2015年  4卷  第3期

目标与环境电磁散射特性专题论文
摘要:
为满足基于模板的SAR地面车辆目标识别对海量高质量模板图像的工程应用需求,该文提出了一种基于射线追踪技术的SAR信号级高效仿真方法.该方法通过构建地面车辆目标SAR仿真场景物理模型并利用射线追踪方法准确模拟SAR探测过程中电磁波与场景中目标与环境的作用机理,实现对地面环境的宽带相干杂波、表面粗糙的复杂目标的宽带电磁散射以及地面-目标间耦合散射的快速计算,并通过SAR成像处理和图像相似度评估确认形成高质量SAR模板图像.数值结果验证了该文方法的准确性和高效性. 为满足基于模板的SAR地面车辆目标识别对海量高质量模板图像的工程应用需求,该文提出了一种基于射线追踪技术的SAR信号级高效仿真方法.该方法通过构建地面车辆目标SAR仿真场景物理模型并利用射线追踪方法准确模拟SAR探测过程中电磁波与场景中目标与环境的作用机理,实现对地面环境的宽带相干杂波、表面粗糙的复杂目标的宽带电磁散射以及地面-目标间耦合散射的快速计算,并通过SAR成像处理和图像相似度评估确认形成高质量SAR模板图像.数值结果验证了该文方法的准确性和高效性.
摘要:
该文基于加权曲率近似方法(Weighted Curvature Approximation, WCA),实现了对2维线性与非线性海面的宽带电磁散射信号的仿真,并通过大量的蒙特卡洛仿真研究了距离高分辨率条件下各距离单元内海杂波统计特性,特别是尖峰特性.研究结果表明,当雷达分辨率提高、雷达入射视线方向由侧风转向逆风、海面风速增加时,海杂波强度概率密度曲线(Probability Density Function, PDF)的长拖尾现象将更加明显.同时,非线性海面的宽带散射回波信号中出现尖峰现象的概率更高.此外,对海杂波统计分布曲线的拟合结果表明,与传统的K分布和Weibull分布相比,Pareto分布在较小擦地角条件下能够更好描述海杂波强度的统计特性. 该文基于加权曲率近似方法(Weighted Curvature Approximation, WCA),实现了对2维线性与非线性海面的宽带电磁散射信号的仿真,并通过大量的蒙特卡洛仿真研究了距离高分辨率条件下各距离单元内海杂波统计特性,特别是尖峰特性.研究结果表明,当雷达分辨率提高、雷达入射视线方向由侧风转向逆风、海面风速增加时,海杂波强度概率密度曲线(Probability Density Function, PDF)的长拖尾现象将更加明显.同时,非线性海面的宽带散射回波信号中出现尖峰现象的概率更高.此外,对海杂波统计分布曲线的拟合结果表明,与传统的K分布和Weibull分布相比,Pareto分布在较小擦地角条件下能够更好描述海杂波强度的统计特性.
摘要:
时域离散伽辽金法(Discontinuous Galerkin Time Domain, DGTD)同时具有时域有限元算法(FiniteElement Time Domain, FETD)非结构网格剖分和时域有限差分算法(Finite Difference Time Domain, FDTD)显式迭代的优点,是一种非常有前途的电磁计算方法,该文首先描述了基于矢量基函数的时域离散伽辽金法的基本原理.然后,给出了DGTD处理散射问题时平面波入射加入的具体实现方法.最后,给出了金属球、介质球和金属弹头宽带散射的算例,算例结果的比较表明了该文算法的正确性和有效性.该文的研究,为复杂目标雷达散射截面RCS的准确预估打下了坚实的基础. 时域离散伽辽金法(Discontinuous Galerkin Time Domain, DGTD)同时具有时域有限元算法(FiniteElement Time Domain, FETD)非结构网格剖分和时域有限差分算法(Finite Difference Time Domain, FDTD)显式迭代的优点,是一种非常有前途的电磁计算方法,该文首先描述了基于矢量基函数的时域离散伽辽金法的基本原理.然后,给出了DGTD处理散射问题时平面波入射加入的具体实现方法.最后,给出了金属球、介质球和金属弹头宽带散射的算例,算例结果的比较表明了该文算法的正确性和有效性.该文的研究,为复杂目标雷达散射截面RCS的准确预估打下了坚实的基础.
