（电磁场与微波技术专业论文）自旋目标运动成像与静止目标凝视成像方法及关键技术研究.pdf

摘 要 i 摘摘 要要 自旋目标（spinning targets）与静止目标(static targets)的高分辨率成像是传 统静止平台成像雷达（isar）所难以解决的两个问题，其主要原因在于，自旋 目标与平稳运动目标相比除了目标整体运动外还存在着高速的自旋运动， 这会引 起成像时间内散射点距离像与多普勒被正弦函数所调制， 从而导致传统的距离多 普勒方法失效；而静止目标在成像时间内与雷达之间不存在任何的相对运动，从 而无法构造出传统高分辨率成像雷达所需的合成孔径。因此，研究静止雷达对这 两类目标的高分辨率成像问题对于开拓成像雷达的全新应用对象与使用场景具 有重要意义。 对于自旋目标的成像问题， 论文在深入分析了目标的运动模型以及自旋运动 对散射点回波的调制特性的基础上，得到了两种解决思路： 其一，对于在成像时间内旋转过数个周期的自旋目标，可以在估计出目标自 旋转速的基础上，对目标的自旋运动分量进行消除，再利用距离多普勒的方法对 目标进行 isar 成像。基于该思路，论文首次提出了基于慢时间重采样的 isar 成像方法，在转速精确估计的条件下获得了良好的成像结果。然而，当转速估计 存在误差时，上述方法成像的结果会产生越分辨单元现象，因此论文提出基于 keystone 变换与距离-瞬时多普勒的重采样 isar 成像方法，在转速估计存在误 差的情况下，仍能获得自旋目标的清晰图像。 其二，与上述消除目标自旋分量的想法不同，由于自旋运动对目标的距离像 具有正弦调制作用，因此可以对目标的自旋分量加以利用，即对目标高分辨距离 像进行投影匹配实现自旋目标的高分辨率成像。基于该思路，论文提出了基于瞬 时 hrrp 的极坐标匹配成像方法，通过构造目标回波的时频分布瞬时切片消除 了脉内自旋运动产生的距离色散现象， 进而通过极坐标匹配的方法实现了自旋目 标成像。 然而， 当真实目标的散射点在大转角下发生遮挡和起伏等非线性效应时， 会导致回波距离像包络的局部不完整性， 从而造成上述方法成像聚集性变差和虚 假点的出现。因此论文基于空间映射的思想，应用 rbf 网络拟合发生遮挡效应 后未知的空间映射过程， 并通过 omp 算法对 rbf 网络进行学习训练， 在散射点 发生遮挡的情况下依然可以有效的反演目标图像。 上述成像方法均要求高精度的转速估计技术作为支撑。 自旋目标的窄带雷达 回波是多分量的 sfm 信号，对其频谱的周期性进行检测即可估计目标转速。基 于上述性质，论文首次定义了平均幅度和（amsf）函数对信号功率谱进行周期 摘 要 ii 检测，在较低的信噪比下取得了较高的转速估计精度。当目标同时存在机动和自 旋运动时，其窄带回波是多分量线性-正弦混合调频（lsfm）信号，对其时频相 关函数的周期进行检测即可估计目标转速。论文证明了 wigner-ville 分布的交叉 项对其相关函数的周期性没有影响，提出了基于 wigner-ville 分布相关函数的估 计方法，相比线性时频分布可以获得更好的估计效果。但是，由于自相关函数的 相位缺失性，上述方法应用于对称目标时存在估计模糊的问题。论文首次提出了 基于 stft 加权的伪 wigner-ville 变换方法分析回波的微多普勒，在拥有较高时 频分辨率的同时有效抑制了交叉项的影响。并在时频面上采用正弦 radon 变换 的方法对微多普勒参数进行估计，实现了对称目标的转速解模糊处理。 与运动目标相比， 静止目标与位于静止平台上的雷达之间不存在任何相对运 动，无法构造运动成像所需要的合成孔径。基于时空两维随机辐射场的凝视成像 是一种对静止目标成像的全新雷达体制， 其基本思想是通过构造时空两维随机的 辐射场照射静止目标， 使得雷达所接收的散射场是时不变的目标散射特性对时变 随机辐射场的空间调制， 并且雷达波束内包含的目标可辨识信息与时空两维随机 辐射场的信息丰富程度成正比变化。 由于辐射场具有时空两维随机变化的特性， 因此该方法所要求的成像处理技 术也与传统雷达不同， 需要联合利用接收到的散射场信息以及已知的时空两维随 机辐射场进行关联处理，进而重构出目标图像。论文分别分析了理想随机辐射场 与非理想随机辐射场的一阶时空非相关性与部分相关特性， 针对不同的辐射场相 关性条件提出了不同的解决方法。针对辐射场的一阶时空非相关性，论文提出了 一阶关联处理的方法，将观测样本与演算所得的辐射场进行一阶相关，当观测样 本数大于等于目标离散化单元数时即可重构目标图像。该算法简单，计算复杂度 低，并且可以实时处理。进一步针对非理想辐射场的时空部分相关性，论文基于 求解最优化问题的思路， 提出利用基寻踪的方法将关联处理的问题转换为线性规 划问题进行处理， 在同样的观测样本条件下得到了优于一阶关联处理的图像重构 效果。 关键字：自旋目标，运动成像，静止目标，凝视成像，逆合成孔径雷达，转速估 计，多分量 sfm 信号，时空两维随机辐射场，关联处理 abstract iii abstract high resolution imaging of spinning target and static target is a difficult problem to traditional static imaging radar (isar). the spinning target has a coupling of translational motion and spin motion, which leads to the sinusoidal modulation of the range and doppler of the scatters. therefore, the rd algorithm become invalid. and