（信息与通信工程专业论文）光学区雷达目标三维散射中心重构理论与技术.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 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( c r a m 6 r ，r a ob o u n d ，c r b ) ，解决了约束条件和解的旋转不变 性造成的f i s h e r 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h o u g h 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r c s 、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。 主题词：光学区雷达目标散射中心克拉美一罗限( c r b ) 一维距离像三维重 构参数估计g t d 模型信号空间不变性o t s m 图 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t s c a t t e r i n gc e n t e rm o d e ld e s c r i b e st h es c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i co fr a d a rt a r g e t si n o p t i c a lr e g i o n r e c o n s t r u c t i n gc r e d i b l et h r e ed i m e n s i o n a l ( 3 d ) s c a t t e r i n gc e n t e rm o d e l o fr a d a rt a r g e t sf r o mm u l t i p l eo n ed i m e n s i o n a l ( i d ) r a n g ep r o f i l e sb ya d v a n c e ds i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o d sn o to n l yl e a d st oad e e p e ri n s i g h ti n t ot h es c a t t e r i n gm e c h a n i s ma t h i g hf r e q u e n c y ，b u ta l s o f a c i l i t a t e s b u i l d i n gt a r g e ts i g n a t u r ed a t a b a s ea n dr e a l i z i n g a u t o m a t i cr a d a rt a r g e tr e c o g n i t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so dr e c o n s t r u c t i n g3 d s c a t t e r i n gc e n t e rm o d e lo fr a d a rt a r g e t si no p t i c a lr e g i o nb a s e do n1 dm e a s u r e m e n t sa t m u l t i p l ev i e w i n ga n g l e s t h r e ep r o b l e m sa r es t u d i e d ：e s t i m a t i n g1ds c a t t e r i n gc e n t e r p a r a m e t e r sw i t hh i g ha c c u r a c y ；r e c o n s t r u c t i n g3 dp o s i t i o n so ft h es c a t t e r i n gc e n t e r sf o r n o n c o o p e r a t i v et a r g e t sa n dr e c o n s t r u c t i n gc o m p l e t e3 ds c a t t e r i n gc e n t e rm o d e lu n d e r c o n t r o l l a b l em e a s u r i n gc o n d i t i o n s m o r ed e t a i l sa r ea r r a n g e da sf o l l o w s c h a p t e r2f o c u s e so nt h ee s t i m a t i o no f1 ds c a t t e r i n gc e n t e rp a r a m e t e r sw i 血h i g h a c c u r a c y f i r s t l y t h e p e r f o r m a n c eb o u n d s ( c r a m 6 r r a ob o u n d ，c r b ) o nt h e 1 d s c a t t e r i n gc e n t e rp a r a m e t e re s t i m a t e sa r ed e d u c e dt o g e t h e rw i t ht h e i rr e l a t i o nw i t ht h e r a d a rs y s t e mp a r a m e t e r s t h er e s o l v i n ga b i l i t yo fw i d e b a n dr a d a ra n dt h es n rt h r e s h o l d f o rd i s c r i m i n a t i n gs c a t t e r e r st y p ea r ef u r t h e rd e d u c e d t w oa l g o r i t h m s ，o n eb a s e do n t h es t r u c t u r e ds u b s p a c ed e c o m p o s i t i o nm e t h o da n dt h eo t h e rb a s e do nt h em a t r i xp e n c i l m e t h o d ，a r ed e s i g n e dt op r o c e s sm e a s u r e dd a t aw i t hc o m p l e m e n t a r yp e r f o r m a n c ei n c o m p u t i n gc o m p l e x i t ya n de s t i m a t i n gp r e c i s i o n c h a p t e r3s t u d i e st h et h e o r ya n dm e t h o d o l o g yo fr e c o n s t r u c t i n g3 dp o s i t i o no f s c a t t e r i n gc e n t e r si nn o n c o o p e r a t i v es i t u a t i o n t h ec r bo ft h er e c o n s t r u c t i o nm o d e li s d e d u c e d ，w h e r et h es i n g u l a r f i s h e ri n f o r m a t i o nm a t r i xc a u s e db yt h ep a r a m e t e r c o n s t r a i n t sa n dt h e r o t a r ye q u i v a l e n c ei ns o l u t i o n si ss p e c i a l l yt r e a t e d t h i sw o r k p r o v i d e sb o t hab e n c h m a r kf o re v a l u a t i n gd i f f e r e n tr e c o n s t r u c t i n ga l g o r i t h m sa n da n a p p r o a c ht op r e d i c tt h er e c o n s t r u c t i n g p r e c i s i o no fd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n s an o v e l r e c o n s t r u c t i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h es i g n a ls u b s p a c ei n v a r i a n c e ( s s i ) i sp r o p o s e d ， w h i c ho u t p e r f o r m sp r e v i o u sa l g o r i t h m sb a s e do nt h eg e o m e t r i ci n v a r i a n c e ( g i ) i nb o t h c o m p u t i n gc o m p l e x i t ya n dr e c o n s t r u c t i n gp r e c i s i o n a ne x a m p l eo fr e c o n s t r u c t i n gt h e s c a t t e r i n gc e n t e r so fa na i r p l a n ei sg i v e nt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d c h a p t e r4f o c u s e so nr e c o n s t r u c t i n gt h ec o m p l e t e3 ds