摘要:
海洋内波通常在海面之下传播,并通过波流相互作用影响海洋表面毛细波的分布,在合成孔径雷达(SAR)图像中表现为亮暗相间的纹理.该文首先基于Korteweg-de Vries(KdV)方程,建立内波传播模型;通过波流相互作用函数,基于波作用量方程,对表面毛细波的波谱进行修正;最后基于双尺度方法的面元模型,将内波对高频谱的修正作用考虑在内,计算内波的存在对大尺寸海面电磁散射特性的影响.文中计算了内波存在时海面散射系数分布,分析了不同的内波参数,不同海况参数等对海面散射系数和多普勒的影响. 海洋内波通常在海面之下传播,并通过波流相互作用影响海洋表面毛细波的分布,在合成孔径雷达(SAR)图像中表现为亮暗相间的纹理.该文首先基于Korteweg-de Vries(KdV)方程,建立内波传播模型;通过波流相互作用函数,基于波作用量方程,对表面毛细波的波谱进行修正;最后基于双尺度方法的面元模型,将内波对高频谱的修正作用考虑在内,计算内波的存在对大尺寸海面电磁散射特性的影响.文中计算了内波存在时海面散射系数分布,分析了不同的内波参数,不同海况参数等对海面散射系数和多普勒的影响.
摘要:
针对电大复杂多层介质结构目标电磁散射特性分析与应用对计算资源和效率的需求,提出了基于传输线理论的等效面模型,推导了相应的相位修正算法,实现对此类目标散射特性的快速准确预估.等效面模型将多层介质平板结构等效为平面,基于传输线理论,采用电路分析中常用的网络分析方法计算该平面的反射系数与透射系数,并通过引入多层介质结构厚度、入射和观测方向等信息实现对反射系数与透射系数的相位修正.仿真结果验证了该文方法的正确性和高效性. 针对电大复杂多层介质结构目标电磁散射特性分析与应用对计算资源和效率的需求,提出了基于传输线理论的等效面模型,推导了相应的相位修正算法,实现对此类目标散射特性的快速准确预估.等效面模型将多层介质平板结构等效为平面,基于传输线理论,采用电路分析中常用的网络分析方法计算该平面的反射系数与透射系数,并通过引入多层介质结构厚度、入射和观测方向等信息实现对反射系数与透射系数的相位修正.仿真结果验证了该文方法的正确性和高效性.
摘要:
在高分辨率、低擦地角、高海况以及HH极化工作方式下,雷达回波强度会明显增强,容易产生海尖峰,使得海杂波具有高幅值、非平稳和非高斯等特点,严重影响雷达对海面微弱动目标的检测.为此,该文提出一种海尖峰抑制方法,首先,给出了海尖峰判别和筛选方法,在此基础上,分析了海尖峰的幅值特性、时间相关性、多普勒谱和分数阶功率谱特性;其次,通过剔除背景中的海尖峰并选取最小平均功率水平的背景杂波作为待检测数据,能够抑制海杂波,改善SCR;最后,实测数据的实验结果验证了该方法的有效性. 在高分辨率、低擦地角、高海况以及HH极化工作方式下,雷达回波强度会明显增强,容易产生海尖峰,使得海杂波具有高幅值、非平稳和非高斯等特点,严重影响雷达对海面微弱动目标的检测.为此,该文提出一种海尖峰抑制方法,首先,给出了海尖峰判别和筛选方法,在此基础上,分析了海尖峰的幅值特性、时间相关性、多普勒谱和分数阶功率谱特性;其次,通过剔除背景中的海尖峰并选取最小平均功率水平的背景杂波作为待检测数据,能够抑制海杂波,改善SCR;最后,实测数据的实验结果验证了该方法的有效性.
