發(fā)布時(shí)間：2019-09-11 12:12

【摘要】：成像技術(shù)的出現(xiàn)是雷達(dá)發(fā)展史上的重要里程碑。成像雷達(dá)能夠全天候、全時(shí)段工作,并可穿透植被、衣服、地表等遮擋物觀測(cè)目標(biāo),具有廣闊的應(yīng)用前景。多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)是近年來由通信領(lǐng)域引入的一種新的雷達(dá)體制,從誕生之日起就引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。它在雷達(dá)成像、目標(biāo)角度估計(jì)、反隱身目標(biāo)等方面表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。利用MIMO雷達(dá)在分辨能力方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行成像,能夠縮短積累時(shí)間,甚至可實(shí)現(xiàn)單次快拍成像,大大降低了對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的要求。它創(chuàng)新性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以克服傳統(tǒng)雷達(dá)成像方法的不足,為雷達(dá)成像提供一種新的思路。在保證成像性能的條件下,對(duì)MIMO雷達(dá)陣列進(jìn)行稀疏布置,能夠有效減少設(shè)備數(shù)量、減小信號(hào)處理負(fù)擔(dān)、提升系統(tǒng)的可靠度、提高應(yīng)用的靈活性。這些優(yōu)點(diǎn)可以進(jìn)一步凸顯MIMO雷達(dá)成像的價(jià)值,拓展其應(yīng)用空間。 本文圍繞稀布陣列MIMO雷達(dá)成像這一主題,沿著單次快拍成像和多次快拍成像兩條技術(shù)路線開展研究,對(duì)于每條技術(shù)路線又分為常規(guī)和寬角度兩種情況進(jìn)行討論。主要工作包括以下五個(gè)部分內(nèi)容： 針對(duì)稀布陣列MIMO雷達(dá)成像的基礎(chǔ)問題。第一部分總結(jié)比較了常規(guī)的陣列稀布方法的優(yōu)缺點(diǎn)。借助模糊函數(shù)研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)的分辨能力。采用拋物線擬合法計(jì)算模糊函數(shù)在橫、縱兩個(gè)方向上切割圖形的主瓣寬度,進(jìn)而推導(dǎo)出MIMO雷達(dá)分辨率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。通過對(duì)表達(dá)式的分析,討論了影響MIMO雷達(dá)二維分辨率的因素,總結(jié)得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)和陣列布置的若干準(zhǔn)則。 第二部分研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)單次快拍成像。有兩類MIMO陣列可用于二維成像,分別是收／發(fā)陣列相互平行放置和垂直放置,它們對(duì)應(yīng)的虛擬陣列是線陣和面陣。本文針對(duì)這兩類陣列提出了不同的稀布方法。對(duì)于平行放置情況,討論了兩種基于差集理論的陣列設(shè)計(jì)方法,分別適用于對(duì)布陣算法運(yùn)算量敏感與否兩種場(chǎng)合。在對(duì)運(yùn)算量敏感的場(chǎng)合,可采用借助差集理論進(jìn)行MIMO雷達(dá)快速布陣的方法,所得陣列方向圖的峰值旁瓣比優(yōu)于常用的隨機(jī)陣列；在對(duì)運(yùn)算量不敏感的場(chǎng)合,能通過一種將差集理論和遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化方法,以較快的收斂速度獲得比傳統(tǒng)遺傳算法更好的結(jié)果。對(duì)于相互垂直放置的情況,提出一種基于差基和差集理論的MIMO雷達(dá)最小冗余垂直陣列構(gòu)造方法。分析表明,所得MIMO雷達(dá)的虛擬陣列在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)能夠滿足最小冗余條件。最后給出了該方法所得陣列的冗余度極限。 第三部分研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)單次快拍寬角度成像。由于寬角度成像時(shí)可認(rèn)為目標(biāo)位于近場(chǎng),因此首先推導(dǎo)了MIMO雷達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的分界條件。接著針對(duì)目標(biāo)位于近場(chǎng)的情況,經(jīng)分析后選擇最大投影方向圖代表點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(Point Spread Function,PSF),用于衡量不同稀布陣列的成像性能。然后以此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù),運(yùn)用遺傳算法對(duì)用于近場(chǎng)條件下寬角度成像的MIMO雷達(dá)陣列進(jìn)行優(yōu)化。在此過程中,提出一種“成對(duì)交叉策略”保證遺傳算法進(jìn)化過程中陣列稀疏率的恒定。 第四部分研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)多次快拍成像。采用逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)技術(shù)進(jìn)行多次快拍積累,是MIMO雷達(dá)消除因陣列稀布帶來的對(duì)成像性能影響的途徑之一。但當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)不完全匹配時(shí),會(huì)出現(xiàn)MIMO陣列的空間采樣與ISAR技術(shù)的時(shí)間采樣之間不等效現(xiàn)象。為此,研究了空時(shí)不等效對(duì)成像質(zhì)量的影響,經(jīng)過詳細(xì)推導(dǎo),得到計(jì)算成像結(jié)果中虛假目標(biāo)數(shù)量、位置的數(shù)學(xué)公式,給出了目標(biāo)與最大假目標(biāo)幅度比值的解析表達(dá),并對(duì)目標(biāo)幅度衰減情況進(jìn)行了定量分析。在此基礎(chǔ)上,對(duì)目標(biāo)上特殊點(diǎn)進(jìn)一步討論,總結(jié)了它們方位像的特點(diǎn)。若多次快拍成像時(shí)存在空時(shí)不等效,需對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向重排與插值。這就需要估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),同時(shí)距離-多普勒?qǐng)D像的橫向定標(biāo)也要以目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況作為依據(jù)。從該需求出發(fā),針對(duì)經(jīng)過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后等效為勻加速旋轉(zhuǎn)目標(biāo),提出一種初始角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度聯(lián)合估計(jì)方法。借助MIMO雷達(dá)多通道觀測(cè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),根據(jù)不同通道回波間相位差異,通過估計(jì)差異信號(hào)相位系數(shù)獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,分析了算法推導(dǎo)過程中因函數(shù)近似引起的誤差,同時(shí)對(duì)算法的分辨能力給出定量評(píng)估。 第五部分研究了稀布陣列MIMO雷達(dá)多次快拍寬角度成像。采用距離-多普勒(Range-Doppler, RD)算法成像原理直觀,步驟簡(jiǎn)潔。但它只適用于成像積累角度不大的情形,否則目標(biāo)上的散射點(diǎn)會(huì)發(fā)生越分辨單元走動(dòng)(Motion Through Resolution Cell, MTRC)。而提高雷達(dá)方位向分辨能力又要求增大成像積累角度,因此有必要研究稀布陣列MIMO雷達(dá)多次快拍寬角度成像方法。首先對(duì)MIMO雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采用ISAR技術(shù)時(shí)的信號(hào)模型進(jìn)行分析,以二次降維方式詳細(xì)討論了回波信號(hào)在波數(shù)域的分布特點(diǎn),得出兩條針對(duì)成像應(yīng)用的MIMO雷達(dá)陣列設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上提出一種可有效聚焦的極坐標(biāo)格式算法,經(jīng)過對(duì)MIMO雷達(dá)回波數(shù)據(jù)逐次漸進(jìn)降維重排,將其從四維轉(zhuǎn)換到二維。然后憑借距離向和方位向兩次一維插值,把以極坐標(biāo)格式記錄的回波采樣變換為直角坐標(biāo)下均勻分布的數(shù)據(jù)。最后通過傅里葉逆變換實(shí)現(xiàn)成像。此外,對(duì)該方法推導(dǎo)過程中引入的誤差進(jìn)行了分析,得到算法的適用條件。
【圖文】：

