摘要
弹道目标识别是弹道导弹防御系统的关键技术，而雷达作为弹道导弹防御系统中的核心设备，在弹道目标识别中发挥着不可替代的作用。面对诱饵与弹头的外形和电磁特性等方面一致性越来越高的情况，基于三维姿态特征的识别方法成为弹道目标识别领域的一个研究热点。弹道目标的三维姿态反映了不同类型目标在中段飞行中的受控程度，其三维姿态参数中包含了目标的微动信息，可以作为弹道目标识别和拦截的依据。因此，弹道目标的三维姿态参数估计问题具有重要的研究意义。本论文主要围绕弹道目标三维姿态参数估计问题展开研究，分别基于HRRP序列和微多普勒研究了三维姿态参数估计中存在的问题，主要工作概括如下: 1、研究了基于宽带回波的目标散射中心高精度径向距离估计的问题。首先建立了适合弹道目标宽带回波的短时相参积累模型，分析了离格误差对高精度距离估计的影响。随后提出了基于二维求根稀疏贝叶斯学习方法的高精度距离估计方法，将短时相参积累字典中的网格位置作为可变参数，联合稀疏贝叶斯学习和多项式求根方法消除离格误差，迭代估计散射中心的后向散射系数和径向距离。仿真实验表明本章算法可以在低信噪比条件下获得散射中心的高精度距离。 2、研究了钝头倒角锥目标的三维姿态参数估计问题。首先根据电磁散射特性将弹道目标的散射中心划分为稳定散射中心和滑动散射中心，研究了两种散射中心在微动条件下的径向距离的变化，并结合电磁仿真数据进行验证。随后，针对存在球冠和倒角结构的弹头目标建立了一种更加精细的钝头倒角锥模型，将球冠和倒角处的散射中心建模为位置随雷达视线角变化的徙动散射中心，重新建立了微动方程，并通过电磁仿真数据验证了模型的正确性。最后提出一种基于高分辨距离像序列的钝头倒角锥目标三维姿态参数估计方法，该方法先是基于球冠和倒角散射中心的径向距离微动方程构造优化函数，随后通过非线性优化方法求解目标的三维姿态参数。 3、研究了基于多站HRRP序列的弹道目标三维姿态参数估计问题。首先分别建立了稳定散射中心和滑动散射中心的多站观测模型，随后提出了一种基于“先重构再关联”策略的多站三维姿态参数估计方法。在重构部分中，从雷达网每部雷达的宽带回波当中提取径向距离数据，并通过卡尔曼滤波和最近邻关联方法完成单站散射中心的关联，接着基于刚体的几何不变性，通过因式分解的方法估计目标有偏差的散射中心坐标和雷达LOS单位矢量。在关联部分中，通过重构的散射中心坐标对多站数据进行关联，并利用关联后的雷达视线与真实雷达视线之间的关系消除散射中心坐标的偏差，获得散射中心在雷达坐标系中的三维坐标，并估计目标三维姿态参数。仿真实验表明本章算法在微动模型失配的条件下仍然可以正确估计目标三维姿态参数。 4、研究了基于微多普勒的弹道目标三维姿态参数估计问题。首先分析了几种常见弹头模型的微多普勒特性，给出了弹头目标微多普勒变化的一般形式。随后通过时变自回归模型对弹道目标的窄带回波进行建模，基于模型系数的稀疏性，给出一种稀疏贝叶斯学习快速算法来求解模型系数并估计微多普勒频率，该快速算法避免了矩阵求逆，从而大大提高了在低信噪比条件下的计算速度。接着提出一种基于频率-频率变化率平面的微多普勒频率关联算法。该算法利用不同散射中心的频率-频率变化率曲线不相交的性质，通过时变自回归模型系数获得散射中心的频率和频率变化率曲线，并在频率-频率变化率平面完成散射中心的关联。最后结合弹道信息和不同散射中心的微多普勒频率变化估计弹头目标的三维姿态参数。
NETL