c a t t e r i n gc e n t e rm o d e lu n d e r c o n t r o l l a b l em e a s u r i n g e mc o m p u t i n gc o n d i t i o n s af e a s i b l er e c o n s t r u c t i n gs c h e m e w i t h i ne x i s t i n gm e a s u r i n g e mc o m p u t i n ga b i l i t yi s p r o p o s e d ，w h i c he x p l o i t s t h e r e g u l a t i o no f1 dp r o j e c t i o np o s i t i o n sa n dt h es t a b i l i t yo fs c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t so f s t a b l e s c a t t e r i n gc e n t e r s w e u s es e v e r a l s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ss u c ha s t h eh o u g h t r a n s f o r m ，b i n a r ym o r p h o l o g yo p e r a t e s ，e t c ，t ob r e a kt h eb o t t l e n e c k si nd e s i g n i n gt h e r e c o n s t r u c t i n gs c h e m e t h e3 ds c a t t e r i n gc e n t e rm o d e l so ft h r e ec o m p l e xt a r g e t sa r e 第i j 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 r e c o n s t r u c t e du s i n gt h i ss c h e m e t h ed e n s i t yo fv i e w i n ga n g l e sr e q u i r e di nt h i ss c h e m e i sm u c hs p a r s e rt h a ni ns y n t h e t i ca p e r t u r er a d a ri m a g i n g ，w h i c hg r e a t l yc u t sd o w n t h e o r i g i n a ld a t an e e d e df o rm o d e lr e c o n s t r u c t i o n t h er e c o n s t r u c t e dm o d e lc o n t a i n sm o s t o ft 1 1 es t a b l es c a t t e r i n gc e n t e r so fc o m p l e xt a r g e t sa n di sa d a p t a b l ea te x t r a p o l a t e d f r e q u e n c i e sa n di n t e r p o l a t e dv i e w i n ga n g l e s a l ls o r t so ft a r g e ts i g n a t u r e ss u c ha sr c s ， r a d a ri m a g e sf r o m1 dt o3 dc a nb er e c o v e r e df r o mt h i sm o d e l f i n a l l y ，as y s t e m a t i cc o n c l u s i o n a n ds o m ed i s c u s s i o n so nf u r t h e rw o r ka r e p r e s e n t e d k e yw o r d s ：o p t i c a lr e g i o n ，r a d a rt a r g e t s ，s c a t t e r i n gc e n t e r ，c r a m 6 r - r a o b o u n d ，r a n g ep r o f i l e ，t h r e ed i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n ，p a r a m e t e re s t i m a t i o n ， g t dm o d e l ，s i g n a ls u b s p a c ei n v a r i a n c e ，o t s mm a p 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 典型散射结构对应的类型参数。