微波成像技术及其应用

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摘要
成像雷达是当今雷达发展的一个热点。对雷达成像的结果的研究,即雷达目标散射中心分布的研究,也是雷达目标特性建模[作的一个重要部分。如何尽可能高地改善雷达的分辨率则是雷达成像技术研究中的关键之一。本文围绕实孔径微波成像系统,在提高系统的角度分辨率、二维超分辨处理和基于强散射中心分布的RCS数据压缩等方面进行了研究。本文的主要l=作包括以‘F)L个方面:
1.完成实孔径天线二维超分辨成像实验系统一套。该实验系统使J_}j阶跃调频连续波体制,采_11=I距离、方位二维超分辨技术,可对外场全尺寸目标进行二维超分辨成像。
2.针对普通相控阵天线的特点,提出了Walsh.Hadamard相位权重方位超分辨法。I这种方法在利埘相位权重反演口径幅相分布后,再结合超分辨算法实现方位超分辨。在此基础上.提出了针对相位权重角度超分辨法的雷达目标的运动补偿方法。分析了雷达系统箨部件的不理想性对超分辨性能的影响,_L}jMonteCarlo方法对无抖动目标干¨有抖动目标在不同信噪比下的方位估计误差和方位超分辨的信噪比门限进行了仿真计算,并将结果同波束空间MUSIC方法及CramerRao限进行了比较。结果表明,在雷达的脉冲重复周期同目标的抖动相比足够小的情况F。相位权重法可以取得较好的方位分辨率和较高的测角精度。本文还将该技术戍用于905岸防相控阵雷达,在该
雷达上做了验证试验。试验结果表明,在15dB的信噪比F,方位分辨率的改善冈子可以达剑2。I
3.针对实孔径天线的特点,提山了角度权重方位超分辨法。这种方法利Hj等效口径分布等化结合超分辨算法实现方位超分辨。府Hj这种方法时只需做常规的角度扫描,通过对不同角度F接收机的输出信号进行采样,然后州口径等化方法消除大线本身幅相权重,得剑目标反射同波在一个虚拟的均匀直线阵各阵元上干涉的幅相值,再利用超分辨算法对目标的方位信息进行超分辨空间谱估计。实验结果表明,在15dB的信噪比r,采_L}j角度权重方位超分辨技术可以使方位分辨率的改善冈子达到1.8以上。本文还将该技术舀LLQ09删哨所雷达做了验证试验。试验结果表明,采Ⅲ角度权重技术可将方位分辨率由9。提高剑优丁-40。y
4.对时序测相方法的测相精度进行了改进研究,提出了混合方法修止和幅度自动平衡笛改进方法。实际测试表明,改进后的时序测相方法对所有可能的被测相传的毋人测相误筹小丁±1.5。。
松散回潮5.提山了娅J值DFT(TDFT)算法用于实现基丁二雷达目标强散射中心分布的RCS数据压缩。
并在此基础上探讨了优化分段等进一步提高数据压缩比的措施。同CLEAN法羽1矩阵求法相比。TDFT法在压缩率、重构误差与它们相当的情况r,汁算革要小得多。
关键词:微波成像,高分辨率雷达,方位超分辨,相控阵雷达,雷达日},j、¨性建模
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Abstract
Thisdissertationisfocusedonthestudyofmicrowaveimagingsystemwithrealapertureantennaanditsapplication.Significantresultsoftheworkinclude:
1Atwo-dimensionalmicrowaveimagingsysteminXbandwithsteppedfrequencysignalandrealapertureantennajsestablished.1’wo—dimensionaIsupe卜resolutionalgorithmisappliedinthissystemTheimagingsystemcanbeappliedtotheimagingofoutdoorfull—sizetarget.2.Anewangularsuperresolutiontec
