空天目标探测与识别技术在空天**保障中发挥着举足轻重的作用。《空天目标雷达认知成像技术》是作者在完成多个相关基金项目基础上撰写而成，《空天目标雷达认知成像技术》梳理和总结了作者近十年来相对完整与体系化的研究成果。具体内容包括：空天目标成像基本原理、发射波形认知优化设计、雷达资源优化调度、新体制雷达认知成像、微动目标特征认知提取与成像等。《空天目标雷达认知成像技术》详细阐述了空天目标认知成像的关键技术，反映了该研究领域的**进展。

第1章 绪 论
空天目标探测与识别技术作为保障空天**的重要支撑，在新时代高技术战争中占据着举足轻重的地位。当前，现代雷达技术快速发展，雷达目标探测与识别技术已由简单的搜索跟踪测量阶段发展到了特征信息测量阶段，即通过利用一维距离成像、逆合成孔径雷达成像、微多普勒特征分析等方法和手段，获得目标的外形、体积、表面物理参数、微动参数等，为目标识别提供丰富的特征信息。因此，实现目标高分辨成像已经成为雷达系统担负的重要任务之一。
近年来，随着世界各国空天活动规模不断扩大，空天目标如飞机、卫星、弹道导弹、太空碎片等呈现出种类繁多、运动复杂等特点。然而，传统的雷达成像技术难以满足未来空天目标探测与识别需求，具体表现为：对目标和环境的自适应调整能力弱；工作模式和系统参数自由度不高；雷达资源分配矛盾突出；多任务工作能力有待提高等。
智能化是未来雷达技术发展的重要方向。2006年，加拿大McMaster大学认知系统实验室的S. Haykin教授提出了“认知雷达”的概念(Haykin，2006)。认知雷达**的特点是具有闭环反馈系统结构，能够根据接收机到发射机的反馈信息，逐步实现对外界环境的认知，进而实现对目标的**探测。将认知雷达思想扩展到雷达成像技术中，2012年提出的“认知成像”技术(Luo et al.，2012；Zhu et al.，2012)被认为是雷达信号处理领域中**发展潜力的技术之一。
本章首先介绍当前国内外在空天目标雷达成像方面的研究概况和高分辨雷达成像技术的发展趋势，接下来阐述“认知成像”基本概念和认知成像中的关键技术，*后给出本书的内容结构。
1.1 空天目标雷达成像发展概况
雷达成像技术是雷达技术发展史上的一个重要里程碑。按照工作原理和成像方式的不同，成像雷达可以分为合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)和逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar，ISAR)。在SAR成像中，雷达平台做直线运动，利用雷达平台与地面静止目标(场景)之间的相对运动所形成的合成孔径来获得方位向高分辨能力。相反，在ISAR成像中，通常雷达平台不动，而目标运动，雷达平台与运动目标之间同样会形成等效合成阵列，从而获得方位向的高分辨能力。显然，地面场景SAR成像技术和空天目标ISAR成像技术的原理在本质上是相同的，本书仅针对空天目标成像技术进行讨论，不涉及SAR成像技术的相关工作。
空天目标包含空中运动目标和空间运动目标两类，其中空中运动目标主要包括大气层中飞行的飞机、巡航导弹、无人机、飞艇等目标；而空间运动目标主要包括在大气层外飞行的航天器、卫星、弹道导弹、太空碎片等目标。空天目标成像技术主要研究如何根据目标回波信号特点，设计相应的信号处理方法来获得目标的高分辨聚焦图像，为后续的目标分类与识别提供重要特征信息。
1. 空天目标雷达观测系统
总体来说，空天目标成像经历了从低分辨成像到高分辨成像、从单目标成像到多目标成像、从单一成像工作模式向多功能协同工作模式、从单部雷达成像到组网雷达协同成像的发展过程。20世纪60年代起，美国高度重视空天目标高分辨成像在雷达目标探测与识别中的重要作用，相继研发和列装了多种型号的ISAR成像系统。1964年，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)林肯实验室完成了对赫斯台克(Haystack)地基雷达的研制，用于对高轨卫星、导弹等目标执行监视、成像、识别等任务。此后，Haystack辅助雷达(HAX)系统于1993年正式部署，该系统可实现对空间近地轨道目标、空间碎片等目标的高分辨成像。2013年，林肯实验室将Haystack雷达系统升级为超宽带卫星成像雷达系统(Haystack ultra-wideband satellite imaging radar，HUSIR)(MacDonald，2013)，其工作于W波段，工作带宽达到8 GHz，距离分辨率达到2 cm。