小结
• 第3章 舰船目标的瞬时成像
• 3.1 基于传统时频分布的舰船目标成像
• 3.1.1 短时傅立叶变换
• 3.1.2 双线性时频分布
• 3.1.3 数据处理结果
• 3.2 基于时频重排的舰船目标成像
• 3.3 基于S-method 的舰船目标成像
• 3.4 基于LWVD 和S-distribution 的舰船目标成像
• 3.4.1 LWVD
• 3.4.2 S-distribution
• 3.4.3 数据处理结果
• 3.5 基于自适应Chirplet 分解的舰船成像
• 3.5.1 信号分解原理
• 3.5.2 自适应Chirplet 分解
• 3.6 小结
• 第4章 海杂波对成像效果的影响
• 4.1 海面的散射强度
• 4.1.1 分布表面的雷达截面积与归一化雷达截面积
• 4.1.2 影响归一化雷达截面积的因素
• 4.1.3 归一化雷达截面积的估算
• 4.2 海杂波的统计特性
• 4.3 海杂波谱
• 4.4 实测数据海杂波的处理结果
• 4.4.1 杂波随距离的衰减
• 4.4.2 海杂波的空间分布和时间分布
• 4.4.3 海杂波的的频谱和相关性
• 4.4.4 海杂波的统计分布
• 4.5 相参相关海杂波的仿真
• 4.6 海杂波和系统噪声对距离多普勒算法的影响
• 4.6.1 高分辨雷达的信杂比和信噪比
• 4.6.2 海杂波对包络对齐的影响
• 4.6.3 海杂波对相位校正的影响
• 4.6.4 海杂波对成像质量的影响
• 4.7 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 本文涉及到的舰船设计术语
• 附录2 道格拉斯海态等级表和蒲氏风级表
• 附录3 公式（2-24）和（2-26）的推导
• 附录4 部分实测数据的成像结果
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