论文部分内容阅读
调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW）雷达具备体积小、成本低、无距离盲区、采样率低、分辨率高、系统稳定等优点,在军事目标探测与识别、重点区域安全检查、汽车防撞、形变监测等诸多领域显示出广阔的应用前景。本文以空中小型无人机等目标的探测与成像为研究目的,设计了“X波段超宽带FMCW雷达系统”,对一维调频非线性校正与高分辨距离成像、逆合成孔径（Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR）大转角成像和干涉ISAR三维成像理论进行了深入研究。论文的主要工作和成果如下:1、研究了三角调频连续波雷达的测距原理,设计了X波段超宽带FMCW雷达系统,详细阐述了系统框架、设计原理、工作流程及性能指标,以此系统为基础分析了超宽带FMCW雷达高分辨成像所面临的关键问题。2、针对超宽带FMCW雷达调频非线性导致距离成像质量恶化的问题进行了深入研究。推导了非线性调制的多项式相位模型,论述了非线性相位误差的特性及其对距离成像的影响,有针对性地提出了两种非线性校正方法。为解决高阶模糊函数算法估计多项式系数的误差传递问题并旨在提高运算效率,提出了基于多项式回归的非线性校正方法,通过递推最小二乘结合相位解缠绕实现参数的联合估计,获得了高效、精确的非线性校正结果。为进一步提升算法的抗噪性,提出了基于匹配傅里叶变换的非线性校正方法,综合利用图像熵和匹配傅里叶变换实现参数的最优搜索,提高了低信噪比下非线性估计与校正的性能。经过计算机仿真和实测数据综合验证,所提算法均取得了良好的校正效果,显著改善了距离成像质量。3、为获得与距离向相匹配的方位分辨率,研究了大转角ISAR二维成像理论。在转台模型下首先分析了距离多普勒（Range Doppler,RD）算法无法解决距离—方位严重耦合的问题,进而采用后向投影（Back Projection,BP）算法获得了良好的二维成像聚焦性能。由于BP算法属于匹配滤波类方法,无法抑制过高旁瓣,因此在压缩感知（Compressed Sensing,CS）的框架中,考虑极高分辨情况下,采用了更为恰当的块稀疏性描述散射点的结构特点;在此基础上提出了基于自适应块稀疏匹配追踪的ISAR大转角成像方法,通过空间相干投影及自适应迭代回溯得到最优支撑集,实现了未知块稀疏度下ISAR图像的精确重构,可获得比点稀疏约束下更好的图像质量。计算机仿真和实测数据结果表明,所提算法能够准确进行超宽带大转角成像且抑制高旁瓣电平,相比匹配滤波类算法和传统CS算法具有明显的优势。4、为进一步改善对目标的几何重建效果,研究了干涉ISAR三维成像理论。利用散射点在多通道远场观测条件下位置相同的假设,在压缩感知的框架中引入多测量向量模型;针对凸函数稀疏约束较弱的问题,提出了基于非凸优化的联合稀疏ISAR三维成像方法,将非凸函数转化为加权l1范数进行联合优化求解,使散射点位置信息得到了更为精确的重构。计算机仿真验证了算法的有效性及优越性。