（信息与通信工程专业论文）多频段合成成像技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 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( l f m ) 、目标频响为几何绕射( o t d ) 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g t d 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( g a ) 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白相关矩阵；给出了基于最小描述长 度准贝j j ( m d l ) 的散射中心个数的估计方法，研究了基于e s p r i t 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。 主题词：宽带雷达多频段合成 速度补偿相干配准几何绕射模型 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i b a n df u s i o ni m a g i n gi sa l le m e r g i n gr a d a ri m a g i n gt e c h n o l o g y i tf o c u s e so n t h ef u s i o no fo b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o nf r o mm u t i b a n dr a d a r ss oa st oi m p r o v et h e r e s o l u t i o n i ti sa l s o i nf a v o ro ft a r g e tr e c o g n i t i o na n di m a g ec o m p r e h e n s i o n t h e i n f o r m a t i o nf u s i o nb a s e do nt h em u l t i - r a d a ro b s e r v a t i o n sc a l lo b v i o u s l yi m p r o v et h e r a d a ri m a g i n gr e s o l u t i o na n dt h es c a t t e r i n gc e n t e rp a r a m e t e r se s t i m a t i o np r e c i s i o n a i m i n ga tt h eb a c k g r o u n do fm u l t i b a n ds p e c t r af u s i o no ff a s tm o v i n gt a r g e t s ，t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e ss o m ep i v o t a lp r o b l e m si n c l u d i n gw i d e b a n dr a d a re c h om o d e lo f m o v i n gt a r g e t s ，c o h e r e n tp r o c e s s i n g ，m u l t i b a n df u s i o ni m a g i n g f i r s t l y ，t h et r a d i t i o n a lm u l t i b a n df u s i o ni m a g i n gp r o c e s s i n gw a si m p r o v e do nt h e f u s i o ni m a g i n gq u a l i t y i t i st h et h e o r e t i c a lb a s e m e n to fc o h e r e n c ea n df u s i o na l g o r i t h r nt ob u i l dt h e w i d e b a n dr a d a re c h om o d e lo fm o v i n gt a r g e t s 。