1、 国防科学技术大学硕士学位论文雷达成像中的非理想散射现象分析姓名：贺思三申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程指导教师：郭桂蓉20051101消 除 这种“展 布 ”效 应 ，概括出 ，四 种时频方法 处 理框图 ，并 讨 论 了 它们的适 ； ， ， 琩 甮 第 页 鸋图 高 为 祝 装 刖 段 米 的圆 锥 的成像 结 果 ， 陶 籰 各种 结 构 的时频分布 图 图 时频方 法二 维成像 框图 ， 。 。 图 时频方 法二 维成像 框图 二 图 时频方 法对 二 维成像 结 果 处 理 框图 ， 图 理 想 散 射中心 和 波 导结 构 的二 维像 图 硐 肷 渲 行 暮 筒家晃 嗬胂竦
2、腁 分布 图 甲 板 的方 向性估 计 ， 图 圆 锥 底 面边 缘 散 射 中心 的方 向性估 计 ， 重垫盛 篮生煎 韭堡 整数 盟丑 基金堑学位 论 文版权使 用授 权书本 人完全了 解 国 防科 学技 术 大学 有 关保 留、使 用学位 论 文的 规定 本 人授 权国日期： 驷 阬 耤 十 日作 者指 导 教 师 签 名： 生建 丛散射 中心 模型来描述，散 射 中心 是窖 观存 在 的，但 是对 散射 中心 特 征的描述，以 往的工作成 的，它们 并 不 满 足理想散 射 中 心 模型。 模型和实 际 的差 异 使得雷 达成 像 变 得模糊 ，增 加了 特 把 握取 的难 度。 而
3、且 随着雷 达性 能 的提 高 ，成 像 角 度越来越大 ，带宽越来越宽，这 种非 理想点 散射 的影 响也 越来越明显。 在 分 析雷 达二维像 数 据时，必 须从 实际 出 发 ，把 各 种非 理想点 散 射 考 虑 进 来，才 能 从 雷 达高 分 辨图 像 中 提 取 出 更多 、更精 确 、更本 质 的信 息。本 文主 要研 究光学 区 雷 达目 标的模型失 配 问题 。 首 先分 析了 模型失 配 的类 型及 其在 二向 分 辨率 受 成 像 带宽和成 像 角 范罔 确 定 。 目前 ，对 雷 达日标二维成 像 研 究的热 点 之 一足高分 辨成 像 算 法 。 具 体 算 法 根
4、 多 ，大 致 分 为 基 于 信 号模型的谱 估 计 法 鏏 和基 于特 征 分 解 的算 法 。 其中 具 有 代表 性 的有 ： 惴 琒 算 法 ， 算 法 以 及 它们的变 形，最大 嫡 谱 估 计 法 等 。 各 种 高 分 辨算 法 带来的径 向 和横向 高 分 辨率 ，都 有 助于从 二维像 中 扶 墩日标散 射 中 心 的精 确 信 息。 但 是它们 的基 本 模型仍 然 是理想散 射 中 心 模型。参数 法 是指 通 过 建立光学 区 雷 达目 标二维散 射 中心 的参数 模型，并 对 模型参数 进行 估汁，米 完 成 对 散射 中心 的提 取 干 描述。 目前 ，描述散 射
5、 中心 的参数 模型主 要有 二三种 ：指 数非 衰减 指数 和模型实 质 上就是理想散 射 中心 模型，即认 为 目标上所 有 的散 射 中心 都 是散 射 特 性 不 随 频 率 平 方位角 改 变 的点 散 射 中 心 ，该 模型具 有 最为 简 单 的形式 ，但 当相 刘测量 带竞 和成 像 积 累 角 度较 大 时，由于 某些 敦 射 中心 的散 射 对 频 率 或方位角 的依 赖关 系 不 可忽 略 ，因而 会 产生 模型与 真实 数 据不 匹配 的现 象，无法 准确 反 映 复杂 目标的散 射 特 性 。 与非 衰减 指数 和模型相 比，在 相 对 带宽较 小 的情况下 ，衰减
