摘要
随着世界强国太空竞赛日趋激烈化，各国的探测器发射活动更加频繁，这导致空间碎片充斥近地轨道并严重威胁航天器与宇航员的安全，空间碎片编目、监视、成像受到各国的广泛重视。同时，自由段弹头和诱饵目标具有高速旋转、进动和章动等特性，如何对导弹目标进行有效监视与识别在我国导弹预警与防空反导中具有迫切的需求。逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)具有全天时、全天候、远作用距离和高分辨率等优势，它是一种有效的空间态势感知手段。空间碎片与弹道目标的高速非平稳运动将导致其雷达回波存在严重的越距离单元徙动现象，并且存在回波数据缺失、目标遮挡和强噪声等复杂观测条件，这将导致常规的ISAR成像算法很难获得聚焦良好的成像结果，亟需研究高速旋转目标二维与三维高分辨率成像新方法。本文以国际上ISAR系统及信号处理技术的发展趋势为指引，结合国内空间态势感知领域的应用需求，在“十三五”预研课题、国家“863”课题和横向课题等项目的资助下，对高速旋转目标的二维高分辨率成像、三维高分辨率成像和基于稀疏频带融合的高分辨率成像等关键问题进行深入研究。本文的具体研究内容可划分为以下六个部分： 1.首先介绍ISAR成像转台模型和基本成像原理，阐述如何利用平动补偿技术将目标复杂运动补偿为等效的理想转台模型，并且分析图像的距离向分辨率和方位向分辨率。然后讨论高速旋转目标成像的难点并阐明解决思路。由于ISAR成像距离向分辨率与雷达带宽成反比，接下来介绍频带稀疏情况下如何实现相干合成，以达到提高成像分辨率的目的，为后续内容的深入研究打下坚实的理论基础。 2.针对高速旋转目标的雷达回波具有较大的回波包络徙动和快变的多普勒效应的难题，提出基于改进遗传算法的高速旋转目标二维成像算法。首先建立高速旋转目标成像的几何模型和信号模型，然后将复杂的成像问题转化为参数化的稀疏重构问题。之后利用改进的遗传算法结合CLEAN技术提取每个强散射点的包络。通过向种群中添加合适的基因提高的遗传算法的收敛速度。最后根据参数估计值生成不同时刻的距离-瞬时多普勒图像。该算法可以在方位向多普勒模糊或者回波数据缺失等复杂观测情况下获得目标聚焦良好的成像结果，而且该算法的运算效率优于现有参数化的高速旋转目标ISAR成像算法。 3.为了提高对空间碎片和弹道目标等高速旋转目标的分类与识别能力，有必要对该类目标进行三维成像，以获取比二维成像更丰富的结构信息。高速旋转目标回波存在严重越距离单元徙动，而且由于空间碎片等目标观测距离比较远，雷达脉冲重复频率较低，将导致目标回波出现严重的多普勒模糊，使得传统三维成像算法难以处理。针对上述难题，本文提出基于逆Radon变换(Inverse Radon Transform，IRT)和CLEAN技术的高速旋转目标三维成像算法。首先推导高速旋转目标三维成像原理，然后将复杂的成像问题转化为参数化的约束优化问题。根据改进的粒子群优化(Modified Particle Swarm Optimization，MPSO)算法提取强散射点高度z坐标和运动轨迹，然后提出改进的CLEAN技术逐个提取强散射点包络。MPSO算法的输出结果作为IRT的输入，用以估计散射点的x和y坐标，最后对散射点坐标进行定标处理获得三维图像。同传统三维成像算法相比，本文所提算法在自遮挡、数据缺失和方位向多普勒模糊等情况下仍然取得良好的成像结果。 4.针对基于IRT的高速旋转目标的三维成像算法中存在的散射中心数量难以估计和旋转周期值计算误差较大等问题，提出基于非参数贝叶斯模型的高速旋转目标三维成像算法。该算法结合M-CLEAN技术的MPSO算法计算各个散射点的高度值，然后建立非参数贝叶斯模型准确地估计目标旋转周期、距离向、方位向坐标和相对RCS强度。特别的，该算法采用可逆跳转马尔科夫链蒙特卡洛算法估计散射点复杂的后验概率分布，相比现有的高速旋转目标三维成像算法，所提出的算法重构精度更高，而且对低信噪比、方位向多普勒模糊和数据缺失等情况具有良好的鲁棒性。 5.针对传统的稀疏频带融合技术存在的模型简单、散射中心重构精度有限等问题，本文建立了基于目标属性散射中心模型的ISAR稀疏频带融合模型。然后推导子频带间相干相位的来源，之后根据缩放字典技术提取不同子频带信号的属性散射中心参数，相比传统方法，该方法时间复杂度更低。接下来利用稀疏表示和粒子群优化算法计算相干相位，最后提取合成后全频带信号的属性散射中心以进一步减小计算误差。 6.目前单部雷达的带宽有限，如何利用多部工作在不同频带的雷达进行稀疏频带信号融合，以提升现有ISAR设备对高速旋转目标的观测能力值得深入研究。针对不同频带雷达分布较远时，高速旋转目标的稀疏频带信号难以融合的难题，本文提出利用矩阵束算法融合不同频带的雷达信号。基于融合后的大带宽信号，采用非参数贝叶斯模型求解高速旋转目标的三维成像结果。相比传统的单频带三维ISAR成像算法，本文所提算法可以在不同频段雷达具有一定观测角度差异的条件下获得高速旋转目标的稀疏频带三维成像。
NETL