摘要:
针对高分辨率SAR 舰船目标检测中存在类似舰船的干扰目标造成虚警的问题,该文设计了一种峰值区域极化特征提取方法.该方法通过对比水面船只和干扰目标峰值区域Krogager 分解中螺旋体散射比重的差异,对两类目标进行了鉴别分析.利用RADARSAT-2 的C 波段全极化数据对方法的有效性进行验证,验证结果表明该方法能有效地鉴别船只目标与岛屿、防浪堤、海面平台、桥梁等干扰目标,减少SAR 舰船目标检测中存在的虚警. 针对高分辨率SAR 舰船目标检测中存在类似舰船的干扰目标造成虚警的问题,该文设计了一种峰值区域极化特征提取方法.该方法通过对比水面船只和干扰目标峰值区域Krogager 分解中螺旋体散射比重的差异,对两类目标进行了鉴别分析.利用RADARSAT-2 的C 波段全极化数据对方法的有效性进行验证,验证结果表明该方法能有效地鉴别船只目标与岛屿、防浪堤、海面平台、桥梁等干扰目标,减少SAR 舰船目标检测中存在的虚警.
综述
摘要:
该文介绍了地球同步轨道圆迹合成孔径雷达(Geosynchronous Circular SAR, Geo-CSAR)的概念,通过设计同步轨道的轨道参数,可以形成近圆的卫星相对地球轨迹,使SAR载荷的凝视成像模式成为可能,实现对地的大面积定点连续观测以及真3维信息获取;研究分析了Geo-CSAR的成像能力,指出其在瞬时覆盖度、连续观测范围及3维精确定位方面,具有现有低轨星载SAR无法比拟的优势,是实现全球不间断覆盖的有效途径之一,在军事侦察、灾害监测方面具有重要的应用前景。 该文介绍了地球同步轨道圆迹合成孔径雷达(Geosynchronous Circular SAR, Geo-CSAR)的概念,通过设计同步轨道的轨道参数,可以形成近圆的卫星相对地球轨迹,使SAR载荷的凝视成像模式成为可能,实现对地的大面积定点连续观测以及真3维信息获取;研究分析了Geo-CSAR的成像能力,指出其在瞬时覆盖度、连续观测范围及3维精确定位方面,具有现有低轨星载SAR无法比拟的优势,是实现全球不间断覆盖的有效途径之一,在军事侦察、灾害监测方面具有重要的应用前景。
论文
摘要:
传统的SAR地面运动目标成像算法主要集中在距离徙动校正和目标的运动参数估计上.但在SAR实测数据处理中,非理想运动误差补偿对动目标聚焦成像质量至关重要,而且该误差既不能通过固定的SAR运动误差补偿算法来补偿,也无法通过采用自聚焦技术解决.该文根据含有非理想运动误差的SAR运动目标回波信号模型,对影响动目标多普勒中心的两类非理想运动误差进行深入分析,提出一种将INS惯导数据与距离走动轨迹相结合的非理想运动误差补偿算法,并通过实际数据和计算机仿真数据验证了该算法的有效性. 传统的SAR地面运动目标成像算法主要集中在距离徙动校正和目标的运动参数估计上.但在SAR实测数据处理中,非理想运动误差补偿对动目标聚焦成像质量至关重要,而且该误差既不能通过固定的SAR运动误差补偿算法来补偿,也无法通过采用自聚焦技术解决.该文根据含有非理想运动误差的SAR运动目标回波信号模型,对影响动目标多普勒中心的两类非理想运动误差进行深入分析,提出一种将INS惯导数据与距离走动轨迹相结合的非理想运动误差补偿算法,并通过实际数据和计算机仿真数据验证了该算法的有效性.
