多通道雷达天线阵列的设计理论与算法

多通道雷达天线阵列的设计,尤其是MIMO雷达阵列的设计是一个全新的研究内容,涉及MIMO雷达的目标回波空间分集实现、空间采样能力,由此影响目标参数估计、DOA和雷达成像性能.论文从目标散射模型、收发信号模型出发,提出了基于空间卷积理论的MIMO雷达天线阵设计方法与算法,着重分析和介绍了收发复用线性阵情况下的MIMO雷达阵列设计算法,给出了并证明了其等效接收阵列存在的充要条件,在此基础上,论文以目标成像的空间采样和DOA估计性能为例,给出了典型的空间采样模型,对于空间卷积不存在解析解的空间采样模型,也给出了逼近算法.     

平面多层介质中空域Green函数的高效算法与应用

基于偶极子场理论，经过4个基本函数重构所有的矢量势和标量势谱域Green函数，并利用二级离散复镜像方法和高阶Sommerfeld恒等式，提出一种平面多层介质中的空域Green函数的高效算法．算法的优势在于：避免了利用传输线理论时需重写谱域Green函数各个分量，从而在不改变当前积分路径的前提下，直接提取表面波的影响，得到近区场和远区场都适用的空域Green函数，同时，有效地避免了电磁场混合势积分方程中电流（磁流）产生磁场（电场）的旋度因子，十分方便分析平面分层介质中三维结构的电磁散射和辐射特征，通过平面微带周期光子带隙（PBG）结构的S参数、大型微带天线阵列的雷达散射截面和平面分层介质中具有三维结构的目标的辐射场、散射场特性的数值分析，证明算法的有效性和正确性。     

空间进动锥体目标窄带雷达成像算法

弹道中段目标成像技术是弹道导弹防御系统的核心技术．由于弹道导弹中段飞行过程中具有空间进动形式，宽带ISAR成像雷达无法利用统一的相位补偿函数进行相位补偿，导致成像结果的模糊．本文提出一种利用窄带雷达实现空间进动锥体目标成像的算法，算法采用高分辨时频分析技术获取进动目标散射中心多普勒历程；采用广义Radon变换理论，提取目标散射中心的时频多普勒曲线参数，在参数空间内实现目标散射中心的二维重构．暗室测量数据的试验结果表明，算法可有效实现对进动目标的窄带雷达成像．     

窄带雷达自旋目标成像

在详细分析自旋目标窄带雷达回波特性的基础上,提出基于复数后向投影算法的自旋目标成像算法,由于该算法利用旋转散射点的相位进行匹配搜索成像,因此具有较高的分辨率以及成像效率.同时,本文分析了该算法的分辨率及其对雷达脉冲重复频率(PRF)的要求.若目标转速较高而系统PRF无法满足,则根据压缩感知理论以及自旋目标ISAR数据的稀疏性特点,建立了方位欠采样条件下的成像模型,并提出基于正交匹配追踪的自旋目标成像算法.不同条件下的仿真结果验证了算法的有效性.     

多视观测下雷达转台目标成像的关键参数估计

转台目标模型是逆合成孔径雷达等高分辨率雷达成像系统的基本模型,联合利用多视角观测数据可有效提高转台目标的成像分辨率.针对目标转速、多观测视角差等先验条件未知的转台目标观测情形,文中提出一种基于距离多普勒图像域散射中心位置提取的目标转速、等效旋转中心及各次观测视角差的顺序估计方法.进而,结合卷积逆投影(CBP)算法,形成雷达转台目标高分辨率融合成像的完整方案,取得了优于单视角观测的成像分辨率.同时,分析了参数估计方法的性能及影响性能的若干因素,并通过Monte Carlo仿真验证了性能分析结果.最后,数值实验结果进一步验证了所提供参数估计方法的有效性.     

基于非线性最小二乘估计-坐标变换的斜视InISAR成像

针对雷达在斜视工作下的InISAR成像问题进行研究，从理论上推导了斜视对于InISAR成像的影响。一方面，斜视附加相位与待求参量存在耦合，增加了目标方位向和高度向坐标值求解的难度。另一方面，斜视角的存在引起目标纵向坐标的估计误差和三维像的扭曲。传统InISAR成像算法无法有效解决上述两点问题，基于此本文提出了非线性最小二乘和坐标变换联合估计目标散射点坐标的方法，从而得到反映目标真实尺寸的三维像。仿真实验证明了本文提出方法的有效性。     

基于二维Chirp-Z变换的前视FMCW雷达成像新方法

机载前视成像作为一种全新的成像雷达工作模式,与调频连续波技术的结合有着诸多的优势.本文以"一发多收"系统为研究对象,根据其成像几何模型给出了基于调频连续波的前视雷达回波信号表达式,利用双基等效单基原理,将回波信号等效为"自发自收"系统时的情况,同时分析了载机在发射信号和接收信号过程中连续运动带来的影响–产生多普勒频移,以及对其近似补偿方法.在此基础上,本文提出了一种针对调频连续波前视雷达成像的基于二维Chirp-Z变换变标的成像算法,给出了算法的完整推导过程和各补偿因子的表达式,整个算法只包含Fourier变换和复乘操作,不涉及插值,易于工程实现.最后仿真数据处理结果验证了本文分析的正确性和算法的有效性.     