此外，美国于1970年研发了ALCOR空间目标成像雷达，主要用于执行空间卫星跟踪、成像等任务，其曾对我国“东方红”人造卫星进行了有效跟踪和成像。20世纪80年代末，林肯实验室对该雷达进行了升级改造，增强了其对小卫星的成像能力。1981年，美国在“瞭望号”军舰上部署了Cobra Judy雷达(William-William，2000)，该雷达系统由工作在S和X两个波段的雷达组成，首先加装的是右侧舰尾上的工作在S波段的有源相控阵雷达，后于1984年加装了工作在X波段的碟形天线系统，*终实现了基于稀疏频带合成技术的导弹目标高分辨成像(Cuomo et al.，1999)。1996年，美国导弹防御部门委托林肯实验室研发Cobra Gemini雷达系统，部署加装在“**号”军舰上，该系统同样工作于S和X双波段，其中X波段用于目标跟踪，发射信号带宽为300 MHz，S波段用于目标成像，信号带宽达到1 GHz。90年代后期，美国夸贾林毫米波空间监视雷达带宽达到2 GHz，可工作在35 GHz和95 GHz两种**频率上(Roth et al.，1989)，对空间目标的成像分辨率达到了0.1?m，在弹道导弹和太空碎片的探测与识别中发挥了重要作用。2007年，林肯实验室启动宽带组网雷达系统(wideband networked sensors，WNS)项目，以期将多视角观测数据进行联合处理，通过数据融合技术获得更高的成像分辨率。
近年来，林肯实验室通过联合Haystack、HAX等多部雷达系统共同构成了林肯空间监视网，该空间监视网具备双基地成像、干涉三维成像、稀疏频带成像等功能，为美国**导弹防御系统(national missile defense，NMD)的构建以及空间目标监视与识别研究奠定了重要基础。为了构建NMD系统，有效解决多目标跟踪、成像和识别等问题，美国还研发了多个型号的同时具有搜索、跟踪、成像、识别等多种功能的雷达系统。其研发历程可主要分为四个阶段：①?20世纪80年代中，开展“星球大战”计划，研制了具有末段成像功能的SDI-GBR雷达，主要解决多目标跟踪、识别等问题；②?20世纪90年代中，研发战区弹道导弹防御系统，其代表性装备为演示验证系统GBR-T和用户作战评估系统，其工程产品为主要用于实施末段高层拦截的THAAD-GBR系统；③?20世纪
图1.1 美国ISAR成像系统发展概况
90年代末，研发了GBR-P系统以及XBR雷达系统，GBR-P改进后的GBR-N系统具备真假弹头识别能力；④?21世纪初，美国开始部署一体化反导防御系统，研发海基多功能雷达、可运输并进行前沿部署的FBX-T雷达系统等。总体而言，美国ISAR成像系统发展概况如图1.1所示。
目前，俄、中、英、德等**也都具有空天目标成像能力。德国研制的航天目标跟踪与成像雷达(tracking and imaging radar，TIRA)工作于Ku波段，工作带宽达到 2.1 GHz?(Aida et al.，2009)，成功获取了“和平号”空间站和航天飞机的高分辨ISAR像 (如图1.2所示)，并且该雷达在2009年密切观测了俄罗斯“Cosmos 2251”卫星与美国“Iridium 33”卫星相撞后所产生的空间碎片目标群。俄罗斯则建立了“宇宙空间监视系统”，可以发现和跟踪各种军用航天器，为空间攻防对抗提供目标情报信息。法国的“Oceanmaster-400”、英国的“雄狐”等多种战术成像雷达也在空天目标探测与防御中承担着重要作用。我国也已研制成功了多种可用于空天目标探测和成像的宽带雷达，能够实现空天目标的**跟踪和高分辨成像，在载人航天、空天目标监视、空间防御体系中均发挥了重要作用。
图1.2 TIRA雷达成像结果(MacDonald，2013)
2. 新体制雷达成像技术
早期雷达通过天线的转动来实现雷达波束在空间的扫描，被称作机械扫描雷达。随着现代战争信息化程度的不断提高，雷达担负的工作任务日趋繁重、所处的电磁环境越发复杂，因此，雷达波束的灵活变化能力和数据的高速处理能力至关重要。相控阵雷达能够通过电子方法对雷达波束的幅度、相位和功率进行控制，从而实现雷达天线波束在空间的转动或扫描。与传统的机械扫描雷达相比，相控阵雷达具有以下优势(张光义和赵玉洁，2006)。
(1)具有应对多目标的能力。相控阵雷达的波束捷变能力，使其能够同时担负目标搜索、跟踪、成像、识别等多种任务。配合计算机的高速数据处理能力，相控阵雷达在多方向、多层次、多目标的探测任务中发挥着重要作用。