包括Capon、APES(Amplitude and Phase Estimation),用來估計(jì)目標(biāo)的位置和反射信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)提出一種通用似然比方法(Generalized Likelihood Ratio Test,GLRT)用以消除強(qiáng)干擾造成的虛假目標(biāo)[64]。段聶靜等通過使用確定性陣列與單次快拍并行空間采樣取代傳統(tǒng)ISAR中的非確知性合成陣列與長(zhǎng)時(shí)間多脈沖懫樣，給出了一種MIMO雷達(dá)波數(shù)成像方法。該成像方法利用發(fā)射/接收陣元的角度分集和信號(hào)分集，在單次快拍觀測(cè)期間即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)散射函數(shù)波數(shù)域二維支撐域上的有效觀測(cè)，避免了ISAR成像中對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償難題[65]。Wang等在文獻(xiàn)[66]和[67]分別提出一種基于窄帶和寬帶MIMO雷達(dá)的高分辨二維成像技術(shù)。Duan等提出一種采用MIMO雷達(dá)進(jìn)行3D成像的方法[68]。Ma和Su提出采用垂直線陣MIMO雷達(dá)進(jìn)行二維成像，避免了ISAR中復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償[69]。王懷軍等針對(duì)MIMO雷達(dá)成像，在陣列設(shè)計(jì)[7a]、相位中心誤差分析[71]、成像算法[72-75]、旁瓣抑制[76]等方面開展了一系列的研究。2010年，德國(guó)的Fraunhofer FHR搭建了MIMO雷達(dá)成像演示系統(tǒng)MIRA-CLEX。它的天線陣列長(zhǎng)2m，由16個(gè)發(fā)射陣元，14個(gè)接收陣元組成。通過合理地選擇陣元位置，最終能形成224個(gè)虛擬陣元。雷達(dá)工作在X波段，發(fā)射信號(hào)頻率9.45GHz,瞬時(shí)帶寬IGHz。系統(tǒng)外觀如圖1.2(a)所示，圖1.2(b)是其天線陣列的原理框圖[77-79]。

博士論文 稀布陣列MIMO雷達(dá)成像技術(shù)研宄上個(gè)世紀(jì)70年代末起，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Steinberg教授領(lǐng)導(dǎo)的Valley Forge研究中心，在稀布陣列雷達(dá)成像領(lǐng)域進(jìn)行了一系列開創(chuàng)性的理論研究和試驗(yàn)工作[88_92]。1979年該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了首次試驗(yàn)，懫用X波段雷達(dá)，憑借廣域分布的天線陣列進(jìn)行高角度分辨率成像，他們將這套系統(tǒng)形象地稱為無線電照相機(jī)(radio camera)[93]。近年來，不少研宄者利用稀布陣列MIMO雷達(dá)為SAR增加一個(gè)維度的分辨能力，實(shí)現(xiàn)三維成像。法國(guó) ONERA 的 DRIVE[94]以及德國(guó) Fmunhofer-FHR 的 ARTINO (見圖 1.3) 均采用了這樣的設(shè)計(jì)。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN957.52

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2534404