hniquecalledPhaseWeightingSuperresolutionMethod(PWSM)isproposed.Themethodcombines8phaseweightingmethodandanon.1inearspectralestimationalgorithm.Itisusedinconventionalphasedarrayradmforimprovingangleresolution.ThemotioncompensationofradartargetandananalysisofinfluenceofcomponentimperfectionintherealizationofthemethodarepresentedToevaluatetheperformanceoftheproposedmethod,MonteCarlosimulationhasbeenconductedtoestimatetherootmeansquareerroroftheangleestimatesandthespatialresolutionSNRthresholdinthecasesofbothnon·fluctuatingtargetsandfluctuatingtargetsTilesimulationresults]lavebeencomparedtothoseofbeamspaceMUSICmethodandtileCramerRaolowerbound.Numericalandexperimentalresultsshowthatgoodangulal’superresolutionandJlighestimationaccuracycanbeachie
vedprovidedthattheradarpulserepetitiontimeissmaII
enoughsothattheechoescarlbeconsideredsufficientlycorrelated.ForanXbandconventionalphasedarrayradarwith139antennaelements.byusingPWSM.theattgulatresolutionisimprovedbyafactorof2whensignal—to—noiseratioequalsto15dB
3.AnewangularsuperresolutiontechniquecalledAngleWeightingSuperresolutionMethod(AWSM)isproposed.Themethodcombinesequivalentaperturenonnalizationandanon—linearspectralestimationalgorithm.Itisusedinconventionalrealapertureradarfor
improvingangleresolution.NumericalandexperimentalresultsshowthatbyusingAWSM.theangularre
solutionisimprovedbyafactorof1.8whensignal-to-noiseratio
equalsto15dBTheproposedAWSMmethodisalsoappliedinasurveillantradartypeLLQ09.Tileangularresolutionisimprovedfrom90to40
4.Basedonthecomparativestudytotheamplitudeweightedandphaseweightedtimesequence
phasemeasurementmethods,thehybridmethodisproposedWithtilecombinationofautomaticamplitudebalanceapproach,jrlthismethod,tileaccuracyofthephasemeasurenlent11asbeenimprovedsignificantly.Experimentalresultsindicarethattilemaximumphaseerrorislessthan±1.5。.
5Anewdatacompressiontechnique,calledtilethresholddiscreteFouriertranslblinf丁DFT、method,i
sproposedtoefficientlycompressthescatteredfielddatafromcomplextargets.Comparedwithtilematrixpencil(MPlmethodandCLEANmethod.itisquitesimpleandtimesavingunderthesimilarcompressionratioandreconstructionerrorlnTDFTandCLEANmethods.theoptimizedsegmentationisgivenwhichresultsinhighconlpressionratio
Keywords:Microwaveimaging,high。resolutionradar,angularsuperresolution.phasedarla,radar,electromagneticscattering,radarcrosssection(RCS)
