基于微动分析的空间目标高分辨三维成像技术

Space targets such as space debris, ballistic targets and rotating parts of the satellites usually possess high-speed, micro-motion with respect to inverse synthetic aperture radar (ISAR), which will generate complicated ISAR manifolds and increase the difficulties in focused imaging. On the other hand, the micro-motion provides plenty shape and motion information for high-resolution three-dimensional (3-D) imaging. Nowadays, how to perform efficient 3-D imaging and feature extraction by exploring the micro-motion of space targets have become the key techniques in the radar imaging community. Aimed at the high-speed and complex micro-motion problems in focused 3-D ISAR imaging of space targets, this project will derive and analyze the imaging model of space targets with micro-motion and study the relevant mechanisms for high-resolution 3-D imaging, and then design techniques for micro-motion analysis and feature extraction based on advanced signal processing theory. Further, this project will design high-resolution 3-D imaging and image scaling techniques of space targets based on micro-motion analysis to achieve 3-D high-resolution imaging of micro-motion space targets. The contents of this project belong to the common techniques for micro-motion detection, and possess broad application potentials in space situation awareness, space security, ballistic missile defense, and radar target recognition.

太空碎片、弹道目标和卫星的游离部件等空间目标相对于逆合成孔径雷达(ISAR)具有高速运动和微动等特性，会形成复杂的ISAR成像阵列流形，增加聚焦成像的难度。但另一方面，目标微动为高分辨三维成像提供了丰富的形状和运动信息。目前，如何有效地利用空间目标微动进行特征提取和高分辨三维成像是提高成像雷达性能的关键技术。本项目针对空间微动目标高分辨三维成像中目标高速运动、微动复杂等难题，通过成像建模和分析，探索空间微动目标高分辨三维成像的机理，进而利用先进信号处理方法研究有效的空间目标微动特征分析与提取方法，进一步基于微动分析研究空间目标高分辨三维成像方法和图像定标技术，最终实现空间微动目标的三维高分辨成像。本项目研究属于微动目标探测的共性技术，在空间态势感知、空间安全、防空反导和目标识别等领域都有广泛的应用价值。

通过对空间微动目标的三维高分辨ISAR成像，可以获得其形状、尺寸、微动参数等形态学特征与运动学特征。目前，如何有效利用空间目标微动进行特征提取与高分辨三维成像是提高成像雷达对空间目标探测与识别性能的关键技术。本项目针对基于微动分析的空间目标高分辨三维成像技术开展研究工作，主要研究内容包括：（1）空间目标微动高分辨ISAR三维成像机理分析和成像建模；（2）空间目标微动特征分析与提取；（3）空间目标高分辨三维成像；（4）空间目标图像定标等四方面。在空间目标微动高分辨ISAR三维成像建模方面，建立了自旋、进动、章动等典型微动的参数化模型，并结合对应模型建立了典型滑动散射中心的瞬时斜距模型和属性散射中心模型；针对复杂微动参数化模型不易求解等问题，建立了对微动目标观测的非参数化模型。在空间目标微动特征分析与提取方面，提出了基于稀疏时频表征的微动特征增强方法，进一步提出基于深度卷积神经网络的微动状态判别方法。在此基础上，提出基于等效雷达视线矩阵的典型微动参数估计方法。在空间目标高分辨三维成像方面，提出基于尺度变换与匹配滤波的进动锥体三维高分辨成像方法与微动参数估计方法；提出基于二维散射中心关联的复杂微动目标非参数化成像方法，进一步提出基于拉普拉斯算子的微动群目标非参数化成像方法。在空间目标图像定标方面，提出基于黎曼流形优化的缺损航迹矩阵填充方法与基于松弛约束矩阵分解的空间目标三维重构与图像定标方法。相关研究工作将为提高我国成像雷达的空间态势感知能力提供理论与技术支撑。