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寬帶逆合成孔徑雷達高分辨成像技術/空間信息獲取與處理前沿技術叢書

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出版社:科學出版社出版時間:2022-10-01
開本: 16開 頁數: 219
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寬帶逆合成孔徑雷達高分辨成像技術/空間信息獲取與處理前沿技術叢書 版權信息

  • ISBN:9787030719300
  • 條形碼:9787030719300 ; 978-7-03-071930-0
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

寬帶逆合成孔徑雷達高分辨成像技術/空間信息獲取與處理前沿技術叢書 內容簡介

逆合成孔徑雷達是對空天目標進行探測、跟蹤、成像的重要傳感器,可獲取目標的一維、二維甚至三維圖像。隨著優(yōu)選成像雷達裝備的研制,雷達成像也面臨高載頻、大帶寬、目標遠距離、非合作帶來的一系列挑戰(zhàn),亟須研究和探索與之相適應的高分辨成像算法和技術。本書重點闡述研究團隊在逆合成孔徑雷達精細化成像與多維度成像方面取得的近期新研究成果,針對高分辨一維成像和補償、精細化運動補償、二維圖像重構、雙波段寬帶合成、三維成像等技術進行詳細討論和介紹,同時歸納整理國內外相關領域的發(fā)展現狀。本書可作為信息與通信工程、電子科學與技術、雷達工程等專業(yè)研究生的參考用書,也可供雷達信號處理、目標識別等相關領域科研和工程技術人員閱讀。

寬帶逆合成孔徑雷達高分辨成像技術/空間信息獲取與處理前沿技術叢書 目錄

目錄
“空間信息獲取與處理前沿技術叢書”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國內外典型ISAR成像系統(tǒng)發(fā)展脈絡 2
1.3 ISAR高分辨成像典型應用 9
1.4 ISAR成像基本原理 12
1.4.1 RD成像算法 12
1.4.2 ISAR精細成像流程 15
1.5 本書主要內容 17
參考文獻 18
第2章 高分辨一維成像與脈內補償技術 20
2.1 雷達目標回波脈沖壓縮技術 21
2.1.1 去斜接收模式下回波脈沖壓縮 22
2.1.2 中頻直接采樣模式下回波脈沖壓縮 25
2.1.3 數字去斜模式下回波脈沖壓縮 26
2.2 DIFS回波的系統(tǒng)失真分析及補償 26
2.2.1 DIFS信號中系統(tǒng)失真因素分析 26
2.2.2 系統(tǒng)幅相失真影響分析 28
2.2.3 系統(tǒng)幅相失真補償算法 38
2.3 DIFS回波的一維距離像高速運動補償 48
2.3.1 高速運動對成像的影響 48
2.3.2 高速運動補償算法 51
2.4 本章小結 54
參考文獻 54
第3章 ISAR成像精細化運動補償技術 56
3.1 基于數字去斜的ISAR成像平動補償 56
3.1.1 基于目標徑向運動軌跡擬合的亞距離單元包絡對齊 56
3.1.2 相參多普勒質心跟蹤相位補償 63
3.2 目標高分辨ISAR成像越分辨單元走動校正技術  69
3.2.1 高分辨ISAR成像越分辨單元走動模型 70
3.2.2 基于*小熵黃金分割搜索的MTRC校正 72
3.3 機動目標ISAR成像中的非均勻轉動補償 81
3.3.1 基于非均勻轉動變換的機動目標ISAR成像新算法 81
3.3.2 機動目標ISAR成像中的剩余平動相位補償算法 92
3.4 本章小結 98
參考文獻 98
第4章 二維ISAR圖像高質量重構算法 100
4.1 基于壓縮感知的雷達成像 101