3 表2 一l 的近似误差( d b ) ：1 0 x l g ( 准确值( 2 2 7 a ) 式拟合值) 2 5 表2 2 ，埘的近似误差( d b ) ：1 0 x l g ( 准确值( 2 2 7 b ) 式拟合值) 2 5 表2 3 胪1 时( 2 2 1 ) 式的近似度( 括号内为期望近似值，表格内为真值) 2 8 表2 - 4 辟l 时( 2 2 9 ) 式的近似度( 括号内为期望值，表格内为真值) 2 8 表3 1s s i 算法与g i 算法的计算量比较6 6 表3 - 2 散射中心真实坐标及峰值信噪比6 7 表4 1 根据有效投影点估计类型参数的均值1 0 5 表牛2 根据有效投影点估计类型参数的方差1 0 5 第l i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图2 - 1d e 模型与g t d 模型c r b 的比较2 0 图2 - 2 ，。与q 的函数关系2 4 图2 3 归一化极限分辨力对信噪比的要求。3 0 图2 - 4 单分量情况下鉴别类型参数的信噪l l f - j 限与相对带宽的关系3 l 图2 5 基于结构化最大似然方法的一维散射中心参数估计算法流程图4 l 图2 - 6 基于矩阵束方法的一维散射中心参数估计算法流程图4 2 图2 7d e 模型参数估计方法的性能4 3 图2 8 散射中心参数估计精度与信噪比的关系4 5 图2 - 9 相对带宽对参数估计精度的影响4 6 图2 - 1 0 散射中心归一化间隔对参数估计精度的影响4 6 图2 一l l 散射中心类型参数的正确鉴别率与信噪比的关系4 7 图2 1 2h h 极化下算法l 和算法2 对潘兴坦克散射中心2 的参数估计性能比较4 8 图2 1 3h v 极化下算法l 和算法2 对潘兴坦克散射中心2 的参数估计性能比较4 8 图2 - 1 4 算法1 与算法2 估计散射系数的相位稳定性比较4 9 图2 1 5 烈火导弹模型的主要强散射中心及其类型参数估计5 0 图2 1 6 烈火导弹模型一维散射中心的归一化位置间隔的分布5 1 图2 1 7 烈火导弹模型散射中心类型、位置参数估计误差与散射强度的关系l 5 2 图2 1 8 烈火导弹模型散射中心类型、位置参数估计误差与散射强度的关系2 5 2 图2 1 9f 1 8 飞机模型散射中心类型、位置参数估计误差与散射强度的统计关系5 3 图2 2 0f 1 8 飞机模型散射中心类型、位置参数估计误差与散射强度的关系5 3 图3 一l 目标坐标系中的空间关系5 6 图3 - 2 分布式观测视角在单位球上的位置6 8 图3 3 散射中心的兰维分布及重构值6 8 图3 - 4 分布式观测下散射中心位置估计的统计性能6 9 图3 - 5 分布式观测下视角估计的统计性能6 9 图3 - 6 分布式观测下信嗓比对重构性能的影响6 9 图3 7 甲滑轨道的视角序列7 0 图3 - 8 半滑轨道观测下的散射中心投影序列7 0 图3 - 9 散射中心的三维分布及重构值7 0 图3 1 0 平滑轨道观测散射中心位置估计统计性能7 0 图3 1 l 平滑轨道观测视角估计统计性能。7 0 图3 - 1 2 平滑轨道观测条件下信噪比对重构性能的影响7 l 图3 1 3 抖动轨道的视角序列。7 l 图3 1 4 抖动轨道观测下的散射中心投影序列7 2 图3 1 5 散射中心的三维分布及重构值。7 2 图3 一1 6 抖动轨道观测散射中心位置估计统计性能7 2 图3 - 1 7 抖动轨道观测视角估计统计性能7 2 图3 1 8 抖动轨道观测条件下信噪比对重构性能的影响7 2 图3 1 9 平滑轨道观测的f 1 8 距离像序列7 3 第l v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 2 0f 1 8 散射中心一维投影序列7 3 图3 2 l 一维投影点关联算法框图7 4 图3 2 2f 1 8 散射中心一维投影序列初步关联结果7 5 图3 2 3 根据初始轨迹重构的散射中心位置。7 5 图3 2 4 根据初始轨迹重构的视角序列。7 5 图3 2 5 根据初始轨迹重构散射中心的理论性能分析7 6 图3 2 6 补充估计其余散射中心位置的算法框图7 7 图3 2 7f 1 8 散射中心空间位置重构结果7 8 图3 2 8 重构的散射中心与目标几何模型的对应关系。7 8 图舡l 目标与雷达的坐标关系示意图8 3 图4 啊2 平面内固定位置散射中心的投影点在圆上8 3 图4 3 用于暗室测量的锥球体，带缝锥球体实物照片及结构尺寸图8 4 图4 _ 4 由f d t d 代码得到的锥球体和带缝锥球体对数幅度o t s m 图职极化8 5 图4 5 由f d t d 代码得到的锥球体和带缝锥球体类型参数o t s m 图h h 极化8 5 图4 6 高频电磁计算软件产生的锥球体对数幅度和类型0 t s m 图8 5 图4 7 由暗室测量数据得到的三个极化下锥球体对数幅度o t s m 图8 8 图4 8 由暗室测量数据得到的三个极化下带缝锥球体对数幅度o t s m 图8 8 图4 9 烈火导弹模型实物图和结构尺寸图8 9 图4 1 0 烈火导弹模型暗室测量四个极化下的对数幅度o t s m 图9 0 图4 1 l 波音7 3 7 飞机的三维模型和综合对数幅度0 t s m 图9 0 图4 1 2 潘兴坦克的三维模型和三视图9 2 图4 1 3 潘兴坦克模型的三维对数幅度o t s m 图和三维散射中心位置9 3 图4 1 4 三维o t s m 图中散射中心l 和2 1 的理论投影球面及球面附近的投影点9 3 图4 1 5 散射中心l 对应理论投影球面附近投影点的平面展开图9 3 图4 1 6 散射中心2 l 对应理论投影球面附近投影点的平面展开图9 3 图4 1 7 隶属度函数及其一阶导数9 6 图4 1 8 散射中心与投影点的粗关联算法框图。