微波成像披术发具应用
1绪论
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1.1研究背景
理论计算干¨实验狈0量均表明,在高频区,目标总的电磁散射可以认为是某些局部位置上的电磁散射的相干合成,这些局部性的散射源通常被称为等效散射中心,或简称散射中心…。获取重要军_l_lj目标的强散射中心分布,可以在一定程度上推求山目标形状、体积、姿态、外部结构等物理特征,对目标识别、引战配合、突防设计、导引头实时仿真等都有着十分重要的作用I“I【6l,对于缩减RCS的目标隐身技术和增强RCS探测能力的雷达反隐身技术也有着重要参考价值。因此,雷达目标散射中心分布的研究是雷达目标特性建模L作的一个重要部分。
微波成像技术是获取目标散射中心分布的一神手段17j。待成像的目标或景象由一台微波发射机米照射,目标或景象散射的能量由接收大线接收,经处理后得剑关r目标或景象的强散射中心分布的图象。具有微波成像功能的雷达称为成像雷达。成像雷达的出现使雷达由传统的参数测最发展到了特征测颦的新阶段。具有高的定位精度、高的分辨率和识别目标属性能力的成像雷达是能提供人莆战场情报的信息源。除了合成孔径成像雷达、逆合成孔径成像宙丛以外,机动灵活、易于部署和转移的实7L径成像雷达也越米越受剑人们的重视。实孔径成像雷达可以实现对地形、IiIil定地物和I静【r下辆等的二维成像,可以发现活动的下辆、人员,并能分辨出数龄,对车辆的类型(坦克、}乍等)进行识别。它州r战线前沿雨f敌J亓的侦察、警成,也可用作交通要道的监视和重要军事设施的防卫。同光学侦察设备相比,它具有全天候、全天时的战场侦察能力。
本论文止是在上述背景下提出的研究课题,所涉及的I:作包括实孔径二维微波成像系统的建立,方
位和距离的超分辨技术,超分辨成像算法,以及基于目标强散射中心分布的RCS数据压缩技术等。
印度支那联邦1.2国内外研究现状
目前常_l{j的微波成像技术有合成孔径雷达成像、逆合成孔径雷达成像、无线I也摄像机相J实孔径雷达成像等四种”jIMpJ。合成孔径宙达成像指的是雷达移动、被成像的F{标l州定不动的运动成像方式JlUJJlHo它州小口径天线收发宽带微波信号,通过在空问分集的办法合成一个人的天线口径.从而得到高的纵向和横向分辨率。目前国内外已有竹多实际的机载或吊裁合成孔径成像雷达系统投入使_LI』lI“(f“。它们对地面或海面进行成像观测,川丁地球资源勘探、地幽地形测绘、作物生长预测、军事侦察等等。往日标特性测域方面,也铂+人尝试利川合成孔径技术通过天线城整个系统在导轨上的移动米获得高的分辨率i”¨”i。家俬
南京理T大学博l:学位论义
逆合成孔径雷达成像指的是雷达『耐定不动、被成像的目标运动的成像方式”“,其成像原理与合成孔径雷达相似。有许多文章报道了逆合成孔径雷达对E机和船舰目标的成像结果”"qllSl,国内航天部二院23所的机场ISAR试验系统也成功实现了对E机目标的成像‘”I。在目标特性测量方面,H前有许多目标特性成像测量系统是基丁.逆台成孔径成像技术的转台成像系统口oJ【”J。国内航大207所,北航、南航等许多单佗都在这方面做出了出的成就。转台成像在RCS建模中有
许多重要应用.但也有~定局限性。由于背景和目标不是一起转动,无法区分背景干扰,因而要求暗室环境。此外.要求被测物体精确平稳转动,这对丁.尺寸较大的待测目标实现起来有一定困难,而且有些待测物(例如舰船)无法在实际环境F转动。如果采用缩比模型,住复杂涂覆情况F也有不少问题。
无线屯摄像机是指一种稀布相控阵雷达系统¨J。在该雷达中,阵列人得足以远到极高的角分辨率。国外九十年代初报导的x波段成像设备地面成像试验和E机笆行试验结果表明该技术是成功的Il…,目前正在向[程应用方向发展。国内西安电子科人的稀布阵成像也接近或达到了[程应用的阶段”“。它依靠数据的一次快拍来iI:作,也就是说,依靠由系统中每个天线接收到的单个脉冲传输来的回波[作。一般来说,它的孔径如此之大,以致结构上或电气上不稳定.因此.需要动态自校准。无线电摄像机是一种高性能的微波成像系统,它对静止或运动的目标均可实施外场全尺寸成像测量,它的缺点是系统非常复杂,造价十分昂贵。
在实孔径雷达成像方面,1974年Howard借助单脉冲体制雷达。利用天线的和波束、方位差波束和俯仰差波束的高分辨率距离像来获取目标的三维图象12”。Wehner在此基础上改瑚阶跃调频连续波体制也可实现三维成像“。在国内,北理工提出了单脉冲雷达结合距离超分辨的方法以进一步改善成像质量1”J。这种单脉冲处理目标成像方法雷达不需要方位和俯仰扫描,成像时间短。它的缺陷是无法区分相同距离、不同方位角或俯仰角的散射中心。根据文献[8]的结论这种单脉冲处理