4.1.1 壓縮感知基本理 101
4.1.2 壓縮感知方位向壓縮算法 102
4.1.3 實驗與分析 104
4.2 自適應距離瞬時多普勒圖像重構 110
4.2.1 非勻速轉動目標ISAR轉臺成像模型 110
4.2.2 傳統(tǒng)RID算法成像及其不足 112
4.2.3 基于梯度能量函數的自適應RID算法成像 114
4.2.4 實驗與分析 116
4.3 基于超分辨技術的圖像重構算法 119
4.3.1 基于mnk法的成像時間段選擇 120
4.3.2 基于迭代自適應算法的高分辨成像 121
4.3.3 實驗與分析 123
4.4 本章小結 129
參考文獻 129
第5章 稀疏頻帶ISAR融合成像技術 131
5.1 稀疏頻帶融合成像基本原理 131
5.2 稀疏頻帶寬帶回波相干化處理 133
5.2.1 稀疏頻帶雷達回波相干性分析 133
5.2.2 稀疏頻帶雷達回波相干化處理算法 133
5.3 稀疏頻帶融合算法 137
5.3.1 基于AR模型的稀疏觀測信號內插 138
5.3.2 基于SL0算法的高分辨距離像重構 139
5.3.3 實驗與分析 141
5.4 本章小結 147
參考文獻 148
第6章 單雷達序列ISAR圖像三維重構算法 149
6.1 采用因式分解法進行三維重構的數學原理 149
6.1.1 ISAR圖像已完成方位向定標的情況 150
6.1.2 ISAR圖像未完成方位向定標的情況 153
6.2 三維重構算法在ISAR成像場景中的影響因素分析 155
6.2.1 ISAR成像中離散投影過程對三維重構的影響 157
6.2.2 雷達相對目標的觀測視角對三維重構的影響 164
6.2.3 面元目標模型的ISAR圖像仿真與三維重構 169
6.3 基于三維重構的序列ISAR圖像方位向定標 171
6.3.1 僅利用散射點的距離坐標信息進行方位定標 172
6.3.2 利用散射點的距離和多普勒信息進行方位定標 175
6.4 本章小結 179
參考文獻 179
第7章 多雷達干涉ISAR三維成像算法 181
7.1 干涉ISAR三維成像的信號模型 181
7.2 多雷達通道ISAR圖像配準算法 187
7.2.1 多雷達通道ISAR圖像失配來源 187
7.2.2 基于聯(lián)合平動補償的信號層ISAR圖像配準 188
7.3 基于干涉成像技術的ISAR圖像定標算法 195
7.4 仿真實驗驗證 199
7.4.1 散射點目標模型的干涉ISAR成像 200
7.4.2 面元目標模型的干涉ISAR成像 207
7.4.3 基于干涉成像結果的ISAR圖像方位向定標 211
7.5 本章小結 214
參考文獻 215
第8章 結束語 217
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寬帶逆合成孔徑雷達高分辨成像技術/空間信息獲取與處理前沿技術叢書 節(jié)選

第1章緒論 1.1引言 1957年,蘇聯(lián)斯普特尼克(Sputrnk)—號衛(wèi)星發(fā)射人軌標志著人類開始了對太空的探索。在過去的半個多世紀,特別是進人21世紀以來,人類對太空的探索逐步加速,太空逐漸成為國際戰(zhàn)略競爭的制高點。在軍事上,世界各軍事強國紛紛加快太空武器裝備的開發(fā)和應用進程,太空正在成為新的戰(zhàn)場。在民用上,世界各國發(fā)射了各種類型的衛(wèi)星,為人類提供了測繪、通信、導航、氣象等服務。目前,人類社會的政治、經濟、科技、軍事等各領域均離不開太空的支持。人類太空活動的增多造成了空間軌道的交通擁堵狀況,對空間目標的碰撞預防和再人預報尤為重要。除此之外,隨著航空技術的發(fā)展,空中目標如飛機、導彈等威力越來越大,威脅與日俱增。特別是近年來,隨著消費類無人機市場的快速發(fā)展,“黑飛”事件屢禁不止,嚴重威脅公共安全和國家安全。