耶1 em o d e lw h e nt h et r a n s m i t t i n gs i g n a l w a sl i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t e ( l f m ) s i g n a la n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s ew a sg e o m e t r y t h e o r yo fd i f f r a c t i o n ( g t d ) m o d e li sg i v e ni nt h es e c o n dc h a p t e r ；b a s e do nw h i c ht w o p r e d i s p o s a lp r o c e s su s i n gm a t c h e df i l t e r i n g ( m f ) a n dd e c h i r pp r o c e s s i n g a f t e r p r e d i s p o s ew e c a ng e tt h es u b b a n df r e q u e n c y s p e c t r a ；tc o h e r e n tp r o c e s s i n gi sa l li m p o r t a n ts t e pb e f o r em u l t i b a n df u s i o n t h et h i r d c h a p t e ra n a l y z e st h ep a r a m e t e r sw h i c hc a u s et h eu n c o h e r e n c ea m o n gm u l t i b a n d sa n d b a s e do nw h i c hac o h e r e n tf u n c t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o nm a tt h et a r g e tm o v e sf a s ti s p r e s e n t e d am e t h o do ff r e q u e n c y - d o m a i nc o h e r e n tm e t h o db a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ( o a ) w a sp r e s e n t e d t os o l v et h ew e a k p o i n to ft r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mw h i c h i si n c l i n e dt o t r a pi nl o c a lm i n i m u m a n dt h eg au t i l i z i n gt h em i d d l eo v e r l a p p e d s p e c t r ai sg i v e nt or e d u c et h ee r r o rc a u s e db ys p e c t r ae x t r a p o l a t i o n b u tt h ep r o b l e mt h a t t h eg ac a u s e sh e a v yc o m p u t e rl o a da l s oe x i s t sa n dg an e e dt oe x t r a p o l a t et h es p e c t r a o fs u b b a n d s s ot h ea u t h o rp r e s e n t sam e t h o du s i n gt h ep o l e s i n f o r m a t i o nd i r e c t l y ， f u r t h e rm o r et h ec o h e r e n tm e t h o di nt i m ed o m a i nt h a td o e s n tn e e dt oe x t r a p o l a t et h e s p e c t r ai sp u tf o r w a r d f i n a l l y ，w ec o m p a r et h ep e r f o r m a n c et h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n f u s i o ni m a g i n gi st h em o s ti m p o r t a n ts t e pi nt h ew h o l ep r o c e s s t h ef o u r t hc h a p t e r i n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e b a s e do nd a t ar e a r r a n g e m e n ta n ds p a t i a ls m o o t h i n g t e c h n i q u e st h ec o v a r i a n c em a t r i xt h a th a st h ep