电磁开放系统谐振行为的广义系统函数研究

基于复频率理论，提出电磁开放系统中谐振行为的广义系统函数H（s）研究。H（s）是直接联系空间的辐射或散射场特性，并采用基于模型的参数估计技术（MBPE）在复频域中智能构建。通过研究H（s）在有限工作频带内的零点、极点以及留数特性，可有效分析开放系统中特殊的谐振现象，预测发生谐振的频率，以及谐振的强弱状态。天线和散射等电磁开放系统品质因数（Q值）的计算一直是一个有意义和挑战性的问题，基于广义系统函数H（s）和复频率ω理论，给出了谐振Q值的复频率计算方法，给出一些实际天线阵列的数值实验和讨论来说明广义系统函数理论的应用和正确性。     

分形粗糙面双站散射的有限元数值模拟

用Monte Carlo方法和有限元数值计算研究了分形粗糙面和Gauss粗糙面的双站散射,比较了两类粗糙面散射的区别及其与各特征参数的关系.模拟计算结果表明：分形粗糙面双站散射具有明显的角度性起伏,即使在表面趋于平坦时,Gauss表面散射表现为镜面反射,而分形粗糙面仍有角度性漫射.分形粗糙面双站散射的角度性起伏与分维数有近似的线形关系.当分形粗糙面上有电大尺寸目标时,由双站散射反演的分维数将会降低.当表面变得十分粗糙时,分形粗糙面与Gauss粗糙面双站散射特征趋近.     

基于压缩感知的宽孔径SAR成像

宽孔径SAR数据包含目标不同姿态角散射信息,实现宽孔径SAR成像对目标轮廓重构与解译识别具有重要价值.本文首先提出点模糊函数(point ambiguous function,PAF)研究影响压缩感知SAR成像的因素,然后用模型失配函数(model mismatch fucntion,MMF)分析宽孔径测量条件下点散射模型失配对成像性能的影响.最后根据上述结论,选择发射信号参数改善测量矩阵性能,利用广义似然比检验方法克服模型失配对成像性能的影响.实验结果验证了本文结论的正确性和成像算法的有效性.     

裂缝诱导的多次散射波边界元法模拟

提出了一种研究二维弹性动力学散射问题的边界元法，其中，散射体或侵入体散场以Ｈｕｙｇｅｎｓ原理积分形式表达，虚拟场源以适配边界条件来求取，该间接边界元法可以高精度计算包括多次散射在内的全波场。通过对不同空间与尺度分布裂缝所诱导的地震波散射数值计算表明：该方法具有计算多次散射波场的能力，尾波（多次散射波）频率及延续长度受控于裂缝位置及尺度；等效介质弹性参数受控于散射体不同的统计分布。     

基于MAPC-RISR的MIMO雷达距离——角度二维超分辨率成像算法

MIMO雷达作为一种新型的雷达体制,其成像兼具实时性和高分辨率的特点,为了充分发挥MIMO雷达在成像方面的优势,提出一种高分辨率的MIMO雷达成像算法.首先将MIMO雷达成像过程分为距离向脉冲压缩和方位向聚焦成像两个过程,采用多波形自适应脉冲压缩技术(MAPC)实现距离向脉冲压缩和发射波形分离,然后在MIMO雷达虚拟阵列端利用超分辨率空间谱估计方法(RISR)进行方位向聚焦成像,得到了观测区域的距离—角度二维高分辨率的成像结果.理论分析表明,与已有的MIMO雷达自适应成像算法相比,所提方法降低了算法复杂度,提高了运算效率.仿真实验验证了所提MIMO雷达成像算法的有效性与优越性.     

矢量波函数求解单轴手征圆柱的电磁散射响应

用特征波的概念和角谱展开法 ,得到了矢量波函数表达的新颖单轴手征材料电磁散射的特征函数展开 .单轴手征介质中无源矢量波函数的解由两个横波和一个纵波组成 .计算机数值模拟了单轴手征圆柱的电磁散射响应 ,及其与各特征参数的函数关系 .结果表明 ,单轴手征特性明显地影响柱形散射体的散射特征 .可以预期 ,这种新颖的单轴手征介质能在较宽的频率范围和尺寸范围内可用来构造产生弱反射的曲面物体 .     

前向散射雷达地表杂波物理建模及频谱扩展分析

文中通过对前向散射雷达杂波实测数据的处理,观测到前向散射雷达杂波谱的扩展对风速和载频极不敏感这一特殊现象.首次引入钟摆模型对前向散射雷达植被杂波进行物理建模和形成机理的分析,并给出了定量的理论分析结果,可很好地解释前向散射雷达杂波谱扩展的特殊现象.钟摆模型假设下分析得到的结果与实测数据处理结果非常一致,充分地验证了这一模型的合理性,揭示了前向散射雷达杂波谱的形成规律.并且基于杂波谱扩展对载频和风速的稳定性特征,可得到最优的杂波抑制带宽,有效地进行杂波抑制,为运动目标的检测和精确参数估计奠定了基础.     