6、指数 模型不 但 能 够准 确 地描述点散射 现 象，而 且 考 虑 到某些 非 理想点 散射 对 频 率 的依 赖关 系 ，认 为 频 率 对 散射 中心 散射 的影 响是指 数 型的，从 村 以 相 对 简 洁 的形式 反 映 出 不 同 类 型散 射 中心 的特 性 。 衰减 指数 和模何 类 型的信 息。 有 属。 降的散 剁 中心 模型 “更是考 虑 了 散射 中心 的方向 性 ，把 散射 中心 按国 防 科 学 技 术 大 学 研 究生 院 学 位论 文上述模型的改 进 ，主 要是讨论 了 散 射 中 心 的散 射 幅度 随 频 率 的变 化 关 系 ，但 并 能 描 国 内外 研
7、 究现 状 甊 对 各 种 典 型散 射 机 理进 行 了 比较 深 入的研 究和说明“ ； 本 文的主 要工作 及 类 容 安 排 如 下 ：角 度成 像 条 件下 的分 辨率 范围 估 算式 ；针对 散射 中心 方向 性 提 取 问题 ，结 合 子 孔径 思 想和 。铀炒 彳图 雷达 与成 像 目标 的 空 间 关 系 以及目标 散射中 心模 型 符 个 散射中 是 孤 立 的 ，忽 略 它 们相 互间 的 多 次散射和 遮 挡效 应；与 入 射波 频 率 无 关 。 如 式 如 图 所 示 雷达 与 成 像 目标 的 空 间 几 何 关 系 。 雷达 天 线 固 定 于 某一 位置不动
8、， 频 率国 防 科 学 技 术大 学 研 究生院 学 位论 文旋转 目标 的 基 本 成 像 公 式 为 ： 辍 万 荆 弦 ， 非 理想 散射中 心的 分 类 及其 图 像 域表 现真 实 目标 散射特 征 的 复 杂性 使 其 等 效 的 散射中 心 无 法 严 格 满足 这些 限 定 条件， 大 多 数 的 散射中 心 是 非 理 想 的 。 根 据 实 际 散射现 象所 不满足 的 理 想 假设条件， 本 文把非 理 想 散射中 心主 要 分 为 三 类 ：散射中 心 的 散射随频 率 变 化 的 色散型散射中 心 ， 典 型代表 为 腔 体 ； 散射中心 的 位置随照 射角 度的
9、变 化 而 改 变 的 滑 动 型散射中 心 ， 它 包 括 了 散射中 心 之 问 引 起 的 多 次散射效 应 ； 各向 异 性 的 散射中 心 ， 它 的 散射率 随方 位角 和频 率 的 变 化 而 改 变 。 实 际 目标 上的 等 效 散射中 心 往 往 是 多 种 类 型的 叠 加 ， 且 随着带宽 的 增加 和成 像 角 度范围的 增大 ， 这些非 理 想 散射特 性 表 现 的 越 明显 。国 防 科 学 技 术大 学 研 究生院 学 位论 文 肛 】对 应 的 截 止 波 数 。 设测 量 的 波 数 是 蛩 蠯。 。 的 模 式 都 可以在里 面传播 。 此 时 ， 豁
10、疽 埔 闰 防 科 学 技 术人 学 研 究生院 学 位论 义在光 学 区， 电 磁 散射具 有局 部 散射现 象， 它 主 要 发生在目标 表 面上 的 镜 面反射点 以及目标 边 缘 、 棱 角 和尖 端等 不连续 处 ， 这些 强 散射部 位称 为 散射中 心 。 当 这些 等 效 散射中心 位耍 随方 位角 渐变 时 ， 这些 散射中 心 就可称 为 滑 动 型散射中 心 。 等 效 散射中 心 在目标上 随照 射角 度的 滑 动 足 很 常 见 的 ， 它 可以沿 着曲 面滑 动 ， 如 球 体 、 柱 面的 等 效 散射中 心 ，也 可以沿 着曲 线 滑 动 。 下面以球 体 为