r o p e r t yo ft r a n s l a t i o ni n v a r i a n tw a sb u i l t b ym i n i m u md e s c r i p t i o nl e n g t h ( m d l ) t h er a n ko fm o d e li se s t i m a t e d t h e nt h em e t h o d t oe s t i m a t et h es i g n a lp o l e si sp r e s e n t e d t h u st h el o c a t i o n , f r e q u e n c yd e p e n d e n t c o e f f i c i e n ta n da m p l i t u d eo fs c a t t e r i n gc e n t e r sa r ee s t i m a t e db yp o l e s i n f o r m a t i o n f i n a l l y ，m o n t c a r l os i m u l a t i o na sw e l la ss i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t ht r a n s m i t t i n gs i g n a l w a sc a r r i e do u tt op r o v et h ea b o v em e t h o d 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 m i c r o w a v ed a r k r o o me x p e r i m e n ti sa l le f f e c t i v em e t h o dt ot e s tt h ee f f i c i e n c yo r - m u l t i b a n dc o h e r e n tp r o c e s sa n df u s i o ni m a g i n ga l g o r i t h m t h ef i 觚c h a p t e rd i s c u s s e s t h es i m u l a t i o nm e t h o do fu n c o h e r e n c ef a c t o r s ，t h ee x p e r i m e n te n v i r o n m e n ta n dt h es t e p s o fe x p e r i m e n t t h er e a ld a t ai sd e a l tw i t ha n dt h er e s u l tp r o v e st h ee m c i e n c yo ft h e p r e s e n t e dm e t h o d k e yw o r d s ：w i d e b a n d r a d a rm u l t i b a n df u s i o n v e l o c i t yc o m p e n s a t i o n m u l t i b a n d c o h e r e n c ep r o c e s sg t d 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表5 1 实验器材列表5 7 表5 2 非相干量估计结果6 2 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图3 。1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图目录 多频段合成成像处理流程示意图7 匹配滤波方式下多频段动目标回波预处理流程1 6 d e c h i r p 处理原理1 7 d e c h i r p 方式下合成成像流程2 0 未记入频率衰减，两散射中心径向速度分别为5 0 0 0 r n s ，0 的回波2 0 经过速度补偿后的回波距离像2 1 大相对带宽下频率依从关系造成的影响对比图2 1 未进行匹配滤波回波频谱2 1 单散射点原始回波频谱及距离像2 2 单散射点d e c h i r p 后得到的等效频谱实部及其距离像2 2 单散射点精确速度补偿后得到的频谱模值及距离像2 3 变量替换后得到的单散射点等效频谱2 3 多散射点d e c h i r p 后得到的等效频谱实部及其距离像2 3 多散射点精确速度补偿后得到的频谱模值及距离像2 4 双雷达非相干量分析示意图2 6 雷达视角对距离像影响示意图3 0 雷达视角差对合成距离像的影响3 0 基于遗传算法求解非相干量3 3 全频带g a 与中间频带g a 估计精度比较3 9 三种相干方法估计精度对比4 0 具有旋转不变性的天线子阵构造示意图4 5 基于e s p r i t 