9 7 图4 - 1 9 估计散射中心可见范围和有效投影点的算法框图。9 8 图4 2 0 投影点与散射中心精关联算法框图9 8 图4 - 2 1 散射中心模型重构总体算法框图1 0 0 图4 2 2 “烈火”二维散射中心位置1 0 2 图4 2 3 “烈火”二维散射中心模型重构的中间结果i 1 0 2 图4 2 4 “烈火”二维散射中心模型重构的中间结果i i 1 0 2 图4 2 5 “烈火”二维散射中心模型重构的中间结果i i i 1 0 4 图4 2 6 “烈火”二维散射中心模型重构的中间结果i v 1 0 4 图4 2 7 “烈火”二维散射中心模型重构最终结果1 0 4 图4 2 8 “烈火”导弹二维散射中心模型的r c s 恢复效果1 0 6 图4 - 2 9 “烈火”导弹二维散射中心模型的一维距离像恢复效果1 0 6 图4 3 0 “烈火”导弹二维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 成像中心角5 。) 1 0 7 图4 3 l “烈火”导弹二维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 成像中心角4 5 0 ) 1 0 7 图4 3 2 “烈火”导弹二维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 成像中心角8 5 0 ) 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 0 8 图4 3 3 “烈火”导弹二维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 成像中心角1 2 5 0 ) ，。1 0 8 图4 3 4 “烈火”导弹二维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 成像中心角1 6 5 0 ) 1 0 ； 图4 3 5f 1 8 模型的三维模型和三视图1 0 9 图4 3 6f 1 8 三维散射中心模型重构中阊结果l “o 图4 3 7f 1 8 三维散射中心模型重构最终结果i 1 l o 图4 3 8f 1 8 三维散射中心模型重构最终结果1 ll 图4 3 9f 1 8 散射中心模型重构中间结果i i 1 1 2 图4 4 0 散射中心3 第一次关联后的散射系数与最终结果比较1 1 3 图4 4 1f 1 8 三维散射中心模型重构最终结果i i i 1 1 4 图4 4 2f 1 8 散射中心模型重构最终结果i v 1 1 6 图4 4 3f 1 8 重构模型的能量拟合效果1 1 7 图4 4 4f 1 8 三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角1 5 0 俯仰角1 0 0 ) 1 1 8 图4 4 5f 1 8 三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角3 5 0 俯仰角1 0 0 ) 1 1 8 图4 4 6f 1 8 三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角1 5 0 俯仰角0 0 ) 。1 1 9 图4 4 7 f 1 8 三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角3 5 0 俯仰角0 0 ) 1 1 9 图“8f 1 8 三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角1 5 0 俯仰角3 0 0 ) 1 1 9 图4 - 4 9f 1 8 三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角3 5 0 俯仰角3 0 0 ) 1 2 0 图4 5 0 潘兴坦克三维散射中心模型重构中间结果1 2 1 图4 5 l 潘兴坦克三维散射中心模型重构最终结果i 1 2 1 图4 5 2 潘星坦克三维散射中心建模最终结果i i 1 2 2 图4 5 3 潘兴坦克三维散射中心模型的r c s 恢复效果1 2 2 图4 5 4 潘兴坦克三维散射中心模型重构最终结果i i i 1 2 3 图4 5 5 潘兴坦克重构模型的能量拟合效果1 2 4 图4 5 6 潘兴坦克三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角4 5 0 俯仰角1 0 0 ) ，1 2 5 图4 5 7 潘兴坦克三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角8 0 0 俯仰角l o o ) ，1 2 6 图4 5 8 潘兴坦克三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角1 4 0 0 俯仰角1 0 0 ) 1 2 6 图4 5 9 潘兴坦克三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角4 5 0 俯仰角6 0 0 ) ，。