the static targets have no relative motion with radar, which leads to impossibility of the synthetic aperture. therefore, the research of imaging methods of these two kinds of targets is important. with analysis of the motion of spinning target, there are two ideas of the imaging methods. first, if the target rotates several rounds during the imaging, the rd algorithm can be used to achieve the isar image when the spin motion has been eliminated. the slow time re-sampling isar imaging technology is proposed with this idea. but if the estimate of rpm is error, the proposed method will fail. to solve this problem, the re-sampling isar imaging method based on keystone transform and rid is proposed, which can obtain the clear image of target with the rpm estimation error. secondly, the spin component can be used because the scatters with different spatial locations have different sinusoidal modulations of the hrrp. based on the characteristic, the instantaneous hrrp polar coordinate matching method is proposed. the intra-pulse spin motion is eliminated by the time-frequency distribution instantaneous slice of the echo. and the image is obtained by the polar coordinate matching method. considering the occlusion and undulate effects of scatters, the imaging method based on rbf network and omp algorithm is proposed. the rbf network is used to establish a space mapping of the target imaging, which converts the imaging process to the weight matrix learning problem. the omp algorithm is used to seek the parameters of the weight matrix with the minimal-norm criterion, which can correctly obtain the high resolution images of the target. all of the proposed imaging methods require high-accuracy rpm estimation. the narrowband echoes of spinning targets are multi-component sfm signals. based on the period of the power spectrum of multi-component sfm signals, the amsf is defined and used to estimate the period of the signal power spectrum. the method of abstract iv amsf can get a high rpm estimation accuracy with low snr. the narrowband echoes are multi-component lsfm signals when the motion of the target is coupling of the translational motion and the spin motion. the estimation method based on the correlation function of wigner-ville distribution is proposed, which has the best energy aggregation. but the symmetric scatters will cause the estimation ambiguity of the above method. the ambiguity-resolving process based on the sinusoidal