散射中心参数估计性能5 0 基于g t d 模型的多频子带合成成像5 2 基于l f m 的多频带合成成像5 3 实验设备连接图5 6 转台上目标摆放示意图5 7 单个二面角多频段成像效果5 9 单个三面角多频段合成效果6 0 双目标非相干多频带合成效果分析6 2 双目标多频带相干合成效果图6 3 第v 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i t - 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已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：丝蚶盛盛鱼塑三驾红 - 1 1 一、，叩 学位论文作考签名y 一昝墨是牡 日期：五跚岔年jf 月，严 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 学位论文题目：名纽争趸毒夔金盖立么幸鱼羹立益j 匿叠辱善l 学位论文作者签名：耋l 峰日期：伽f 举月严日 作者指导蝴排：堑! 堕屺哦加睁r 1 月日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，目标的一维高分辨距离像广泛应用于目标识别、小目标成像、导弹防 御等军事领域，因此如何获得高分辨距离像一直是研究的焦点。现有的雷达成像系 统依据目标散射中心散射强度与目标散射函数空间谱的傅立叶变换对关系，通过傅 立叶变换反演出目标上散射中心的空间分布，获得目标图像。由于傅立叶成像受瑞 利准则制约，雷达图像的分辨率有限。为此，人们基于目标散射模型使用各种参数 化方法估计散射中心参数，从而获得超分辨的雷达图像【1 】1 4 】。超分辨通常与各种参 数化成像方法联系在一起，其成像分辨率突破了瑞利分辨率准则的限制，例如： r e l a x 、c l e a n 、空间谱估计算法等1 5 j 。 现有的雷达成像方法大多基于单雷达系统的成像处理。由于单雷达系统观测的 频带范围受到限制，回波所含目标信息有限，由这些信息反演所得到的图像分辨率 也相应受到制约。为了提高距离分辨率人们不得不提高信号带宽，而这将导致发射、 接收系统更加复杂，给系统硬件实现增加了很大的难度。随着雷达技术和信息处理 技术的发展，为了克服单雷达性能上的局限，多雷达信息的综合使用逐渐成为一种 趋势。人们试图通过多雷达信息融合来提高检测概率、改善成像分辨率和提高目标 识别性能。与单雷达成像处理不同，多雷达成像系统通过多部雷达的特殊配置和观 测来获得目标在时空频空间内的冗余信息和互补信息，基于这些丰富的信息采用特 殊的信号处理方式反演得到能够表征目标精细结构特征的雷达图像。在同样的分辨 率条件下，多雷达系统将单雷达的艰巨任务划分到若干个子系统上，简化了单部雷 达的实现难度，然后通过时空频空间内的多采样和特殊的信号处理方式来获得分辨 率的改善和性能的提高。与单雷达相比，在雷达具有相同的工作参数条件下，多雷 达系统则能够获得更高的成像分辨率。从某种意义上说，如果单雷达系统改善系统 性能是通过增加系统复杂度的话，那么多雷达成像系统则是通过增加信号处理的复 杂度来换取系统成像性能的提升。 多频段合成成像旨在通过融合来自时间、空间或频率上分集的雷达观测信息， 获得更高分辨率的雷达图像，以利于目标识别与图像理解等后期信号处理。在实际 系统实现时，多频段合成成像需要解决观测的时空同步、目标散射特性的一致性、 融合处理中的相位一致性等关键问题。多频段合成与传统的图像融合区别在于，它 是以传感器底层信号为基础，将多传感器信号相干融合处理以获得一个频带更宽、 信息更丰富、质量更佳的等价信号后再根据不同的成像算法进行成像。与图像融合 的先成像后融合处理顺序不同，多频段合成成像是先融合后成像，两者在信息处理 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的先后顺序上存在着显著的差异，也正是这样的差异可以使得多频段合成成像最大 限度地挖掘雷达观测中的丰富信息，利用多源信息的冗余与互补来获得系统性能的 极大提升，当然信号处理难度也因此增加。多频段合成成像与单雷达成像技术相比 既有相似点又有其显著的优势，它通过多频段融合提高了信号带宽，从而降低了对 发射信号带宽以及成像积累时间的要求，能够有效改善雷达成像的分辨率。 多频段合成成像技术与其它的融合技术一样，由于信息来源于多个传感器的观 测，在多目标的情况下存在着如何组织利用多源信息的问题，即首先需要对不同目 标的多源数据进行关联，以确定其来自同一实体，获得对同一目标描述的信息空间； 在此基础上对描述同一目标的多源信息进行配准，使得不同尺度( 坐标系) 下目标的 时空频信息转换为同一尺度( 坐标系) 下目标的时空频信息，跟踪滤波中的坐标转 换、i s a r 成像中的运动补偿以及多雷达融合成像中的幅相补偿都属于配准的范 畴；最后将公共尺度下的目标信息进行融合成像以获得最终高质量的目标图像。