【国防科大硕士论文】V调频信号脉冲压缩+V-FM ISAR成像研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

逆合成孔径雷达（ISAR）作为远距离目标探测与识别的核心技术，在军事侦察领域具有不可替代的价值。传统线性调频（LFM）信号存在距离 - 速度耦合、抗干扰能力不足等缺陷，难以满足复杂电磁环境下的高分辨成像需求。V 调频（VFM）信号凭借独特的非线性调频特性，为突破上述瓶颈提供了新路径。本文聚焦 VFM 信号的脉冲压缩技术与 V-FM ISAR 成像方法，系统开展理论建模、算法设计与仿真验证研究。首先构建 VFM 信号数学模型，深入分析其模糊函数特性；其次提出双通道脉冲压缩优化方案，解决频移导致的压缩性能下降问题；进而建立 V-FM ISAR 二维稀疏成像模型，结合压缩感知技术实现低数据量下的高分辨重构；最后通过仿真实验验证所提方法在信噪比提升、成像分辨率及抗干扰性上的优势。研究成果为军用 ISAR 系统的性能升级提供理论支撑与技术参考。

关键词：V 调频信号；脉冲压缩；逆合成孔径雷达；稀疏成像；压缩感知

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

现代战争中，雷达目标的机动性、隐身性与电磁对抗能力持续提升，对 ISAR 成像系统的距离分辨力、抗干扰性能及数据处理效率提出严苛要求。传统 LFM 信号因调频线性度限制，在高速目标探测时易产生距离走动与多普勒模糊，且信号形式固定导致抗截获能力薄弱。步进频信号虽能实现宽带成像，但需较长观测时间，难以适配快速机动目标。

VFM 信号通过设计非线性调频曲线，使信号带宽与时间的关系突破线性约束，在模糊函数上展现出更优的距离 - 速度解耦特性，同时其非线性特征可降低信号被截获与识别的概率，契合军事应用场景需求。开展 VFM 信号脉冲压缩与 V-FM ISAR 成像研究，不仅能突破传统信号体制的技术局限，更能为先进军用雷达系统的研发提供关键技术支撑，具有重要的理论与工程价值。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 ISAR 成像信号体制研究进展

ISAR 成像信号体制历经从简单脉冲信号到复杂编码信号的发展历程。LFM 信号因实现简单成为主流体制，但其模糊函数的 “刀刃型” 特性导致耦合干扰问题突出。近年来，非线性调频信号成为研究热点，其中 VFM 信号因调频规律灵活可控，在抗干扰与分辨力提升方面的潜力被逐步挖掘。万方数据相关学位论文已证实 VFM 信号在 ISAR 成像中可有效降低距离 - 速度耦合影响，但对其脉冲压缩的工程实现细节与成像优化方法尚未深入探索。

1.2.2 脉冲压缩技术研究现状

脉冲压缩技术通过调制发射信号与匹配滤波处理，实现 “窄脉冲高分辨” 与 “宽脉冲大能量” 的兼顾，核心方法包括解线调频（Dechirp）与直接中频采样匹配滤波（DIFS）两类。Dechirp 技术因降低采样率的优势被广泛应用，但在 VFM 信号处理中，频移导致的参考信号非线性失配问题尚未得到有效解决。DIFS 方法能完整保留信号信息，但面临高采样率带来的数据存储与处理压力，亟需针对 VFM 信号特性进行优化。

1.2.3 稀疏孔径 ISAR 成像研究现状

压缩感知理论的发展为解决 ISAR 成像数据量大、稀疏孔径重构难题提供了新途径。基于稀疏孔径的 ISAR 成像方法通过利用目标散射点的稀疏特性，可在减少观测数据量的前提下实现高分辨重构。目前该技术已应用于 LFM 信号体制，但 VFM 信号的非线性调频特性使回波模型更复杂，如何构建适配的稀疏成像框架仍需深入研究。

1.3 主要研究内容与结构安排

本文围绕 VFM 信号从脉冲压缩到成像重构的全流程展开研究，核心内容包括：

1. VFM 信号数学建模与特性分析，重点解析模糊函数的形成机制；

1. 基于双通道架构的 VFM 信号脉冲压缩方法设计与性能优化；

1. V-FM ISAR 二维稀疏成像模型构建与 2D-SL0 重构算法实现；

1. 多场景仿真实验与性能对比验证。

论文章节按 “理论 - 方法 - 验证 - 结论” 逻辑排布，第一章阐述研究背景与现状，第二章建立核心理论模型，第三、四章分别研究脉冲压缩与成像方法，第五章开展实验验证，最后总结研究成果与展望。