radon transformation with the stft-pwvd is proposed. the proposed estimation methods combined with the solution of ambiguity can effectively achieve the high-accuracy rpm estimation. be different from the moving targets, the static targets have no relative motion with the radar. the synthetic aperture of moving imaging can not be constructed with this kind of targets. the staring imaging method based on the temporal-spatial stochastic radiation field is a brand new imaging method of static targets. the basic idea of the method is to construct the temporal-spatial stochastic radiation field. under this radiation field, the scattered field of are stochastic modulations of the static targets by the stochastic radiation field. this method requires correlated processing by combining the received signal and the temporal-spatial stochastic radiation field. the first-order correlated method is proposed based on the first-order noncorrelation characteristic of the ideal temporal-spatial stochastic radiation field, which is simple, low computing complexity and can be real-time processed. but the ideal temporal-spatial stochastic radiation field is hard to be achieved in reality. according to this problem, the correlated processing based on the optimization problem is proposed, which uses the bp algorithm to convert the correlated problem to a linear program. this method gets better effect than the first-order correlated method under the nonideal temporal-spatial stochastic radiation field. these proposed methods can get a good image reconstruction effect respectively in ideal and nonideal temporal-spatial stochastic radiation field. keywords：spinning target, moving imaging, static target, staring imaging, isar, rpm estimation, multi-component sfm, temporal-spatial stochastic radiation field, correlated processing 图目录 viii 图目录图目录 图 1.1 从相对运动的角度对雷达成像的模式和方法进行分类 . 2 图 1.2 “礼炮七号”空间站的 isar 图像 . 3 图 1.3 复杂运动状态目标的多普勒历程 . 4 图 1.4 传统的可用于静止成像的雷达 . 6 图 1.5 毫米波焦平面雷达的成像结果 . 7 图 1.6 自旋目标成像的两种思路 . 8 图 1.7 关联处理方法的决定因素 . 9 图 1.8 论文针对研究内容所提出的成像方法与关键技术 . 10 图 2.1 自旋目标的运动模型 . 14 图 2.2 目标双轴转动的空间谱域观测示意图 . 18 图 2.3 转台 rd 成像模型 . 19 图 2.4 重采样原理示意图 . 22 图 2.5 慢时间重采样成像处理流程图 . 24 图 2.6 目标的运动模型及散射点模型 . 25 图 2.7 重采样前后的回波一维距离像 . 25 图 2.8 重采样前后最小熵包络对齐的结果 . 26 图 2.9 重采样前后成像结果对比 . 26 图 2.10 转速估计误差导致散射点的越分辨单元走动 . 27 图 2.11 转速估计误差对重采样成像的影响 . 29 图 2.12 2-d 数据的 keystone 变换 . 30 图 2.13 基于 keystone 变换的距离-瞬时多普勒重采样 isar 成像流程图 . 33 图 2.14 散射点位置坐标 . 33 图 2.15 转速估计误差 1%时的 rd 算法 . 