多 频段合成成像是一种全新体制的雷达成像系统，信息关联、配准需要从“硬”处理 和“软 处理两个方面采取措施。所谓“硬 处理就是从系统设计和工作方式两个 方面确保信息的关联、时空频配准，例如：系统工作时钟同步、系统波束扫描同步、 系统工作频带或视角满足一定关系：所谓“软”处理就是采用信号处理手段对多源 观测信号进行相干匹配处理。多源信息的配准是数据融合首先要解决的问题，多雷 达系统信号的相关匹配不仅要利用时间和空间上的相关特性，更重要的是利用被观 测目标散射特性的一致性和可预测性，这是与常规位置和属性相关最大的不同点。 可以想象在信号层面上进行配准要比在位置或属性层面上配准对测量基准有更高 的要求，这也是以往困扰多频段合成成像技术实现的瓶颈。信号融合可以看成是信 号表示与信号复原问题，一个多雷达系统可以得到关于被测目标的多种形式的观 测，由于噪声以及系统的非理想特性使得测量受到污染而只能获得“降质 观测， 信号融合即是利用几段降质观测以及这些观测的冗余性与互补性恢复出目标本来 面目的过程。利用数学工具对宽谱域雷达目标特征信号进行分解和稀疏表示，可以 将多个子系统的信号量测纳入到一个统一的信号相关数学模型中。该模型不仅包含 了所有子系统观测到的目标信息，而且还可在一定程度上预测未被探测信号覆盖的 目标特性，从而更有利于后续的检测、估计、识别分类等处理。 一般来说，多频段合成成像受下面三个条件的约束： ( 1 ) 回波信号散射中心模型：只有在回波散射中心能用几何绕射( g t d ) 模型，衰 减指数( d e ) 模型或简单点散射模型描述时才是有效的。当目标处在光学区时回波散 射中心用上面三种模型建模是可行的。 ( 2 ) 中间空白频带的宽度：当中间空白频带宽度增大时合成成像的精度下降。 一般要求空白频带的宽度不超过最窄子频带带宽的两倍。 ( 3 ) 信噪比：多频段合成成像技术实质是利用多个频段联合估计回波强散射中 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 心的融合超分辨方法。超分辨方法对信噪比是有一定的要求的，在信噪比较低时合 成效果会变差。 总的来说，多频段合成成像技术主要包含以下关键技术：多频段宽带雷达动 目标回波建模、适用于多频段信号融合的目标速度补偿、相干配准、雷达融合成像 算法、融合性能评价等。 1 2 多频段合成成像技术的研究现状 目前国外进行这方面研究工作的主要是美国m i t 的林肯实验室，他们的研究工 作主要是基于雷达信号响应的外推、预测进行雷达信号融合，以获得更高的成像分 辨率。1 9 9 0 年美国林肯实验室的c u o m o 提出了带宽外推技术( b w e ) ，它通过预测观 测频率范围之外的目标频率响应以达到增加雷达信号有效带宽并提高雷达成像分 辨率的目的，对于脉冲压缩雷达b w e 能够提高2 n 3 倍的距离分辨率1 6 1 。1 9 9 2 年， b o r i s o n 等研究人员利用该方法实现了宽带雷达的超分辨成像，使宽带雷达成像质 量得到了惊人的改善【7 】。在1 9 9 9 、2 0 0 0 年，c u o m o 总结了已有的研究工作，分别在 i e e e 电波与传播期刊、i e e e 国际雷达年会上发表了弹道导弹防御中利用两部雷达 的信息进行真假弹头融合辨识的研究成果【8 1 9 1 。2 0 0 0 年，v a r m 完成了提交给美国 空军研究实验室( a f r l ) 的实验报告：多传感器融合处理改善雷达成像【l 嘲；2 0 0 0 年 林肯实验室在美军宽带网络传感器( w n s ) 研究计划中明确提出以超宽带相干处理 作为该计划的一个实验背景，计划进度表明在2 0 0 2 年9 月已经成功完成了最终的超 宽带( u w b ) 成像演示验证实验。对于多频段合成成像问题，国外的研究虽然起步较 早并进行了部分的演示验证实验，但是关于该领域的进一步研究工作不多，特别是 由于军事技术保密的原因能见到的公开资料较少，而国内的研究则较少涉及到该领 域，很多问题还有待进一步讨论。仅有的相关工作是稀疏子带的多频段融合一维距 离像成像技术【1 1 - 1 3 】，基于一维距离像融合进行目标识别【1 4 1 以及利用稀疏成分分析 技术研究理想条件下多频段信号综合高分辨距离成像问题【”】。国内相关研究的特 点是发射信号结合具体的发射波形，更加注重实用性，而国外学者简单地以g t d 模型或是简单散射点模型作为回波信号，更加注重合成成像的理论推演。在多频段 合成一维距离像的基础上，国防科技大学a t r 实验室的王成初步探讨了了二维信号 融合i s a r 成像问题【5 】【1 6 】，并提出了联合超分辨成像算法，该算法分别构造纵向和 横向上具有特殊旋转不变结构的空间导向矢量矩阵，使用e s p r i t 估计参数并利用 联合对角化解决参数配对问题。 1 2 1 多频段宽带雷达动目标回波建模 基于目标电磁散射特性或机理建立的目标电磁散射模型是频段合成成像技术 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的理论基础。