光学区雷达目标三维散射中心重构理论与技术

论文摘要

散射中心模型是描述光学区雷达目标电磁散射特性的重要工具。从雷达观测数据出发,利用散射中心在雷达视线上的投影关系和信号处理手段,重构高可信度的雷达目标三维散射中心模型,不仅有助于深入理解复杂目标的电磁散射机理,而且对雷达目标特性数据建模、建库以及自动目标识别应用都具有重要意义。本文围绕光学区雷达目标三维散射中心重构问题,从雷达目标的一维宽带测量出发,主要解决了一维散射中心参数的高精度估计;非合作目标的散射中心空间位置重构和可控测量条件下的三维散射中心模型重构等问题,具体内容安排如下。第二章主要研究一维散射中心参数的高精度估计问题。首先推导了宽带高分辨雷达目标一维散射中心参数估计的极限性能,在此基础上得到了一维散射中心参数估计性能与雷达系统参数的约束关系;并由此导出了宽带雷达的极限分辨力以及鉴别类型参数所需的信噪比门限。然后针对实测数据处理需求,分别设计了基于结构化子空间分解方法和基于矩阵束方法的一维散射中心参数估计算法。这两种算法在计算量和估计精度上具有互补性。第三章研究非合作目标散射中心空间位置重构的理论和方法。首先推导了重构模型的极限性能（Cramér-Rao Bound, CRB）,解决了约束条件和解的旋转不变性造成的Fisher矩阵奇异性等难题,为评价重构算法的性能提供了标准,也为分析重构能力提供了理论依据。其次提出了基于信号空间不变性的散射中心位置重构方法,该方法在计算量和重构精度上都优于常规的基于几何不变性的重构方法。最后给出飞机目标重构实例以验证算法的可实现性。第四章研究可控测量/计算条件下三维散射中心模型重构问题。基于稳定点散射中心的一维投影规律和散射系数的缓变性,提出了一种现有测量/计算条件下可行的模型重构方法,采用Hough变换、二值形态学运算等多种方法解决了一系列关键实现问题,给出了三类复杂目标全姿态散射中心模型的重构结果。该方法对观测网格密度的要求远远低于合成孔径成像,大大降低了模型重构所需要的原始数据量,所建立的模型能反映目标主要的稳定点散射中心,并具有频段外推、角度内插能力,根据它可以进一步生成各种形式的目标特征信号（如RCS、一维像、二维像、三维像等）。最后对本文内容进行了系统地总结,对下一步工作进行初步探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 光学区雷达目标的散射中心模型
• 1.2.2 散射中心模型参数估计
• 1.2.3 特殊散射中心/散射现象的研究
• 1.2.4 散射中心模型重构
• 1.2.5 散射中心模型在目标识别中的应用
• 1.2.6 电磁散射数据获取
• 1.3 本文的主要工作及内容安排
• 第二章 一维散射中心参数估计
• 2.1 概述
• 2.2 一维散射中心参数估计的极限性能分析
• 2.2.1 散射中心模型及其数学近似
• 2.2.2 DE 模型的CRB 矩阵及其化简
• 2.2.3 一维散射中心参数估计的极限性能
• 2.3 一维散射中心参数估计方法
• 2.3.1 模型定阶的MAP 准则
• 2.3.2 参数估计的结构化最大似然方法及其空间解释
• 2.3.3 针对实测/电磁计算数据的参数估计算法
• 2.4 实验验证及结果分析
• 2.4.1 基于仿真数据的实验
• 2.4.2 基于实测和电磁计算数据的实验
• 2.5 小结
• 第三章 非合作目标的散射中心空间位置重构
• 3.1 概述
• 3.2 重构模型及其极限性能分析
• 3.2.1 散射中心三维重构的数学模型
• 3.2.2 重构模型的极限性能分析
• 3.3 散射中心三维位置重构方法
• 3.3.1 基于几何不变性的重构方法
• 3.3.2 基于信号空间不变性的重构方法
• 3.3.3 SSI 算法与GI 算法的计算量比较
• 3.4 仿真实验
• 3.4.1 分布式观测视角下的重构性能
• 3.4.2 连续观测视角下的重构性能
• 3.4.3 F18 飞机三维散射中心重构实例
• 3.5 小结
• 第四章 复杂目标全姿态散射中心模型重构
• 4.1 概述
• 4.2 基本原理
• 4.2.1 散射中心投影位置的球形分布规律
• 4.2.2 一维-高维散射映射图（OTSM 图）
• 4.3 全姿态三维散射中心模型重构算法
• 4.3.1 难点和解决途径
• 4.3.2 散射中心空间位置估计
• 4.3.3 散射中心类型参数估计
• 4.3.4 散射中心全姿态散射系数估计
• 4.3.5 算法框架
• 4.4 复杂目标散射中心模型重构实例
• 4.4.1 模型的验证和评价
• 4.4.2 二维模型重构实例
• 4.4.3 三维模型重构实例1：F18 全尺寸模型
• 4.4.4 三维模型重构实例2：潘兴坦克缩比模型
• 4.5 小结
• 结束语
• 主要创新点总结
• 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果