空间高速运动目标的超宽带三维成像方法研究

Three-dimensional (3-D) images can provide the information of the target’s size and shape. So an accurate and simple UWB radar 3-D imaging algorithm is a novel method to identify and classify the space targets. This program is based on the theory research that the location of the target’s scatter center can be acknowledged by the range, range-rate and phase. Conventional 3-D imaging algorithm is insufficient to extract translational and micro-motion parameter and hard to carry out translational compensation. To solve this difficulty, a novel high-resolution 3-D imaging algorithm is developed. The algorithm firstly estimates the target’s translational parameter with high resolution by using the relation between the UWB radar echo and the target’s translational and micro-motion parameter based on state-space theory. Then, the translational compensation of intra-pulse and inter-pulse doppler can be realized. Finally, it reconstructs the targets shape by estimating the scatter centers parameters and associating the scatter centers. The low efficiency and poor adaptability have strictly constrained conventional 3-D algorithms. This research can resolve this difficulty and provide key shape parameter for the identification of the space targets. It can also be a scientific basis for parameter extraction in UWB radar signal process field.

三维成像可提供目标真实的外形和尺寸信息，因此建立一种简单、可靠、高效的超宽带雷达目标三维成像算法是解决空间目标分类和识别问题的新途径。本项目基于目标的三维散射中心位置可通过距离、速度和相位历程来获得的理论研究基础，针对现有三维成像算法对平动参数提取、平动补偿与微动参数提取等方面研究的不足，利用超宽带回波与目标平动参数、微动参数之间的对应关系，采用状态空间理论，从超宽带回波中高精度的估计目标平动参数，并以此为基础实现脉内和脉间多普勒的平动补偿，而后通过散射中心微动参数的高精度估计和关联，建立一种高精度的、通用的三维成像算法，进行空间目标识别的研究。本研究可解决目前三维成像算法效率低及适应性差的关键技术问题，不仅为今后的空间目标识别研究提供关键的形状参数，并且为超宽带信号处理领域的高精度参数提取提供科学依据。

空间目标的超宽带三维成像可以直接测量目标实际的形状和尺寸，从而增强对空间目标图像的理解和对目标特征的刻画，并将促进空间目标雷达识别的进展。本项目围绕空间目标的三维成像，主要研究了超宽带高精度平动速度测量、超宽带高精度平动补偿、超宽带微动参数高精度提取、微动参数数据关联、基于一维距离像历程的三维重构和超宽带三维成像的暗室验证等问题。.首先，针对微动参数的估计问题，提出了一种基于GTD模型和改进矩阵束的超宽带散射中心提取算法。该方法将超宽带条件下的目标GTD散射模型转化为状态空间方程，通过广义特征值分解获得径向距离的估计；通过最小二乘算法获得类型参数和散射强度的估计。仿真结果表明，该方法在低信噪比下具有好的鲁棒性，可高精度地提取目标微动距离、类型参数和散射强度等信息。.其次，针对平动参数估计和补偿问题，提出了一种利用超宽带信号通过状态空间理论估计目标径向速度和加速度的方法。该方法建立了高速平动目标UWB回波的状态空间模型，利用相邻脉冲回波的频域互相关和二维状态空间处理，获得了径向速度和加速度的精确估计。仿真和实测结果表明，在低信噪比的情况下该方法可以高精度地提取目标平动径向速度和加速度信息，并实现高精度平动补偿。.再次，针对散射中心微动径向距离历程的关联问题，给出了一种相对幅度似然函数辅助的多假设跟踪算法。仿真和实测验证结果表明，该方法可以改善密集杂波下散射中心径向距离历程的跟踪效果。.接下来，针对散射中心三维重构问题，推导了利用目标的一维距离像序列，基于序贯奇异值分解实现散射中心三维重构的方法。采用方阵的正交迭代技术，得出了一种基于序贯因式分解的三维重构方法。仿真和实测验证结果表明，该方法具有较低的三维重构误差。.最后，针对超宽带三维成像的暗室验证问题，提出了一种快速三维状态空间超分辨算法，目的是为未知角度信息的空间目标超宽带三维成像提供验证的标准和依据。该方法构建了空间目标在暗室情况下的超宽带回波信号模型；通过三维插值，获得三个新的均匀采样的频域变量；之后通过三维状态空间处理获得散射中心的三维位置空间。仿真结果表明，该方法可以快速、高精度地提取散射中心的三维位置信息。.本研究解决了目前三维成像算法效率低及适应性差的关键技术问题，不仅为空间目标识别研究提供了关键的形状参数，并且为超宽带信号处理领域的高精度参数提取提供了科学依据。