基于贝叶斯理论的多载频SIAR雷达频率分集角度测量

SIAR雷达采用多载频正交发射、多天线接收模型,通过频率分集处理,其接收回波经过变换等效为非均匀空域采样信号,常规傅里叶变换处理得到的目标谱分析会出现较大的旁瓣效应,文中先对接收天线位置进行预排序处理,之后通过贝叶斯后验概率分布准则,采用l2范数对目标功率谱进行加权约束,进而获得空间均匀采样阵列回波.仿真试验给出了目标在不同SNR、不同外推阵列个数及不同仰角下的谱分析,仿真结果有效验证了SIAR雷达在高分辨角度测量等方面的优势.     

基于热吸收分布的热声成像方法研究

注入电流式热声成像是一种电磁场与声场耦合新型成像技术,融合了传统电阻抗成像高对比度和超声成像高分辨率的优势,具有早期诊断的潜力.为了验证该方法在复杂生物组织结构中应用的可行性,本文分析了注入电流式热声成像方法基本理论,将脉冲激励电流注入目标体,在目标体中产生焦耳热,引起热膨胀激发超声波;将热吸收作为热声源,以低电导率的椭圆和长方形目标体为几何模型,进行电磁场和声场耦合分析,得到声源及声压分布;同时,搭建了成像系统实验平台,分别采用不同厚度猪骨质和模拟生物软组织的1 S/m低电导率仿体、新鲜猪肝离体组织嵌入0.5 S/m仿体,将脉宽0.8μs的脉冲激励电流源注入仿体,开展热声实验研究.采用1 MHz中心频率的超声换能器进行声压信号的检测,得到目标体的声压信号及猪肝仿体的B扫图像.研究结果表明:较薄较软的骨头遮挡实验所检测到的声压信号并无明显衰减,尽管硬骨对声信号起到了一定的衰减作用,但依然可以得到较清晰的声压信号,且声压波形均可反映凝胶仿体电导率变化的位置;猪肝仿体实验结果验证了该方法可反映低电导率生物组织电导率变化.该研究证实了该方法用于复杂生物组织成像的可行性,为推动多物理场耦合成像技术应用于人体疾病诊断提供了依据.     

低掠角入射粗糙面上低空目标双站散射的有限元数值模拟

提出了电磁波低掠角入射二维粗糙海面与低空目标的复合建模, 用有限元方法数值模拟了风驱海面与目标的双站电磁散射. 有限元方法中吸收边界采用共形匹配层技术, 消除了平面匹配层交接处在低掠角入射时产生的反射误差. 数值结果与前后向迭代法作了一致性验证. 讨论了双站、单站散射随目标高度、海面风速、入射与散射角变化的函数关系, 给出了粗糙面与上方目标复合建模双站散射机理性的数值描述.     

用极化脉冲镜向回波反演非均匀植被下地表面的粗糙度与湿度

给出矢量辐射传输方程(VRT)求解非球形粒子非均匀随机介质的时间相关的Mueller矩阵, 数值模拟了极化脉冲入射下同极化和交叉极化双站散射. 极化脉冲回波表明了体散射和面散射机制, 描绘了随机散射粒子非均匀占空比的廓线分布, 可以清楚地辨别出由于下垫面反射引起的回波尾峰. 用镜向同极化双站散射的尾峰可以同时反演非均匀植被下地表面粗糙度和湿度.     

十字型阵列的互耦自校正算法

针对十字型阵列的互耦校正问题,提出一种信号源的二维角信息与互耦系数联合估计的互耦自校正算法,该方法对线阵内和线阵间的互耦同时进行校正.利用线阵内互耦矩阵及线阵间互耦矩阵的特性,构造重构矩阵,将耦合的二维角与互耦系数联合估计问题转化为级联估计问题,不需要校正源,避免了高维参数的非线性搜索.理论分析和仿真结果均表明,提出的方法可以很好地解决十字型阵列的互耦校正问题,信号的二维角和互耦系数的估计精度高,且计算量小.     

基于纳米粒子的超声速流动成像

由于超声速流动受到可压缩性、激波、不稳定性以及湍流等因素的影响, 现有流动显示与成像技术在流场结构的高时空分辨率和高信噪比测量中存在一定的问题. 为此, 本文提出了基于纳米粒子的平面激光散射技术（NPLS）, 该技术以纳米粒子作为示踪粒子, 以脉冲平面激光作为光源, 通过CCD记录流场中的粒子图像实现超声速流动的高分辨率成像. 根据多相流体动力学理论和斜激波校准实验研究了纳米粒子在超声速流动中的跟随性问题. 根据光散射理论深入分析了影响纳米粒子散射光强的各种因素. 理论和实验研究结果表明, 纳米粒子的动力学行为和光散射特性大大提高了NPLS技术的时空分辨率和信噪比, 能够再现激波、膨胀波、马赫盘、边界层、滑移线和混合层共存的精细流场结构.