在光学区，目标的电磁散射响应可以近似看作若干个独立的局部散射 体或散射中心的响应之和。目前，雷达目标电磁散射分析中三种主要的散射模型分 别是点散射模型、几何绕射( g t d ) 模型1 1 7 】和衰减指数( d e ) 模型【1 8 】。大部分情况下， 用点散射模型描述动目标回波是准确和可行的。但相对带宽较大时，目标回波频谱 用点散射模型进行建模误差较大，需要用更符合实际的g t d 模型或是d e 模型来建 模。现有的研究将点散射模型与线性频率调制( l f m ) 发射信号及目标运动信息结合 到一起得到了运动点目标的回波表达式，但是将目标运动信息与宽带电磁散射模型 及具体发射信号结合起来是迫切需要解决但仍未解决的问题。 1 _ 2 - 2 适用于多频段信号融合的速度补偿技术 速度补偿技术是单雷达系统生成动目标距离像的重要环节。现有的研究大都没 有考虑目标速度对合成成像的影响或简单认为可直接套用现有的速度补偿方法即 可【5 1 。 在l f m 信号体制下，在目标速度不太高、发射信号脉宽较窄且调频斜率较小 时，l f m 信号对目标运动不敏感。但处于空间运动状态的目标通常具有较高的速 度，例如一般的弹道导弹的速度在5 0 0 0 m s 以上，此时l f m 信号的多普勒一时延耦 合作用将导致一维距离像产生模糊和在时间轴上发生平移。多频段合成成像的效果 在一定程度上受单个子带分辨率的限制，目标运动造成的单个子带距离像分辨率的 降低必将导致最终合成成像的质量下降；而目标的高速运动造成距离像在时间轴上 的平移量与子频带的参数有关，各频带对应的平移量不同，必将造成各子频带之间 的非相干。如果未对目标运动进行有效的补偿，将导致相干配准的精度下降，进而 降低合成距离像的分辨率。 现有的速度补偿方法均是在时域推导目标速度对回波信号表达式造成的影响 0 9 1 2 0 ，再通过测速雷达测得目标的速度或基于宽带回波信号直接估计出目标速度 【2 l 】，利用得到的速度估计值对回波相位表达式进行补偿。对于基于匹配滤波处理 方式下的多频段合成成像来说，这种方法存在下面不足：首先，若利用几段宽带信 号频谱合成超宽带信号频谱，需要用g t d 模型对目标频响特性建模，而g t d 模 型的时域表达式难于推导；其次，若是利用匹配滤波的方式对回波进行脉冲压缩， 那么除速度补偿之外所有处理均可在频域完成。变换到时域进行速度补偿再变回到 频域会浪费大量的时间并会带来一定的截断误差。因此需研究在频域直接进行速度 补偿的方法。 1 - 2 - 3 相干配准 信号相干配准是多频段合成的关键，由于多频段合成是一种相干处理的融合方 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 式，它要求信号相位满足一定的匹配关系。在多雷达系统中，由于单雷达信息处理 的非一致性，使得各个雷达信号的幅度和相位都有可能存在着差异，为了融合成像 必须对信号进行相干配准处理当目标高速运动时，多雷达间的非相干因素将更加 复杂，而关于高速运动目标的相干问题还缺乏细致的研究。相干配准的方法主要是 通过各种算法估计幅度相位补偿因子，然后进行信号补偿。： 一 。 已有的雷达回波信号相干处理方法f 6 儿s j 【9 j 大都需要重叠频带的观测数据建立参 数估计模型。在稀疏频带观测下，通过已知数据的外推预测获得重叠频带非常困难， 数据外推预测的误差将严重影响相干处理的精度，因此稀疏子带下无需重叠观测数 据以及无需数据外推预测的参数化信号相干配准方法是迫切需要研究的内容。傅耀 文等人提出利用外推得到的重叠频谱生成目标一维距离像，将各子带的一维距离像 做相关，求线性相移，再定义一个新的相干函数，采用全局搜索求取固定相移使得 相干函数值最, j x 2 2 1 ，但是该方法仍要作频谱外推。国防科技大学a t r 重点实验室 的王成等人根据多雷达目标散射机理和点散射模型，提出了二种基于修正的 m u s i c 算法的多雷达信号融合i s a r 一维距离超分辨成像方法，将多个雷达观测 信号统一建模，将相位补偿参数和雷达目标散射中心参数一起估计，避免了进行频 谱外推【l 引。但该方法需要对非相干量进行多维搜索，每搜索一次都要估计一次散 射中心参数，计算量较大。因此仍需要对相干配准方法进行更加深入的研究。 1 2 4 多频段合成算法 由于单雷达成像中常用的成像算法是一种基于傅立叶变换的成像方法，因此需 要连续频谱上的观测数据，其使用范围有一定的局限性，不适合稀疏观测下的融合 成像。在传统雷达成像中，为了突破傅立叶成像分辨率的瑞利准则的限制【2 3 】【2 4 】， 各种超分辨成像方法应运而生。与傅立叶成像相比，超分辨成像算法本质上是一种 参数化方法，它直接求解目标散射中心的各项参数，不需要观测频谱具有连续性， 因此更适合具有稀疏特性的多频段合成成像。通常，超分辨算法可以划分为两大类， 一类是基于阵列信号处理的谱估计技术，另一类是非线性参数优化方法。