空間高速運動目標的超寬頻三維成像方法研究

《空間高速運動目標的超寬頻三維成像方法研究》是依託北京航空航天大學，由魏少明擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：空間高速運動目標的超寬頻三維成像方法研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：魏少明
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

三維成像可提供目標真實的外形和尺寸信息，因此建立一種簡單、可靠、高效的超寬頻雷達目標三維成像算法是解決空間目標分類和識別問題的新途徑。本項目基於目標的三維散射中心位置可通過距離、速度和相位歷程來獲得的理論研究基礎，針對現有三維成像算法對平動參數提取、平動補償與微動參數提取等方面研究的不足，利用超寬頻回波與目標平動參數、微動參數之間的對應關係，採用狀態空間理論，從超寬頻回波中高精度的估計目標平動參數，並以此為基礎實現脈內和脈間都卜勒的平動補償，而後通過散射中心微動參數的高精度估計和關聯，建立一種高精度的、通用的三維成像算法，進行空間目標識別的研究。本研究可解決目前三維成像算法效率低及適應性差的關鍵技術問題，不僅為今後的空間目標識別研究提供關鍵的形狀參數，並且為超寬頻信號處理領域的高精度參數提取提供科學依據。

結題摘要

空間目標的超寬頻三維成像可以直接測量目標實際的形狀和尺寸，從而增強對空間目標圖像的理解和對目標特徵的刻畫，並將促進空間目標雷達識別的進展。本項目圍繞空間目標的三維成像，主要研究了超寬頻高精度平動速度測量、超寬頻高精度平動補償、超寬頻微動參數高精度提取、微動參數數據關聯、基於一維距離像歷程的三維重構和超寬頻三維成像的暗室驗證等問題。 首先，針對微動參數的估計問題，提出了一種基於GTD模型和改進矩陣束的超寬頻散射中心提取算法。該方法將超寬頻條件下的目標GTD散射模型轉化為狀態空間方程，通過廣義特徵值分解獲得徑向距離的估計；通過最小二乘算法獲得類型參數和散射強度的估計。仿真結果表明，該方法在低信噪比下具有好的魯棒性，可高精度地提取目標微動距離、類型參數和散射強度等信息。 其次，針對平動參數估計和補償問題，提出了一種利用超寬頻信號通過狀態空間理論估計目標徑向速度和加速度的方法。該方法建立了高速平動目標UWB回波的狀態空間模型，利用相鄰脈衝回波的頻域互相關和二維狀態空間處理，獲得了徑向速度和加速度的精確估計。仿真和實測結果表明，在低信噪比的情況下該方法可以高精度地提取目標平動徑向速度和加速度信息，並實現高精度平動補償。 再次，針對散射中心微動徑向距離歷程的關聯問題，給出了一種相對幅度似然函式輔助的多假設跟蹤算法。仿真和實測驗證結果表明，該方法可以改善密集雜波下散射中心徑向距離歷程的跟蹤效果。 接下來，針對散射中心三維重構問題，推導了利用目標的一維距離像序列，基於序貫奇異值分解實現散射中心三維重構的方法。採用方陣的正交疊代技術，得出了一種基於序貫因式分解的三維重構方法。仿真和實測驗證結果表明，該方法具有較低的三維重構誤差。 最後，針對超寬頻三維成像的暗室驗證問題，提出了一種快速三維狀態空間超分辨算法，目的是為未知角度信息的空間目標超寬頻三維成像提供驗證的標準和依據。該方法構建了空間目標在暗室情況下的超寬頻回波信號模型；通過三維插值，獲得三個新的均勻採樣的頻域變數；之後通過三維狀態空間處理獲得散射中心的三維位置空間。仿真結果表明，該方法可以快速、高精度地提取散射中心的三維位置信息。 本研究解決了目前三維成像算法效率低及適應性差的關鍵技術問題，不僅為空間目標識別研究提供了關鍵的形狀參數，並且為超寬頻信號處理領域的高精度參數提取提供了科學依據。