34 图 2.16 基于 keystone 变换的 rd 算法 . 35 图 2.17 距离单元的 wigner-ville 变换 . 35 图 2.18 基于 keystone 的 rid 算法成像结果 . 35 图 2.19 不同转速估计误差下算法性能对比图 . 36 图 3.1 自旋目标三维几何模型 . 41 图 3.2 自旋目标上多个散射点位置 . 42 图 3.3 自旋目标 0 zz 平面上多个散射点直角坐标位置 . 42 图 3.4 散射点的 hrrp 序列 . 42 图目录 ix 图 3.5 自旋运动目标的一维距离像色散 . 45 图 3.6 瞬时 hrrp 示意图 . 47 图 3.7 基于瞬时 hrrp 极坐标匹配的自旋目标成像流程图 . 48 图 3.8 空间站三维结构图和 greco 软件模拟回波所成的 isar 图像 . 49 图 3.9 仿真模型 . 49 图 3.10 hrrp 的对比图 . 50 图 3.11 极坐标成像平面的对比 . 50 图 3.12 /2处的归一化幅度 . 51 图 3.13 hrrp 直角坐标成像平面 . 51 图 3.14 瞬时 hrrp 直角坐标成像平面 . 52 图 3.15 二维成像切片结果对比 . 52 图 3.16 目标空间和信号空间的离散化重排处理 . 53 图 3.17 目标的电磁仿真回波一维距离像序列 . 55 图 3.18 一般 rbf 网络的结构 . 56 图 3.19 目标的散射点位置 . 59 图 3.20 不同遮挡率下目标的回波距离像序列 . 59 图 3.21 不同遮挡率下成像结果对比图 . 60 图 3.22 误差与遮挡率关系图 . 61 图 3.23 卫星模型 . 62 图 3.24 运动模型与距离像序列 . 62 图 3.25 不同方法获得的成像结果 . 63 图 4.1 光学区自旋目标调制窄带雷达基频回波的机理 . 67 图 4.2 窄带雷达对自旋目标的探测几何模型 . 68 图 4.3 多分量 sfm 信号的频谱和功率谱 . 72 图 4.4 多分量 sfm 信号周期估计流程图 . 74 图 4.5 信号的瞬时频率和功率谱估计 . 74 图 4.6 不同采样点数的周期提取结果 . 75 图 4.7 amfs 估计的 rmse 曲线 . 75 图 4.8 单分量与多分量 lsfm 信号的瞬时相位与 wigner-ville 分布 . 78 图 4.9 目标坐标与运动模型 . 82 图 4.10 时频相关函数对比 . 82 图 4.11 wvd 自相关函数次峰坐标 . 83 图 4.12 目标坐标和运动模型 . 84 图 4.13 wigner-ville 分布的时频相关函数 . 84 图目录 x 图 4.14 radon 变换与正弦 radon 变换示意图 . 85 图 4.15 自旋目标转速估计的流程图 . 88 图 4.16 回波的多种时频分析方法对比 . 89 图 4.17 各模糊周期 n 下的 radon 平面 . 90 图 4.18 各模糊周期 n 下的 radon 面极值 . 90 图 5.1 辐射源信号模型 . 93 图 5.2 传统辐射场与随机辐射场在不同时刻t的归一化空间分布对比 . 94 图 5.3 目标散射示意图 . 96 图 5.4 目标的后向散射系数分布 . 96 图 5.5 目标散射场示意图 . 97 图 5.6 目标散射场单点接收示意图 . 97 图 5.7 关联处理示意图 . 99 图 5.8 时空两维随机辐射示意图 . 99 图 5.9 辐射源、目标与接收机的相对位置示意图 . 105 图 5.10 口面场的相关特性 . 105 图 5.11 辐射场的时空相关性（以某点为代表） . 106 图 5.12 目标区域的归一化散射系数分布图 . 106 图 5.13 不同离散单元 p 与观测样本数 q 的关联处理结果 . 107 图 5.14 p=10000 时成像质量随观测样本数 q 的变化图 . 108 图 5.15 口面场与辐射场部分相关性的关系 . 109 图 5.16 辐射源载波中心频率对辐射场空间相关性影响示意图 . 111 图 5.17 辐射源带宽对辐射场空间相关性影响（fc=1ghz） . 111 图 5.18 辐射场的时空相关性（以某点为代表） . 113 图 5.19 目标区域的归一化散射系数分布图 . 113 图 5.20 不同观测样本数下两种关联处理方法对比 . 115 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：_ 年 月 日 第 1 章 绪论 1 第第1章章 绪论绪论 1.1 研究背景和意义研究背景和意义 雷达成像（radar imaging）技术是雷达发展的一个重要里程碑，其拓展了原 始的雷达（radio detection and ranging）概念，使得雷达不仅能够对目标进行探 测、定位和跟踪，而且能够获得目标和场景的电磁散射特征信息，即可以获取目 标或场景的“雷达图像” 。与可见光以及红外等成像方式相比，成像雷达具有全 天候、全天时工作，远距离、大范围观测，抗干扰能力强等优点，因此在军事和 民用中均有重要的实用价值，受到了各国研究人员的普遍重视。由于目标与雷达 的相对运动方式的不同决定了雷达成像的基本原理与实现方法的差异， 因此如图 1.1 所示，雷达成像的模式从雷达与目标相对运动的角度主要可以分为运动成像 与静止成像两类。 其中， 运动成像包括运动雷达对静止目标的合成孔径雷达(sar)1-4成像以及 静止雷达对运动目标的逆合成孔径雷达(isar)2-7成像，它们均是利用雷达与目 标的相对运动合成等效的天线孔径，来获取横向的高分辨。以 isar 为代表的对 非合作运动目标的高分辨成像，在军事和民用方面有重要的应用价值，因此是国 内外雷达成像研究的重点之一。