因此,為維護國家安全和保障人類生活需求,對空天目標的監(jiān)視識別尤為重要。 當前,對空天目標監(jiān)視識別的手段多種多樣,包括光學傳感器、雷達傳感器等。逆合成孔徑雷達(inverse synthetic aperture radar,ISAR)通過發(fā)射寬帶信號實現距離高分辨,利用目標與雷達之間的相對運動實現方位高分辨,可以獲取目標的一維高分辨距離像(high resolution range profile,HRRP)和二維高分辨ISAR圖像,并用于目標特性分析。在空天目標監(jiān)視中,HRRP和ISAR圖像信息對于遠距離非合作目標如衛(wèi)星、導彈、飛機等的偵察、識別非常重要。除此之外,ISAR圖像還可以對空間在軌運行衛(wèi)星的受損情況和姿態(tài)進行分析。因此,ISAR成像技術在空天目標的監(jiān)視識別方面具有不可替代的作用。 近年來,隨著雷達技術的發(fā)展,信號處理、計算機及大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展,空天目標探測雷達的載頻和帶寬不斷增大。帶寬增大帶來的*大好處是能夠大大提高成像分辨率,從而實現對目標的高清晰成像,獲取目標更為豐富的結構信息,進而可以更好地對目標進行結構特征提取和識別。例如,美國曾經利用羅姆航空發(fā)展中心研制的弗洛伊德高分辨雷達,從翼展很長的太陽能電池板形成的散射中心提取到小于1m的目標結構信息,從而正確地判斷出太陽能電池板的張合狀態(tài),其結果是兩次發(fā)現了阿波羅飛船和空間實驗站的太陽能電池板的故障。 然而,雷達載頻和帶寬的提高在提供目標更為豐富細節(jié)的同時,給ISAR成像系統(tǒng)和算法帶來諸多挑戰(zhàn):①雷達發(fā)射信號載頻越高、帶寬越大,雷達系統(tǒng)失真、目標高速運動等因素對空間目標高分辨一維距離像的質量影響變得越顯著,從而影響ISAR成像質量;②隨著分辨率的提高,目標在成像積累過程中的越分辨單兀走動(migration through resolution cell,MTRC)不可忽略,米用傳統(tǒng)ISAR成像算法將導致目標圖像的嚴重散焦;③雷達帶寬的增大,還會對目標ISAR成像中的距離對準、相位補償及圖像重構等技術帶來特殊的問題,應用傳統(tǒng)ISAR成像算法很難獲得令人滿意的成像效果。此外,隨著高速采樣和存儲技術的發(fā)展,對寬帶中頻回波信號進行直接數字采樣已成為可能。相對于傳統(tǒng)的模擬去斜采樣方式,直接采樣數據能夠更為完整地保留雷達系統(tǒng)特性和目標運動特性,為實現系統(tǒng)失真補償和復雜運動目標成像帶來優(yōu)勢。然而,大帶寬雷達中頻直接采樣數據帶來的數據量激增,將對高效實現空間目標高分辨成像帶來巨大壓力。此外,空天目標正朝著低成本方向發(fā)展,目標的小型化乃至微型化趨勢不可逆轉,此類微小空天目標給監(jiān)視識別技術帶來了極大的挑戰(zhàn)。微小衛(wèi)星和無人機尺寸一般為幾十厘米,對空天微小目標的監(jiān)視識別的迫切需求給雷達圖像分辨率提出了更高要求,促使人們研究精細成像算法和多維度成像算法,以滿足日益增長的對目標的精細觀察和識別分類等的要求。 1.2國內外典型ISAR成像系統(tǒng)發(fā)展脈絡 1951年6月,美國Goodyear飛機公司的Wiley首次提出可以通過多普勒分析實現方位高分辨。1953年,美國密歇根大學召開的美國軍方的暑期研討會提出了“合成孔徑”的概念,促成了對距離多普勒(rangeDoppler,RD)算法的深人研究。1957年,美國密歇根大學研制出**部合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR),并于同年8月得到**幅聚焦SAR圖像。