，1 2 6 图4 6 0 潘兴扫克三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角8 0 0 俯仰角6 0 0 ) 1 2 7 图4 6 1 潘兴坦克三维散射中心模型的雷达图像恢复效果( 方位角1 4 0 0 俯仰角6 0 0 ) 1 ：1 7 图5 1 基于模型的雷达目标识别原理框图。1 3 2 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：! 垫垡垒 日期：二印占年4 月2 铲日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：盎堂堕重达垦握三丝筮筮生堂重拄猩诠量技盔 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：靼巡) 日期：二一年0 月毋日 日期：脚年4 - 月2 扩日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着现代雷达技术的不断发展，雷达已远远超出了“检测和测距”豹初始含 义，从目标参数测量进入特征测量的新阶段，雷达的基本功能从检测和定位扩展 到特征扶取和目标识别【8 刀】。散射中心模型为光学区雷达目标的电磁散射现象提供 了简洁精炼、物理含义明确的描述手段，是目标特性分析和目标识别研究的基础 i f 捌。 对散射中心模型的研究可以采用正、逆两种不同的方法。正方法从电磁散射 的基本原理出发，通过对目标进行分部件的分析确定主要的高频散射源，它遇 到的困难是：真实目标的各个部件形状不规则、针对简单形体求得的高频近似 解不能完全适用于待分析的部件；各部件对目标总散射场的贡献不具有1 + 1 = 2 的形式，如几个部件相连的部位可能产生新的散射源，不同部件之间可能存在遮 挡或多次散射。因此正分析只能大致估计散射中心的位置和散射类型，对其散射 强度、方向特性并不能给出定量的回答。逆方法则通过对实测或电磁计算数据进 行分析，从中提取散射中心参数。它的可信度和精度由测量电磁计算能力和数据 处理能力共同决定，必然随着时间推移和技术进步不断提高。因此根据测量电磁 计算数据重构具体目标的散射中心模型是近十几年来一直研究的热点l 睁1 0 9 1 ，其中 一维散射中心模型研究开展最早也最成熟，而三维模型研究尚处于起步阶段。这 一方面因为随着维数的升高，数据处理问题的复杂度迅速提升；另一方面也由于 宽带雷达和合成孔径雷达主要获取目标的一维和二维散射中心投影信息。由于目 标处存三维空间中( ，1 i 考虑时间参数) ，同一个目标可以有无穷多的一维和二维 散射中心模型，因此从描述目标的角度考虑，建立三维散射中心模型是必然的趋 势。 本文依托“十五”预研项目以及9 7 3 国家安全重大基础研究项目，采用逆方 法研究目标的二三维散射中心特征，解决了一维模型参数估计、非合作目标三三维散 射中心位置重构和可控测量，电磁计算条件下目标的三维散射中心模型重构等三个 方面的一系列理论和应用问题。本文的研究意义在于：基于实测和计算数据分 析目标特性，验证光学区散射中心理论，从实践上加深对复杂目标散射特性的认 识；散射中心特征是高分辨雷达目标识别的基础，对散射中心高维特征的深入 研究也是发掘宽带高分辨雷达目标识别新机理、新方法的重要途径。 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 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 电磁散射理论表明，根据目标散射特性的不同可以将电磁波频率划分为三个 区【8 , 1 5 l ：瑞利区：目标孑f 垂直于波阵面方向的尺寸远小于入射波长。此时入射波 沿着散射体基本没有相位变化，在每一个时刻可以等效于静场问题，雷达截面正 比于频率的四次方；谐振区：目标在垂直于波阵面方向的尺寸与入射波长在同 一数量级，此时目标上各点入射场的相位变化显著。散射体各部分问相互作用的 总效果决定了最终的电流密度，因此谐振区雷达回波携带散射体形状与大小的近 似信息l ”i ；光学区：又称高频区，目标在垂直于波阵面方向的尺寸远大于入射 波长，此时散射体各部分之间的相互影响已变得很小，散射成为局部现象而不再 是累积的过程，表面电流积分的主要贡献来自于驻相点和积分端点，散射也就可 以认为是主要来自于这些为数不多的离散点，称为目标的散射中心。 