11、例 来 分 析 这一 类 型散射中 心 。 甀球 体 等 效 散射中 心 的 滑 动 性其 ，为 球 的 半 径。第 页蚓 防 科 学 技 术大 学 研 究生院 学 位论 文相 互影 响 的 ， 存 在多 次散射效 应 和遮 挡效 应 ， 下面对 二次散射进 行 分 析 。 考 虑如 下的 图 ，存 阁中 有 两 个 散射中 心，以及它 们之间 的 二次散射。国 防 科 学 技 术大 学 研 究生院 学 位论 文如 图 所 示 ， 二次散射相 对 于 目标 原 点 的 相 位延迟可以写 为 ： 硎 酒德 识 陨 浞 鹊挠 跋欤珹 表示 方 位角对 幅 度的 影 响 。方 位角 变 化 对 成
12、像 的 影 响 及特 征 提 取 方 法 。第 页 防 料 学 技 术人 学 研 冗午 臃 学 位论 义心 ， 即考 虑：数 据 的 获 得如 下：首 先用 建 模 工 具 建 立 预 定 口 标 的 模 型， 然 后 再 诺腞 预 测 软第 页 度投 影 到雷达 的 纵向 距离 横 向距离 嫩 标 中 是 两 点 。 圆锥 的 各向异 性 分 析翟 垒。第 页 醇 一 粥霞 蝗缧 裿圈 高为 祝 装 刖 段 米 的 圆锥 的 成 像 结 果第 页阚 防科 学技 术大学研究生 院 学位 论文第 三章 基 于 时频分 析 的非 理 想散 射 中 心成 像 引 言为 后 来 者 所称 道的潜 图
13、。 年 ， 甐 将 甈 在 年 提出 的 分 布 引第 页 ： 猼 一 簕 妒 糱 口 冉别于 线 性时频表 示， 舣线 性时频分 布 的实质 是 将信 号的能量分 布 于 时频平 面内 ， 其 吾 ： 一 吾 掣竹 外 ， 交 叉 项是 振 荡性的， 每两个 信 号 分 量就 会产 生 一 个 交 叉 项。陶 防科 学技 术大学研究生 院 学位 论文 琌 甮 其 中 称 为 核 函 数 。 通 过 设 计 核 函 数 瞬 ， 就 能产 生 具 有 所需 特性的分 布 。信 号时， 这 种匹配相当 于 零阶逼近， 势 必 会造 成 分解 过程存 在许多截 断 和分 量之 间的混 合笫 页图 各
14、种 结 构 的时频分 布 图然 具有 较 好 的分辨犄 度 ， 但却 引 入 了时间 频率 的交 叉 项， 需要进行一 定 的处理 来 消 除交 叉信 号 频率 分 量的变 化 情 况， 它 可 以 很好 的解 决 这 个 问 题。图 时频方 法二 维 成 你 框 图 一 的横向距 离第 页引 起 的成 像模 糊 。 此时， 可 以先 在横向进行聚 焦， 然 后 对于 每一 个 横向分 辨单 元进行时频雷达 接 收信图 时频方 法二 维 成 像 框 图 二上 述 曲种力 法都 是 先 在纵向或横向上 进行一 维 距 离压 缩 ， 然 后 在另 一 维 上 用时频分 析代替 距 离压 缩 ， 得
15、到 随 时问 或频率 变 化的二 维 像， 它 们 是 在成 像过程中 应用时频分 布 。 当已经 得到 目 标 的二 维 像后 ， 可 以对二 维 像数 据直 接 进行时频变 换， 米消 除图 像上 的展 布 效应。 用时频方 法处理 二 维 像相 对应的也有 两种 方 式， 它 的处理 框 图 如 图 。 具 体描 述 如下 ：第 一 种方 式， 沿 一 ：维 罔 像的纵向进行时频分 解 ：设 图 像函 数 为 雪 ， ， 对周定 的横向第 二 种方 式， 沿 二 维 图 像的横向进行时频分 解 ：对固 定 的纵向距 离乩 ， 沿 横向线国 防科 学技 术大学研究生 院 学位 论文图 理 想散 射 中 心和波 导一 维 距 离你 的时频分 布第 页 駖防科 学技 术大学研究生 院 学位 论文图 在成 像过 程中 应用时频方 法的成 像结 果 中 的一 帧