摘要:
无源角反射器和有源定标器是SAR辐射定标的常用人造参考点目标,随着大量新体制、新模式高分辨率SAR系统的涌现,大距离带宽和宽方位波束都对传统观念中参考目标雷达截面积(RCS)近似恒定的假设提出挑战.该文借助FEKO电磁仿真软件获取目标RCS随频带和方位角的变化关系,结合高分辨率SAR点目标仿真,通过点目标能量提取,定量地分析参考目标RCS的频带或方位角相关性对辐射定标的影响.仿真结果表明在Ku波段相对带宽超过10%或方位波束宽度超过20时,上述因素带来的影响超过0.2 dB,必须在实际数据处理中加以校正. 无源角反射器和有源定标器是SAR辐射定标的常用人造参考点目标,随着大量新体制、新模式高分辨率SAR系统的涌现,大距离带宽和宽方位波束都对传统观念中参考目标雷达截面积(RCS)近似恒定的假设提出挑战.该文借助FEKO电磁仿真软件获取目标RCS随频带和方位角的变化关系,结合高分辨率SAR点目标仿真,通过点目标能量提取,定量地分析参考目标RCS的频带或方位角相关性对辐射定标的影响.仿真结果表明在Ku波段相对带宽超过10%或方位波束宽度超过20时,上述因素带来的影响超过0.2 dB,必须在实际数据处理中加以校正.
摘要:
该文针对传统多重信号分类算法(MUSIC)不适用于低空多径环境下目标波达方向(DOA)估计且谱峰搜索计算量大的问题,在解相干基础上,提出一种基于自适应步长萤火虫算法的多重信号分类算法.该方法通过对快拍数据协方差矩阵虚拟平滑实现多径信号的完全解相干和满秩相关矩阵的构造,利用自适应步长萤火虫算法实现谱峰搜索和目标角度估计.仿真结果表明,新方法能够在无孔径损失的情况下较好克服低空多径效应影响,快速、精确地估计目标波达方向. 该文针对传统多重信号分类算法(MUSIC)不适用于低空多径环境下目标波达方向(DOA)估计且谱峰搜索计算量大的问题,在解相干基础上,提出一种基于自适应步长萤火虫算法的多重信号分类算法.该方法通过对快拍数据协方差矩阵虚拟平滑实现多径信号的完全解相干和满秩相关矩阵的构造,利用自适应步长萤火虫算法实现谱峰搜索和目标角度估计.仿真结果表明,新方法能够在无孔径损失的情况下较好克服低空多径效应影响,快速、精确地估计目标波达方向.
摘要:
通过对不同角度子孔径相干累加,多角度观测SAR可以提供高分辨率影像及多角度散射特征.然而,现有的累加成像方法存在非各向同性散射中心混叠问题.混叠将造成极化特征参数估计无法反映实际的目标物理特征,从而难以支撑分类及变化检测应用.为了去除不同散射中心间的相互干扰并利用不同类型的信息,该文提出了一种多角度极化SAR图像中的非各向同性散射估计与消除方法.该方法给出了基于两类目标假设的最大似然比检验统计量,分析了相干斑影响以及非各向同性散射消除机理,证明了恒虚警判决函数的单调性.通过机载P波段极化SAR进行了360观测试验,分析了非各向同性散射消除前后极化熵的变化,验证了算法的有效性并揭示出在目标特征提取方面的应用潜力. 通过对不同角度子孔径相干累加,多角度观测SAR可以提供高分辨率影像及多角度散射特征.然而,现有的累加成像方法存在非各向同性散射中心混叠问题.混叠将造成极化特征参数估计无法反映实际的目标物理特征,从而难以支撑分类及变化检测应用.为了去除不同散射中心间的相互干扰并利用不同类型的信息,该文提出了一种多角度极化SAR图像中的非各向同性散射估计与消除方法.该方法给出了基于两类目标假设的最大似然比检验统计量,分析了相干斑影响以及非各向同性散射消除机理,证明了恒虚警判决函数的单调性.通过机载P波段极化SAR进行了360观测试验,分析了非各向同性散射消除前后极化熵的变化,验证了算法的有效性并揭示出在目标特征提取方面的应用潜力.