目标成像方法尚未超出实验阶段。采J【{j人口径方位扫描的实孔径成像雷达技术较为成熟,早在=十世纪五、六十年代.前苏联的“斯纳尔.2”型8ram成像雷达就已装备部队口5I。在国内,电子科大的毫米波高炉料面成像系统也达到了I:程应弭i阶段口61。这种雷返通过收发宽带微波信号实现距离高分辨。通过人的实孔径天线实现方位离分辨。其成像方法简单,实时性好,可对近程目标进行二维或三维成像。它的士要局限是角度分辨率受犬线孔径尺寸的限制。
对目标散射中心的研究,还可采取理论计算的方法途径来获取数据。常用的RCS理论建模的高频方法有基丁-物理光学和物理绕射理论的GRECO方法““和基于弹跳射线技术(SBR)的XPACH方法口”。理论计算能提供低成本的可靠数据,也能预测干¨解释测颦数据。然而由f目标通常为屯人尺寸,且外形复杂,尤其当今隐身目标已.1}j频率散材料构成,这就使理论计算变得比较困难。因此,当今_人多数的研究。【作者大多注重实验测蛙和理论计算两者的有机结合。
1.3本论文的主要研究内容和主要贡献
本论文以总装“九五”预研项目“目标LH磁散射特性建模及其应JH技术”、“毫米波实孔
南京理T大学博{:学位论殳
逆合成孔径雷达成像指的是雷达同定不动、被成像的目标运动的成像方式”6I,其成像原理与合成孔
径雷达相似。有许多文章报道了逆合成孔径雷达对E机和船舰目标的成像结果11711181国I-q航天部二院23所的机场[SAR试验系统也成功实现了对15I机目标的成像Hgl。在目标特性测量方面,日前有许多目标特性成像测量系统是基丁.逆合成孔径成像技术的转台成像系统“”“j。国内航大207所,北航、南航等许多单位都在这方面做出了出的成就。转台成像在RCS建模中有许多重要应用,但也有~定局限性。由于二背景和目标不是一起转动,无法区分背景干扰。阏面要求暗室环境。此外,要求被测物体精确平稳转动,这对丁.尺寸较大的待测目标实现起来有一定困难,而且有些待测物(例如舰船)无法在实际环境F转动。如果采用缩比模型,在复杂涂覆情况F也有不少问题。
无线电摄像机是指一种稀布相控阵雷达系统17J。在该雷达中,阵列大得足以达到极高的角分辨率。国外九十年代初报导的x波段成像设备地面成像试验和E机弋行试验结果表明该技术是成功的Il“,目前正在向亡程应t}{j方向发展。国内西安电子科人的稀布阵成像也接近或达到了[程应用的阶段口“。它依靠数据的一次快拍来iI:作.也就是说,依靠由系统中每个天线接收到的单个脉冲传输来的回波j二作。一般来说,它的孔径如此之大,以致结构上或电气上不稳定,因此,需要动态自校准。无线电摄像机是一种高性能的微波成像系统,它对静止或运动的目标均可实施外场全尺寸成像测量.它的缺点是系统非常复杂,造价十分昂贵。
在实孔径雷达成像方面,1974年Howard借助单脉冲体制雷达,利用天线的和波束、方位差
波束和俯仰差波束的高分辨率距离像来获取目标的三维图象1231。Wehner在此基础上改Hi阶跃调频连续波体制也可实现三维成像”J。在国内,北理工提出了单脉冲雷达结合距离超分辨的方法以进一步改善成像质量mj。这种单脉冲处理目标成像方法雷达不需要方位和俯仰扫描,成像时间短。它的缺陷是无法区分相同距离、不同方位角或俯仰角的散射中心。根据文献[8]的结论这种单脉冲处理目标成像方法尚未超出实验阶段。采}{j人口径方侥扫描的实孔径成像雷达技术较为成熟,早在二十世纪五、六十年代.前苏联的“斯纳尔.2”刑8mm成像雷达就已装备部队¨”。在国内,电子科大的毫米波高炉料面成像系统也达到了I:戍I{j阶段【26l。这种雷达通过收发宽带微波信号实现距离高分辨,通过人的实孔径天线实现方位高分辨。其成像方法简单,实时性好。可对近程目标进行二维或三维成像。它的主要局限是角度分辨率受犬线孔径尺寸的限制。
对目标敬射中心的研究,还可采取理论计算的方法途径来获取数据。常用的RCS理论建模的高频方法有基丁-物理光学和物理绕射理论的GRECO方法“¨和基于弹跳射线技术(SBR)的XPACH方法“”。理论计算能提供低成本的可靠数据,也能预测雨J解释洳量数据。然而由f目标通常为电火尺寸,且外形复杂。尤其当今隐身目标已_}}3频率散材料构成.这就使理论计算变得比较困难。因此,当今大多数的研究‘I=作者人多注重实验测挝和理论计算两者的有机结合。
安永宁
1.3本论文的主要研究内容和主要贡献
本论文以总装“九五”预研项目“目标电磁散射特性建模及其麻JH技术”、“毫米波实孔
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