20世紀70年代,SAR開始廣泛用于軍事領域和民用領域。 ISAR是由SAR發(fā)展而來的,兩者均利用目標與雷達之間的相對運動形成的合成孔徑,實現方位高分辨。不同的是,SAR—般指雷達運動而目標不動,ISAR通常指雷達不動而目標運動。ISAR的成像目標一般為艦船、飛機、導彈、衛(wèi)星等非合作目標。由于觀測目標的非合作性,ISAR技術的發(fā)展較SAR相對緩慢。隨著20世紀50年代ISAR成像技術的首次提出,國內外學者在ISAR成像雷達研制方面開展了卓有成效的工作。60年代初,美國密歇根大學的Brown等開展了對旋轉目標成像的研究,研制出對空間軌道目標成像的雷達,邁出了ISAR成像系統(tǒng)發(fā)展中關鍵的**步。70年代初,美國林肯實驗室首先獲得了高質量近地空間目標的ISAR圖像,盡管其使用的美國國防部高級研究計劃署(Advanced Research ProjectsAgency,ARPA)與林肯實驗室簽訂建造的C波段觀測雷達(APRA-Lincoln C-bandobservables radar,ALCOR)不是成像雷達,但是通過相干數據記錄和ISAR成像技術處理,獲得了50cm的有效分辨率。70年代末,林肯實驗室建成的干草堆遠距離成像雷達(Haystack long-range ima ing radar,HLRIR),分辨率可達0.24m,*遠可對40000km處的空間目標進行跟蹤成像,是**部具有實用價值的空間目標高分辨ISAR成像系統(tǒng)。 國外**部獲得空間目標圖像的寬帶雷達是ALCOR。ALCOR外觀及其內部天線構造分別如圖1.1(a)和(b)所示,其載頻為5.672GHz,寬帶帶寬為512MHz,距離分辨率達0.5m。 圖1.1ALCOR外觀及其內部天線構造 ALCOR對空間目標成像的成功,極大地促進了地基ISAR系統(tǒng)的發(fā)展,歐美等相繼研制成功了多套高分辨ISAR成像雷達系統(tǒng),其中以美國的夸賈林導彈靶場、林肯實驗室雷達實驗場區(qū)和德國弗勞恩霍夫高頻物理與雷達技術研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques,FHR)部署和擁有的多部地基目標特性探測雷達*具代表性。 1952年2月,美國陸軍在夸賈林島建立了夸賈林導彈靶場。位于該靶場的基爾南再人測量站(Kiernan Reentry Measurement Site,KREMS)于1959年建立,主要用于對太平洋靶場電磁信號的研究。KREMS是美國*先進的寬帶雷達探測中心,由林肯實驗室代表美國陸軍彈道導彈防御系統(tǒng)司令部進行維護和操作,部署了多部目標特性測量雷達系統(tǒng),包括ARPA遠程跟蹤和測量雷達(ARPA long-range tracking and instrumentation radar,ALTAIR)、目標分辨與識別實驗(Target Resolution and Discrimination Experiment,TRADEX)雷達、毫米波(millimeter wave,MMW)雷達等,見圖1.2[1]。 圖1.2KREMS基地部署的高分辨成像雷達 ALTAIR工作波段為甚高頻(very high frequency,VHF)和特高頻(ultra high frequency,UHF)。ALTAIR于1965年開始研制,1969年開始安裝在KREMS基地,該雷達具有口徑大、靈敏度高、跟蹤距離遠等特點。ALTAIR自1970年投人運行后進行了多次技術改造,除了執(zhí)行常規(guī)的深空和近地空間目標的探測與跟蹤任務,主要用于為ALCOR、TRADEX雷達、MMW雷達等窄波束寬帶成像雷達提供重要的跟蹤數據,為其提供目標軌道預測等保障。 