摘要:
该文基于旋转干涉仪提出了一种新的近场源参数估计算法.该算法利用单个长基线干涉仪的旋转和相位积分实现相位解模糊,有效解决了单基线干涉仪在近场源情况中存在的无模糊视角范围和测角精度之间的矛盾.该算法只需两个接收天线即可得到近场源俯仰角、方位角和距离参数的闭式解,无需构造高阶累积量矩阵和多维搜索,同时也降低了多基线组合对通道一致性的要求.相比于传统的双长基线干涉仪方法,该文算法具有更高的参数估计精度和解模糊能力,具有结构简单、易于工程实现的优点.计算机仿真实验表明了所提算法的有效性和正确性. 该文基于旋转干涉仪提出了一种新的近场源参数估计算法.该算法利用单个长基线干涉仪的旋转和相位积分实现相位解模糊,有效解决了单基线干涉仪在近场源情况中存在的无模糊视角范围和测角精度之间的矛盾.该算法只需两个接收天线即可得到近场源俯仰角、方位角和距离参数的闭式解,无需构造高阶累积量矩阵和多维搜索,同时也降低了多基线组合对通道一致性的要求.相比于传统的双长基线干涉仪方法,该文算法具有更高的参数估计精度和解模糊能力,具有结构简单、易于工程实现的优点.计算机仿真实验表明了所提算法的有效性和正确性.
摘要:
基于Frost 结构的Laguerre 宽带波束形成器可以获得比FIR 宽带波束形成器和IIR 宽带波束形成器更好的性能,但其需要单极点的最优求解过程,存在计算复杂度较高及收敛速度较慢等问题.该文提出一种基于广义旁瓣对消器(Generalized Sidelobe Canceller, GSC)的Laguerre 滤波器宽带波束形成算法.该算法首先建立基于GSC结构的Laguerre 宽带波束形成器模型,然后利用最小二乘方法给出一种低复杂度的极点求解方法,最后利用归一化最小均方根误差方法实现宽带波束形成.仿真实验及理论分析表明,该方法无需基于Frost 结构的Laguerre 宽带波束形成器单极点最优求解过程,在保证算法较高的输出信干噪比的同时,减少了计算复杂度,提高了收敛速度. 基于Frost 结构的Laguerre 宽带波束形成器可以获得比FIR 宽带波束形成器和IIR 宽带波束形成器更好的性能,但其需要单极点的最优求解过程,存在计算复杂度较高及收敛速度较慢等问题.该文提出一种基于广义旁瓣对消器(Generalized Sidelobe Canceller, GSC)的Laguerre 滤波器宽带波束形成算法.该算法首先建立基于GSC结构的Laguerre 宽带波束形成器模型,然后利用最小二乘方法给出一种低复杂度的极点求解方法,最后利用归一化最小均方根误差方法实现宽带波束形成.仿真实验及理论分析表明,该方法无需基于Frost 结构的Laguerre 宽带波束形成器单极点最优求解过程,在保证算法较高的输出信干噪比的同时,减少了计算复杂度,提高了收敛速度.
摘要:
针对现有经典的中断航迹关联算法在目标密集、航迹交叉或分岔环境下关联正确率低和实用性差的问题,该文提出了基于统计双门限的中断航迹配对关联算法.该算法引入统计双门限原理,增加了2 分布门限检测的关联样本数,对复杂环境具有更强的适应能力.仿真验证表明,在空中飞行目标航迹交叉环境和弹道目标环境下,该文算法的全局正确关联率和平均正确关联率均比经典算法有显著提高,验证了该算法性能的优越性. 针对现有经典的中断航迹关联算法在目标密集、航迹交叉或分岔环境下关联正确率低和实用性差的问题,该文提出了基于统计双门限的中断航迹配对关联算法.该算法引入统计双门限原理,增加了2 分布门限检测的关联样本数,对复杂环境具有更强的适应能力.仿真验证表明,在空中飞行目标航迹交叉环境和弹道目标环境下,该文算法的全局正确关联率和平均正确关联率均比经典算法有显著提高,验证了该算法性能的优越性.