對空間目標的星載干涉ISAR三維成像技術研究.pdf

1、逆合成孔徑雷達(ISAR)作為一種新體制雷達，能夠對飛機、導彈、艦船、衛(wèi)星等運動目標進行高分辨二維成像，在戰(zhàn)略防御、戰(zhàn)術武器、反衛(wèi)星等軍事領域以及未來的空中、空間交通管制等民事領域中都有重要的應用價值。在這其中，為了對空間中的宇宙飛船、空間站、人造衛(wèi)星、空間碎片等目標進行更準確、更有效地觀測，本文提出將ISAR成像設備安裝在編隊飛行的衛(wèi)星平臺上，建立星載干涉ISAR三維成像空間目標觀測系統(tǒng)。這種方式一方面有效避開了大氣窗口對成像質量的影

2、響，另一方面三維成像比二維ISAR成像增加了目標在一個維度上的信息，對目標的立體幾何結構描述更加清晰，使得原來通過一系列圖像才能得到的目標識別率現通過一幅圖像就可獲得。然而星載 ISAR/干涉 ISAR成像遇到了傳統(tǒng)ISAR/干涉 ISAR成像不曾遇到的新問題，本文深入分析和研究了這些新問題，并提出相關解決方法。具體內容概括如下：
　　（1）闡述了二維 ISAR成像和干涉 ISAR三維成像基本原理。重點闡述了ISAR成像中的RD成

3、像算法和運動補償算法，為后續(xù)星載 ISAR的成像特性分析奠定了基礎；歸納總結了傳統(tǒng)干涉ISAR三維成像的關鍵技術，為后續(xù)研究衛(wèi)星編隊干涉ISAR三維成像中這些關鍵技術的體現及解決提供了對照和分析的基礎。
　?。?）針對星載 ISAR在觀測衛(wèi)星和空間目標兩方面運動引入的新問題，分析了星載ISAR成像特性及RD算法的適用條件。首先，結合空間物體軌道運動規(guī)律的六要素描述和ISAR成像的運動補償原理，分析了觀測衛(wèi)星軌道運動的ISAR成像問

4、題；然后從信號回波角度入手研究了觀測衛(wèi)星姿態(tài)抖動的幅度、頻率和初始相位對ISAR成像的影響并給出量化結果；接下來根據空間目標的運動特點，分別研究了軌道運動占優(yōu)和旋轉運動占優(yōu)的ISAR成像模式；最后指出了RD成像的適用條件。該部分內容為衛(wèi)星編隊的星載ISAR成像算法研究奠定了基礎。
　?。?）為實現對空間目標的三維成像，建立了基于衛(wèi)星編隊的星載干涉 ISAR成像系統(tǒng)并研究了相關的成像算法及問題。首先，由于星載干涉ISAR不再滿足傳統(tǒng)

5、干涉 ISAR正交天線配置的幾何條件，本文提出了非正交天線配置下的干涉ISAR成像算法。根據新的干涉 ISAR成像算法，量化分析了衛(wèi)星平臺的編隊繞飛運動對二維成像及干涉成像的影響，并通過分析回波信號相關性和高度主值區(qū)間分別確定了水平基線和垂直基線的限制條件。在此基礎上，提出利用長基線下的天線間視角變化獲取目標多姿態(tài)圖像的ISAR多姿態(tài)成像算法，這種算法可以獲取比常規(guī)ISAR成像更多形狀和結構信息。更進一步，針對實際中空間軌道運動目標由于

6、等效旋轉角速度未知等因素導致目標橫距無法從ISAR像中估計的情況，提出了未知軌道運動目標的干涉ISAR三維成像算法，通過對目標運動造成的三通道回波相位變化進行分解、化簡和補償，實現了直接從ISAR回波相位中估計散射點橫距及高度位置信息。
　?。?）為提高在編隊繞環(huán)全周期內的干涉高度成像精度，提出了基于五星編隊構形的多基線相位解纏法。這里首先根據非正交天線配置下的干涉ISAR成像公式推導了決定高度成像精度的六個描述量，通過對各描述量

7、實際影響的量級分析，確定了提高高度成像精度與相位解纏的關系。然后，研究了兩種利用散射點間相關性的解纏方法：最小生成樹法和蟻群優(yōu)化算法，理論分析和仿真結果表明 ISAR圖像中的大量高度不連續(xù)點使得這類方法會出現錯誤甚至失效。為此，本文研究了利用ISAR衛(wèi)星自身優(yōu)勢的基于衛(wèi)星編隊多基線相位解纏法，該方法充分考慮衛(wèi)星編隊繞環(huán)一周的水平和垂直基線變化，在繞環(huán)過程中可以同時減小干涉相位測量偏差并改善水平－垂直基線的比值，有效提高了編隊繞環(huán)全周期內