1972年,林肯實驗室將位于KREMS基地的TRADEX雷達由UHF波段改造成S波段。TRADEX雷達是林肯實驗室的第二部寬帶成像雷達系統(tǒng),通過發(fā)射步進頻信號獲取高距離向高分辨,信號綜合帶寬為250MHz,能達到的理論分辨率為0.6m。20世紀90年代,林肯實驗室再次對TRADEX雷達進行了升級改造,大大提高了雷達的目標探測識別能力。 在林肯實驗室的建議下,美國分別于1983年和1985年在KREMS基地建成了兩部MMW雷達,如圖1.2(c)所示。這兩部雷達分別工作在Ka波段(35GHz)和W波段(95.48GHz),初始帶寬均為1GHz,徑向分辨率為28cm。MMW雷達大大擴展了ALCOR的跟蹤和成像能力,可對彈道導彈目標進行實時成像,并能精確估計出真假彈頭因目標質量不平衡導致的運動差異。20世紀80年代末,林肯實驗室將Ka波段MMW雷達的帶寬提升至2GHz,距離分辨率達0.12m,極大地提高了該雷達對空間弱小目標的成像能力,從而使其具備跟蹤太空垃圾和空間碎片的能力。 除KREMS基地外,距離林肯實驗室32km的雷達實驗場是美國另一主要用于空間目標探測和彈道目標監(jiān)視的地基雷達外場。美國軍方在該雷達實驗場建造和部署了多部寬帶測量雷達,組成了著名的林肯空間監(jiān)視組合體(Lincoln space surveillance complex,LSSC)。LSSC主要包括Millstone Hill雷達、HLRIR、Haystack輔助(Haystack auxiliary,HAX)雷達和Firepond激光雷達4部大型雷達[2],其中HLRIR是**部具有實用價值的空間目標高分辨成像雷達系統(tǒng)。 HLRIR由林肯實驗室在Haystack雷達基礎上改造而成[3]。HLRIR工作在X波段,脈沖重復頻率(pulse repetition frequency,PRF)高達1200Hz,能夠消除目標快速旋轉帶來的多普勒模糊。1993年,在HLRIR附近,林肯實驗室又建成HAX雷達。HLRIR和HAX雷達外觀如圖1.3所示。HAX雷達工作在Ku波段,是繼升級完的Ka波段MMW雷達后又一部帶寬達到2GHz的ISAR成像雷達,距離分辨率達0.12m。與HLRIR相比,HAX雷達能獲取更加精細、質量更高的衛(wèi)星圖像,并可為美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)提供有效的空間碎片信息。 為進一步提高衛(wèi)星等空間目標的成像分辨率,自2010年5月開始,林肯實驗室再次著手對HAX雷達進行升級改造,增加了一個92~100GHz的高功率毫米波天線[4]。升級后的雷達稱為Haystack超寬帶衛(wèi)星成像雷達(Haystack ultra-wideband satellite imaging radar,HUSIR)。HUSIR同時工作在X波段和W波段,并且共用同一個天線。公開的資料顯示,HUSIR是目前世界上距離分辨率*高的地面監(jiān)視雷達,距離分辨率可達0.0187m。 除了上述幾部具有代表性的空間監(jiān)測雷達,美國利用其技術和資金上的優(yōu)勢,在美國本土及其以外的多個雷達基地部署了多套目標特性測量和成像雷達,如部署在挪威和美國本土的GLOBUS-II雷達、部署在英國的X波段雷達(X-band radar,XBR)、部署在美國本土的AN/FPS-85相控陣雷達等。這些雷達構成了美國空間目標探測地基雷達網絡,為其開展空間目標探測與識別提供了有力的技術支撐。 圖1.3HLRIR和HAX雷達外觀 德國FHR對空間目標跟蹤和成像雷達的研制同樣引人注目。德國FHR擁有的空間目標跟蹤和成像雷達(tracking and imagi

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