由于目标 散射回波信号模型与阵列信号处理模型具有类似性，散射导向矢量矩阵与阵列信号 方向导向矢量矩阵结构相同，因此阵列信号处理中的多重信号选择( m u s i c ) 【2 5 1 、信 号参数估计与旋转不变技术( e s p r i t ) 2 6 2 y ln - 以用于雷达超分辨成像中的参数求 解。m u s i c 利用的是信号子空间和噪声子空间的相互正交性，e s p t 则利用的是 空间导向矢量矩阵结构上的旋转不变性质。在非线性参数优化方法中，多分量信号 参数估计的r e l a x 方法通过不断调整搜索空间的维数和在固定维空间内反复迭代收 敛来寻找最优解，它本质上是匹配追踪法和交替尺度法相结合的产物p s i 。 c l e a n 2 s j - 【3 l i 方法则是将信号不断地向基函数空间中最“适合”的基函数上投影，以 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 便残差信号最小，然后从信号中去除投影信号进行新的投影，这个过程不断迭代进 行直至残差信号小于给定门限。与c l e a n 方法相比，r e l a x 方法理论上具有更高的精 度，c l e a n 方法本质上是r e l a x 方法的一种特例 3 2 1 。由于成功引入了奇异值分解，矩 阵束方法也不失为一种简单有效的散射参数估计方法【3 3 】【3 4 1 。z w e i g 3 s 】基于，l 范数 f f t 实现超分辨成像；此外利用神经网络f 3 6 】进行优化计算也是一种途径。， 纵观国内外已有的多频段合成成像研究工作，主要存在着以下几个问题： ( 1 ) 进行多频段合成成像的回波信号比较理想化，对实际雷达系统回波信号及其 处理方式缺乏详细的讨论，特别是针对多频段宽带雷达动目标回波频谱的合 成成像研究得较少； ( 2 ) 较少涉及到适于多频段合成的速度补偿技术； ( 3 )已有的相干算法需要利用重叠的频谱数据，在子带稀疏的条件下，频谱预测 的误差较大，该类相干算法不再适用； ( 4 ) 现有的合成成像算法对模型依赖性大，在处理实际回波数据时性能较差，需 要开发高效稳健的成像方法。 1 3 多频段合成成像技术处理流程 多频段合成成像技术的基本思想是：在雷达回波信号处理过程中，利用基于信 号模型的现代谱估计技术，把独立工作在不同频段的若干个雷达的测量信号( 子带 信号) 合成在一起以达到增大带宽的目的。利用该技术可以将已有的几个带宽较小 的雷达合成宽带雷达，或者将几个宽带雷达合成超宽带雷达。因此，该技术有着广 泛的应用前景。 m i t 林肯实验室的c u o m o 最早提出了多频段融合的思想。值得注意的是他提 出对多频子带的原始回波频谱进行合成之后再进行脉压【6 1 ，但是通过仿真发现其合 成效果并不理想，下面简要分析其原因。将l f m 信号作为发射信号，以简单散射 点模型作为目标的频率冲击响应，得到回波信号的频谱为 膨五( 厂) = m f ( 争a 耐e x p ( 一j o ) ( 1 - 1 ) = 要 ( 争一争厂+ 等一号 m 2 ， 其中五为l f m 信号的载频，曰为l f m 信号的带宽，k 为l f m 信号的调频斜 率，4 ，i 为目标第m 个强散射中心的散射强度，乞为目标第班个强散射中心与雷达 之间的距离，设频率采样间隔为鲈，则频率厂为；。 f = 兀一b 2 + n a y ( 1 3 ) 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 西：塑业生i - ( 纽一2 刀趔) 矽o l - - x ( f o - b 2 ) 2 + 4 x ( f o - b 2 ) r m 一兰( 1 4 ) 忌c七 。 kc4 利用衰减指数( d e ) 模型拟合回波频谱可得：第m 个散射中心的幅度值口。拟合 厶e x p ( 一型盖掣f + 要f ) 项，而第m 个散射中心极点值的刀次幂已一拟合 咒q e x p 卜掣f 一( 兰堡一三警) 鲈拧卅。显然用己一来拟合e x p 【一掣习的效果 肯定不会很好，所以考虑先匹配滤波后再进行合成。通过分析不难发现，匹配滤波 之后频谱相位表达式中频率的二次方项将被去掉，剔除了d e 模型难于进行拟合的 项。因此本文在c u o m o 提出的静目标合成成像流程的基础上，我们提出如图1 1 所示的动目标多频段合成成像处理流程： 钿一 j 厂1 l_ ，、l 叭v训 8 相干处理厶疔e q u 舶叫 z i石f i - c q u c n c y b 矿 凸合成处理 正 m 8 成像处理 目标的距离像 图1 1 多频段合成成像处理流程示意图 1 对工作于不同频段、带宽不同的两段不相干回波频谱数据做预处理，其中 预处理主要包括脉冲压缩和速度补偿； 2 相干配准处理后得到两段相干的频谱数据； 3 利用两个频段的相干数据共同估计目标各散射中心的参数，对空白部分的频 谱进行内插，得到目标的宽带频响； 4 经过成像处理后得到合成频带的高分辨一维距离像。 