常规雷达一般工作于目标的光学区( 高频雷达) 或谐振区( 低频雷达) 对 于飞机、车辆，舰船等军事目标，常规雷达更多地工作在光学区，同时，中心频 率升高还能降低实现大带宽的难度和提高多普勒分辨能力。 散射中心是雷达目标在光学区等效的散射源，它的概念来自于对散射过程的 数学分析，同时也与高分辨雷达观测结果一致。1 9 7 6 年，m e b e c h t e l 对目标的局 部散射源进行了较为完整地概括i l 】，按照对应结构的不同将散射中心分为五大类， 下面沿用这种分类并综合各个阶段不同学者的研究成果对主要的散射中心类型简 单介绍【1 4 _ 4 1 7 3 7 4 们。 镜面散射型：平板、单曲面和双曲面都能产生镜面型散射中心。其中平板 对应的散射中心具有很强的方向性，在法向的散射强度远远大子其他方向；单曲 面形散射体存纵切面内具有很强的方向性而在横切面内散射图均匀；双曲面形散 射体的方向图很宽。后两种散射结构对应的散射中心位置随观测视角而变化，是 典型的滑动型散射中心【l ”。 边缘散射中心：包括一阶边缘( 如棱) 、二阶边缘( 指一阶导数连续，二 阶导数不连续的形体，如锥球体的半球和锥体结合部) 文献 1 7 】将这类结构称为 部分连接散射点，它们的位置也随观测视角沿某些与目标轮廓有关的空间曲线滑 动。 多次反射型：文献 3 9 】又进一步将它分成两类：非色散型多次反射结构和腔 体结构。前者包括角型结构和大的腔体( 电尺寸远大于雷达波长) ，它们在横向 上的位置通常位于整个反射链路上的第一个面元和最后一个面元之间，纵向位置 则由整个反射链路的总长度决定，并月该多次反射结构形成的所有射线具有相同 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的纵向和横向位置，因此非色散型多次散射结构在雷达图像上表现为一个点散射 中心，但这个点散射中心的散射强度和位置随观测方向改变。不同于前面两种滑 动型散射中心的是，它的位置改变可能是不连续的。当腔体结构的任何一维尺寸 与雷达波长同量级时，它成为一个显著的色散型散射结构，其相位特性随频率而 变化，因此造成纵向图像的模糊和展布。 尖顶型：光滑表面的微d , d 5 出亦属此类【朋。当姿态角变化时，它在目标上 的具体位置固定，因此分析这些散射中心的位移可以推断目标绕质心的运动特性。 这类散射中心的散射能量通常与频率成平方反比关系，在光学区的散射要弱于前 几类散射中心，但它的方向图较宽，是目标最主要的稳定点散射中心。 行波和爬行波产生的散射中心：它们也具有色散性，并且在高频区的散射 强度通常都比较低。它们的散射机理不能被高频近似方法描述，因此不能通过高 频电磁计算数据研究这类散射中心的特征。 文献【l 】进一步给出锐边缘、圆边缘、腔体和再入型结构、尖项和圆顶、爬行 波贡献等几种散射中心的散射系数解析近似表达式。除色散型结构之外，其余结 构的散射强度随频率的变化关系都可以表示成幂函数，由此得到了整个目标散射 场的近似式 8 0 - 8 4 】： m， e ( ，0 ，) = 4 。( 口，y ) 哆) p 1 4 吖“7 “7 “。痢川。 ( 1 1 ) m = l ，0 其中幂指数也称为类型参数，它与散射结构的对应关系如表1 1 所示。由 于其中大部分结构的类型参数都可以通过几何绕射理论( g e o m e t r i c a lt h e o r yo f d i f f r a c t i o n ，g t d ) 脚】预测，这种散射中心模型也被称为g t d 模型，式( 1 1 ) 给出的就 是二三维g t d 模型的经典形式 s 1 , s 2 1 。 表l - i 典型散射结构对应的类型参数 类型参数a 对应的典型散射结构 - l 尖顶绕射 由5 边绦绕射 0 双曲面反射直边镜面反射 o 5 单曲面反射 1 早扳法向反射，二面角，三面角 1 ，2 2 散射中心模型参数估计 这是关于散射中心模型研究较早也最为活跃的领域之_ a o - 9 0 ，原因之一在于 参数估计是经典的信号处理问题，有很多成熟的理论和方法可以借鉴。这方面的 研究一般针对一维或二维成像雷达，通过参数估计的方法提取散射中心的位置、 类型、幅度特性，从而比非参数成像算法( 如傅立叶变换) 获取更丰富、更精炼、 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 更准确的目标信息。 参数估计的方法又可以分为两大类：基于数学模型的参数估计和基于物理模 型的参数估计。由于g t d 模型中散射相位随频率线性变化，在小角度下相位也随 方位角近似线性变化，因此它可以近似成谐波信号或带衰减的谐波信号，从而将 散射中心模型参数估计问题转化成谐波信号衰减谐波信号参数估计问题。这是一 个经典的信号处理问题，几乎所有的高分辨谱估计方法都可以借鉴 1 3 3 - 1 3 5 , 1 5 1 - 1 5 9 1 ， 如a r m a 方法，p r o n y 方法，m u s i c 方法，e s p p r i t m p 方法，r e l a x 方法等。 关于这些方法的性能也有非常深入的研究【”4 6 1 ，e s p r i t m p 方法是其中精度较 高的一种，对孤立的散射中心( 即与其他谐波分量的频率间隔在2 个傅立叶分辨 单元