isar 成像的研究一直围绕着目标的运动状态而 开展，最初的研究追溯到上世纪 60 年代的转台目标成像8和 70 年代的天文成像 5， 当时的目标运动还属于合作运动； 80 年代实现了对飞机目标的 isar 成像6， 实现了一定意义上的非合作运动目标成像。进入新世纪后，复杂运动目标（非平 稳运动目标、多运动目标等）的 isar 成像成为研究的重点，此时慢转台模型和 平稳运动模型已经逐渐不满足应用的需求。 对于空间的高速目标和空中的机动目 标等非平稳运动目标， 其雷达回波体现了非平稳信号的特征， 因此分数阶 fourier 变换、时频分析、小波变换等处理非平稳信号的方法在对非平稳目标的雷达成像 中得到了广泛的应用。而对于存在游动部件的目标以及编队目标等多运动目标， 其游动部件与目标主体之间或各子目标之间回波的多普勒存在很大的差异， 因此 一般采用微多普勒分析9并结合盲源分离10-12等方法，剔除游动部件的回波或分 离各子目标的回波，再分别对其进行 isar 成像。 然而对于自旋稳定的卫星13、失控的卫星14、自旋进动的弹头15-17等空间 自旋目标来说， 其与静止雷达之间的相对运动状态是目标整体平动与自旋运动的 耦合，并且目标自旋运动带来的相对转角要远大于常规的平动目标。自旋目标的 第 1 章 绪论 2 回波距离像和多普勒均呈现明显的正弦函数调制的状态，这就会导致传统的 isar 成像方法完全失效18。 虽然目标的自旋运动给传统的距离-多普勒成像方法 带来了困难，但是从信息论的角度，目标的自旋运动实际上为成像提供了一个自 由度。因此，针对自旋目标运动的特殊性，研究其雷达成像方法，对完善复杂目 标的运动成像理论，推动雷达成像技术的实际应用具有重要意义。 静 止 目 标 雷达 运动 平 稳 运 动 目 标 非 平 稳 运 动 目 标 多 运 动 目 标 自 旋 运 动 目 标 运动成像静止成像 雷达 静止 合作 运动 非合作 运动 相对 静止 合成孔径 雷达成像 （sar） 静 止 目 标 雷达 静止 逆合成孔径雷达成像 （isar） 探索新的 成像方法 雷达成像 模式： 雷达 运动状态： 目标 运动状态： 雷达成像 方法： 相对 运动状态： 图 1.1 从相对运动的角度对雷达成像的模式和方法进行分类 运动成像必须依赖目标与雷达的相对运动， 而在雷达与目标保持相对静止的 应用场景中， 即在雷达静止状态下对静止目标的高分辨率成像则是一种更为困难 的成像方式。由于雷达与目标之间不存在相对运动，因此无法构造出高分辨率运 动成像所要求的合成孔径。 静止成像的传统方法主要是实孔径雷达 （rar） 成像， 包括单波束扫描成像、相控阵扫描成像以及焦平面成像等。实孔径雷达主要依靠 雷达实际天线（或阵列）的波束宽度来获得角分辨，由于其成像分辨率受制于天 线孔径 （透镜口径） 、 成像距离等， 需要加大天线真实孔径来提高方位向分辨率， 导致系统体积、重量过大，从而限制了其实用性。因此虽然静止成像雷达在战场 监视、微波遥感等军事和民用领域有广泛的应用前景，但是在半个世纪以来，其 发展速度要远远慢于运动成像雷达。 为了实现对相对静止目标的高分辨率成像， 一种全新的基于时空两维随机辐 射场的微波凝视雷达成像体制被提出， 其通过发射时空两维随机的辐射场与目标 第 1 章 绪论 3 相互作用， 将接收散射场的信息与辐射场作关联处理来得到静止地物目标的高分 辨雷达图像。在上述方法中，雷达所接收的散射场是时不变的目标散射特性对时 变随机辐射场的空间调制， 且雷达波束内包含的目标的可辨识空间分布信息随着 时空两维随机辐射场信息丰富程度增大而增加。因此，其成像处理技术也与传统 雷达不同， 需要联合利用接收到的散射场信息以及时空两维随机辐射场进行关联 处理，并且关联处理方法必须与辐射场的特性相匹配，才能够有效的实现目标图 像的重构。因此，针对关联处理技术的研究对于实现静止目标的高分辨率凝视成 像具有重要意义。 1.2 研究的历史和现状研究的历史和现状 1.2.1 运动成像的发展运动成像的发展 通过目标与雷达相对运动构造合成孔径实现横向高分辨的概念早在上世纪 五十年代就被提出19。1951 年，carl wiley 首次提出采用多普勒频率分析技术获 得高方位分辨力的方法， 与此同时， illinois 大学的研究小组通过独立的研究也得 出了类似的结论，并采用 x 波段雷达获取了第一张非聚焦的合成孔径雷达像。 在 1953 年于 michigan 大学召开的一次暑期研讨会上，人们更加详细地讨论了基 于距离-多普勒(rd)原理的雷达成像技术，明确了合成孔径的概念。从此，基于 运动成像的高分辨率雷达成像技术得到了世界各国的广泛关注与迅速的发展。 图 1.2 “礼炮七号”空间站的 isar 图像 以距离-多普勒技术为核心的sar解决了运动雷达对地面静止目标高分辨率 成像的问题，sar 和地面目标的相对运动关系从本质上说是一种合作运动。在 sar 技术迅速发展的同时，同样基于距离-多普勒原理，但又有其独特特点的逆 第 1 章 绪论 4 合成孔径雷达(isar)技术也得到较快地发展。与 sar 利用雷达自身运动形成合 成孔径不同， isar 是利用目标的运动来实现合成孔径的。 早在 60 年代初， willow run 实验室就开始了转台目标的成像研究8。接着，林肯实验室成功获得了近地 空间目标（可精确预测轨道）的 isar 图像5。如图 1.2 所示，上世纪 90 年代德 国 fgan 高频物理研究所使用空间跟踪和成像雷达 tira 系统成功地对前苏联 “礼炮七号”空间站进行了成像实验，并从 isar 图像中获得了空间站的几何形 状、尺寸和姿态等特征信息20。相对于已知轨道的空间目标而言，对真实的非合 作运动飞机的成像由于需要进行较复杂的