(2)实时性好。相控阵雷达不再受到天线驱动系统的束缚，摆脱了机械惯性对扫描速度的制约，极大地缩短了目标信号的检测和录取时间，实时性较机械扫描雷达有大幅提升。
(3)抗干扰能力强。相控阵雷达天线是由多个辐射单元(称为阵元)排列而成的阵列，可以通过人为控制阵列中各单元的馈电相位来获得高功率。更进一步，雷达天线能够根据空间不同方向上所需能量的不同，对能量进行合理分配并控制主瓣增益，同时对旁瓣进行有效**，实现自适应抗干扰。
(4)可靠性高。相控阵雷达天线的每个辐射单元都可以独立完成波束的发射和接收，在有少量单元损坏的情况下，依然可以正常工作，保证了雷达系统的可靠性。
此外，随着数字技术的发展，数字化相控阵雷达(也被称为“数字阵列雷达”，本质上仍是一种相控阵雷达)作为一种新体制雷达，与传统相控阵雷达相比，它摒弃了传统的数字移相器、衰减器以及大量的电源电缆和控制电缆，采用数字波束形成技术实现雷达信号的发射和接收，进一步提高了雷达系统资源调度的自由度、波束指向控制的灵活性、信号接收处理的动态范围、抗干扰能力以及空间功率分配的可控性。
实际上，对于空天目标ISAR成像而言，传统相控阵雷达ISAR成像、数字化相控阵雷达ISAR成像以及机械扫描雷达ISAR成像的成像处理方式是相同的，只是在波束形成、接收和扫描方式上存在不同。因此，本书在介绍空天目标ISAR成像处理方面的相关工作时，不再对传统相控阵雷达ISAR成像、数字化相控阵雷达ISAR成像以及机械扫描雷达ISAR成像进行区分，仅在需要特别强调时，给出相应说明。此外，在不需要区分传统相控阵雷达和数字化相控阵雷达时，本书后文中统称为“相控阵雷达”。
ISAR成像中，目标距离分辨率由信号带宽决定，方位分辨率由等效合成阵列长度决定，而等效合成阵列由目标和雷达之间的相对运动形成。因此，ISAR成像需要较长的相干积累时间来获得方位向高分辨，目标成像实时性不高。此外，ISAR成像技术通常将目标运动分解为目标参考点沿目标运动轨迹的平动分量以及目标绕自身参考点的转动分量，在完成平动补偿后采用转台模型对目标进行高分辨成像。然而，在实际应用中，ISAR成像的目标通常是非合作的，对于运动信息未知的非合作目标(尤其是复杂运动目标)难以获得完全**的平动补偿结果，这会对ISAR成像质量产生严重影响(保铮等，2005)。
多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)雷达的提出，为提高目标成像实时性和解决非合作目标平动补偿问题提供了新的技术途径。广义上来说，只要使用了多个发射阵元和接收阵元的雷达都可称为MIMO雷达(Fishler et al.，2004)(从这个意义上来说，相控阵雷达也可以被认为是MIMO雷达的一个特例，但通常不将其划入MIMO雷达范畴)。需要说明的是，MIMO雷达各发射阵元辐射的信号波形通常是相互正交的，但根据任务需求，也可以是相关的或部分相关的，如通过发射信号波形设计来实现MIMO雷达发射方向图的优化时，各发射信号之间通常是部分相关的。用于目标成像尤其是快拍成像的MIMO雷达基本构成则通常如图1.3所示，发射

目录 丛书序 前言 第1章 绪论 1 1.1 空天目标雷达成像发展概况 1 1.2 “雷达认知成像”概念的提出和发展 10 1.3 雷达认知成像中的关键技术 14 1.4 本书内容结构 15 参考文献 16 第2章 空天目标雷达成像的基本原理和方法 19 2.1 ISAR成像基本原理 19 2.2 稀疏频带与稀疏孔径高分辨成像 30 2.3 微动目标的微多普勒效应与高分辨成像 42 参考文献 62 第3章 雷达发射波形认知优化设计与成像 64 3.1 随机PRF信号认知优化设计 64 3.2 多PRF信号认知优化设计 66 3.3 频率步进信号认知优化设计 73 3.4 调频步进信号认知优化设计 80 3.5 MIMO雷达波形认知优化设计 104 参考文献 116 第4章 相控阵雷达资源调度 118 4.1 相控阵雷达资源调度基本原理 118 4.2 基于认知成像的资源优化调度 122 4.3 基于脉冲交错的资源优化调度 134 参考文献 142 第5章 混合MIMO相控阵雷达认知成像与资源优化调度 143 5.1 混合MIMO相控阵成像模型的提出背景 143 5.2 多目标认知成像 148 5.3 雷达资源优化调度 163 参考文献 178 第6章 基于TBD技术的微动特征提取与资源优化调度 179 6.1 基于TBD的微动特征提取 179 6.2 雷达资源优化调度 193 参考文献 207 英文缩略语 208 作者简介