1 4 本文主要研究内容及组织结构 本文研究的内容是针对宽带雷达高速动目标的多频段合成成像技术。根据图 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 1 的处理流程，本文将在多频段宽带雷达动目标到波建模、多频段宽带雷达动目 标回波预处理、多频段相干算法、合成成像算法及多频段合成成像技术微波暗室实 验等5 个方面展开研究。全文的章节安排如下： 第一章：绪论。介绍多频段宽带雷达动目标合成成像技术的研究背景及各项关 键技术的发展现状，提出处理流程。 第二章：多频段宽带雷达动目标回波建模及预处理。提出了发射波形为线性调 频信号、目标频响为几何绕射模型时多频段动目标回波模型；并以该模型为基础提 出了在匹配滤波方式和去线性调频方式下预处理的方法；经过预处理之后得到等效 的子带频率响应，为后续的相干合成做好准备。 第三章：多频子带相干算法研究。具体分析了造成动目标多频段子带回波非相 干的因素，在此基础上给出了动目标多频子带相干模型；针对相干模型的高度非线 性和多参数特点，提出利用遗传算法求解非相干量，并讨论了重叠频带频率范围的 选取手段；针对遗传算法计算量比较大的问题，提出不需外推、直接利用距离像信 息求解非相干量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法； 最后对各种相干方法进行了仿真比较。 第四章：合成成像算法研究。讨论了多频段合成算法的基本原理，给出了在数 据重排和空间平滑方式下具有旋转不变性的信号自相关阵的估计方法以及基于 m d l 准则的阶数估计方法，给出了利用e s p r i t 方法提取极点的具体方法；讨论 了如何通过获得的极点值估计散射中心的位置、幅度以及频率依从系数等信息。最 后对成像算法进行了蒙特卡罗仿真分析；对动目标l f m 信号回波进行合成成像处 理，验证了多频段合成成像处理流程的有效性。 第五章：多频段合成成像技术微波暗室实验方法研究。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。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 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 在雷达成像领域，人们对提高图像的分辨率倾注了大量的心血。但是提高单雷 达成像分辨率费用昂贵，效果有限。根据信息融合的思想，多频段多雷达信号合成 成像通过多频段信号的相干融合，获得一个等价的大带宽的信号，从而可以获得比 单雷达成像更高的距离分辨率。 多频段雷达动目标回波建模技术是实现多频段合成成像的基础。一般用于对空 间目标进行特征测量的雷达要求具有很远的作用距离和较高的分辨率，线性调频 ( l f m ) 雷达信号具有很大的时宽带宽积，同时具有良好的距离和多普勒分辨性能， 而且便于生成和处理，因此空间目标特征测量雷达中常采用l f m 雷达信号。 l f m 信号的脉冲压缩手段主要有匹配滤波( m a t c h i n gf i l t e r i n g ) 和解线性调频 ( d e e h i r p ) 。匹配滤波是发展得比较成熟的一种脉压手段，它不仅能以窄尖峰形式提 取出信号，而且本身是基于最大输出信噪比准则设计的，在保持高分辨率的同时具 有从包含噪声的回波中检测出信号的最佳检测性能，这是匹配滤波器最显著的优 点。现代雷达对距离分辨力的要求越来越高，发射信号所需的带宽也随之增加，给 接收机的a d 提出更为苛刻的要求。为解决这一问题，人们采用d e c h i r p 的方法来 降低采样率，减小带宽。长期以来这两种方法都有广泛的应用1 3 7 】。在多频段合成 成像中两种方法的回波处理过程有一定的差别。 。 本章2 2 节讨论了发射波形为线性调频信号、目标频晌为g t d 模型时多频段动 目标回波的模型；2 3 节以该模型为基础提出了在匹配滤波方式下速度补偿方法并 给出了多频段多雷达回波预处理的流程；2 4 节给出了去线性调频方式下速度补偿 的方法和回波预处理流程。2 5 节对两种回波处理方式下回波预处理的过程进行了 仿真验证。2 6 节对本章内容进行了简要的总结。 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 ， i r ，在光学区，目标的电磁散射响应可以近似看作若干个独立的局部散射体或散射 中心的回波之和。目前，雷达目标电磁散射分析中常用的三种主要的散射模型分别 是理想点散射模型、几何绕射( g t d ) 模型和衰减指数( d e ) 模型。点散射模型认为 散射点的散射响应强度是与频率无关的常数项；g t d 模型则认为散射强度随频率 变化，并利用幂函数来描述散射强度随频率变化的特性；为了简化模型计算，人们 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 又将g t d 模型中表征散射强度的幂函数近似为指数