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1、国防科学技术大学 博士学位论文 基于窄带信息的弹道中段目标特性反演技术研究 姓名：丁小峰 申请学位级别：博士 专业：信息与通信工程 指导教师：肖怀铁；黎湘 2011-05 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 i 页 摘 要 论文以窄带雷达弹道中段目标的特性反演与识别为背景，重点研究基于窄带 RCS 序列的目标特性反演、基于窄带回波时频变换域的目标成像反演以及基于窄 带回波的目标二维层析成像基础理论。论文主要研究内容概括如下： 第二章建立了中段目标的静/动态电磁散射模型， 是论文开展后续研究的基础。 首先，分析了目标光学区电磁散射机理，阐述了中段目标雷达散射截面与目标几 何结构、雷达视线角
2、度等因素的关系；然后，参照典型中段目标参数建立了四类 弹头类目标计算机模型， 并采用 GRECO 电磁计算软件计算了目标模型的全方位电 磁散射数据；最后，分别推导讨论了包含不同类型(固定型、边缘型)散射中心的中 段目标在自旋、进动以及自旋/进动耦合情况下雷达回波电磁散射特性和多普勒调 制特征，明确了中段目标反演算法应用范围和适用条件。 第三章研究基于窄带 RCS 序列的中段目标特性(几何、运动特性)反演技术。 首先，建立并分析了几何参数不同的锥体目标与等效球体目标 RCS 的映射关系， 在此基础上，提出了基于锥球体映射模型的中段目标尺寸反演算法，并给出尺寸 反演结果的误差补偿模型；之后，提出了
3、基于变区间分组检验的中段目标进动周 期反演算法。与传统的频谱分析、自相关函数等算法相比，该算法有效地克服了 虚假周期的问题。最后，利用电磁计算和暗室测量的弹头数据，对本章所提算法 进行了验证。 第四章研究基于窄带回波时频变换域的中段目标成像反演技术。结合弹道中 段目标特有的运动形态，提出了一种基于时频重排理论和广义 Radon 变换的中段 目标的窄带雷达成像算法，从新的角度实现中段目标的窄带二维成像反演。首先 利用时频重排理论， 提高了窄带回波时频图谱的可读性； 然后， 采用广义 Radon 变 换提取进动目标窄带回波的时频多普勒曲线参数，推导了时频多普勒曲线参数到 成像平面坐标的映射方程；实
4、现了散射中心位置在图像域内的重建。最后，利用 暗室测量的电磁数据验证本章方法的正确性。 第五章研究基于窄带回波的中段目标层析成像理论。本章以层析成像理论为 研究核心，首先分析了雷达目标层析成像算法的数学原理；之后，完整推导了任 意频段、任意带宽、任意相干积累角度时，层析成像算法的二维分辨性能理论表 达式，并将传统的 ISAR 成像理论纳入层析成像理论框架中；在此基础上论述了基 于线性调频体制的雷达目标层析成像的信号处理流程，并基于仿真数据和暗室测 量数据给出了基于层析成像算法的中段目标窄带雷达成像结果。 第六章研究基于图像分解的超分辨层析成像理论。本章问题是第五章的深入 与拓展。广义层面，本章
5、研究内容揭示了雷达成像问题的电磁机理，提出了反映 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 ii 页 雷达成像本质的基于图像分解的超分辨层析成像算法；狭义层面，本章研究内容 为获得中段目标高分辨窄带雷达成像奠定理论基础。首先，讨论了由于层析成像 点扩展函数的方向异性导致的目标散射中心的混叠、成像分辨性能降低的现象； 其次，深入的分析了成像过程的目标散射函数与雷达电磁波作用机理，定义了雷 达成像基函数矩阵和雷达成像特征方程的新概念，并提出了基于图像分解理论的 超分辨成像算法；再次，给出了雷达成像特征方程秩亏欠、高斯白噪声条件下的 超分辨成像改进方法和性能分析；最后，利用仿真试验验证本章算法的正确
6、性。 第七章研究中段目标窄带雷达成像的平动补偿问题。平动补偿是实现雷达目 标窄带成像的前提。本章首先阐述了中段目标平动引起的散射中心层析成像结果 的弧形能量扩散现象，推导了窄带成像算法对平动补偿算法的精度要求；在此基 础上，提出了基于脉内多普勒精细估计的平动补偿算法，该算法通过精确估计目 标在脉冲内的多普勒分量，重建目标的真实相位历程；利用在雷达回波真实相位 域的平动参数的精确估计实现对窄带雷达回波的平动补偿；最后，利用暗室测量 数据验证了算法的有效性。 关键词：弹道导弹防御；窄带雷达；中段目标；层析成像；超分辨成像；图像分 解；时频分布；平动补偿 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 i
7、ii 页 Abstract This paper aims at analyzing the recognition and inversion ability of the mid-course targets from the narrowband radar observations. We deeply study some key technologies/subjects in this dissertation, including the inversion algorithm from the narrowband radar cross section (RCS), the
8、 imaging inversion algorithm from the high-resolution time-frequency spectrum of the narrowband radar signal and the tomography imaging method based on the narrowband signal. The main contributions of this dissertation are given as follows: In Chapter 2, the static and dynamic electromagnetic scatte
9、ring models of mid-course targets are established and the background knowledge of the mid-course targets inversion is introduced. Firstly, we analyze the electromagnetic scattering mechanism of the targets in the optical region, and also elaborate the relationship between the radar cross section and
10、 the target physical character and radar geometry. Then we establish the warhead model with the computer-aided design (CAD) software and calculate the electromagnetic scattering data from the return signal of the all aspects of the static targets. Finally, we deduce the Doppler modulation of the spi
11、nning targets, precessional targets and the targets with both the spinning and precessional motion and confirm the application condition of the inversion method for the mid-course targets. In Chapter 3, the inversion method of the mid-course targets based on the narrowband RCS is discussed. Firstly,
12、 a cone-sphere mapping model method is proposed to inverse the length of the mid-course targets and the compensation model of the inversion result is also given. Secondly, the statistic and periodic characteristic of the RCS sequence are analyzed and a new method of estimating the precession cycle b
13、ased on nonparametric statistics theory is presented. The method can solve the false period problem effectively by accumulating the results of the variation interval Kruskal-Wallis test. Finally, the simulation results verify the theoretical results. In Chapter 4, the inversion method from the trans
14、formation domain of the narrowband signal is studied. In this Chapter, we propose a new narrowband radar imaging method for the precession cone-shaped targets. The method acquires the Doppler modulation of the precession targets scattering centers with high resolution time-frequency analysis method
15、and extracts the Doppler parameter from the result of the time-frequency analysis with general Radon transform, then reconstructs the scattering centers position in the parameter domain. The experiment results of the anechoic chamber data show the effectiveness of the method. In Chapter 5, a radar i
16、maging theory based on tomography is studied. We concentrate on establishing the resolution system of this radar imaging theory and applying the tomography for the narrowband imaging of the mid-course targets. Firstly, 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 iv 页 the mathematical principle of the tomographic imaging is demonstrated, and then the analysis of resolution performance based on point spread function (PSF) has been deduced for arbitrary imaging parameters. As a result, the