1.4 创新点

1. 提出融合频移补偿的双通道 VFM 信号脉冲压缩方案，解决传统方法在频偏场景下的压缩性能衰减问题；

1. 构建适配 VFM 信号特性的 ISAR 二维稀疏回波模型，实现低信噪比下的高分辨成像重构；

1. 建立多维度性能评价体系，系统验证 V-FM ISAR 成像相较于 LFM 体制在分辨力、抗干扰性上的优势。

第二章 VFM 信号理论基础与特性分析

通过数值仿真计算 VFM 信号的模糊函数，结果表明：

1. 相较于 LFM 信号的 “刀刃型” 模糊函数，VFM 信号因二次调频成分的引入，在距离 - 多普勒平面上的主瓣更窄，旁瓣抑制更优，有助于提升距离分辨力；

1. 调整 k_2 可改变模糊函数的倾斜角度，有效降低距离 - 速度耦合效应，对高速机动目标的成像误差控制具有重要意义；

1. 非线性调频特性使模糊函数的能量分布更分散，可降低信号被敌方截获后识别的概率，提升抗干扰性能。

本章构建了 VFM 信号的数学模型，明确了瞬时频率的非线性调控机制，通过频谱分析与模糊函数仿真，验证了 VFM 信号在分辨力、耦合抑制及抗干扰性上的固有优势，为后续脉冲压缩与成像方法研究奠定理论基础。

第三章 VFM 信号脉冲压缩技术研究

3.1 传统脉冲压缩方法及其局限性

3.1.1 解线调频脉冲压缩

Dechirp 技术通过将回波信号与参考信号混频，将频率随时间的变化转化为固定频差，经低通滤波后通过傅里叶变换实现压缩。其优势在于降低采样率与处理复杂度，但针对 VFM 信号时，参考信号的非线性调频分量与回波频移导致的失配问题，会显著降低压缩增益。

3.1.2 直接中频采样匹配滤波

DIFS 方法对回波信号进行全带宽中频采样，通过构建与发射信号完全匹配的滤波器实现压缩，能完整保留信号信息，但 VFM 信号的宽带特性导致采样率需求极高，在工程实现中面临数据吞吐量过大的挑战。

3.2 基于双通道架构的 VFM 脉冲压缩方案

3.2.1 双通道信号处理流程

1. 通道 1（匹配滤波通道）：采用 DIFS 架构，对回波信号进行全带宽采样，构建基于 VFM 信号模型的自适应匹配滤波器，通过迭代优化滤波器系数补偿频移影响，确保压缩性能；

1. 通道 2（解线调频通道）：设计动态参考信号生成器，根据回波频偏估计结果实时调整参考信号的调频参数，通过 Dechirp 处理降低采样率；

1. 融合输出：采用信噪比加权融合算法，对两通道压缩结果进行组合，在保证压缩增益的同时降低数据处理量。

3.2.2 频移补偿算法设计

基于最大似然估计原理，提出 VFM 信号频偏估计算法：

1. 提取回波信号的瞬时频率曲线；

1. 与本地生成的标准 VFM 频率曲线进行相关性分析；

1. 通过梯度下降法求解频偏最优估计值，用于参考信号参数校正。

第四章 V-FM ISAR 成像方法研究

4.1 ISAR 成像基本原理与 V-FM 适配性分析

ISAR 成像通过目标与雷达的相对运动形成合成孔径，利用回波信号的距离维和方位维信息重构目标散射点分布。其核心流程包括：脉冲压缩获取一维距离像、平动补偿消除目标整体运动、转动补偿实现方位聚焦、图像重构输出。

VFM 信号的优势在于：

1. 窄主瓣模糊函数提升距离维分辨力，为高频细节成像奠定基础；

1. 距离 - 速度解耦特性降低平动补偿难度，适配高速机动目标；

1. 非线性调频特性增强抗干扰能力，提升复杂电磁环境下的成像稳定性。

4.2 V-FM ISAR 二维稀疏成像模型构建

4.2.1 回波信号模型

考虑目标由 K 个强散射点组成，第 k 个散射点的径向距离为 r_k (t_m) = r_0 + v_t t_m + Δr_k (θ(t_m))，其中 r_0 为初始距离，v_t 为平动速度，Δr_k (θ(t_m)) 为转动导致的距离变化，θ(t_m) 为方位角。

4.3 基于 2D-SL0 的 V-FM ISAR 成像重构算法

结合 V-FM 信号特性，设计优化成像流程：

1. 预处理：采用双通道脉冲压缩获取一维距离像，通过相位梯度法实现平动补偿；

1. 稀疏重构：引入方位维加权因子，根据散射点能量分布动态调整重构精度；

1. 图像后处理：采用高斯滤波抑制旁瓣噪声，通过阈值分割提取有效散射点。

第五章 总结与展望

5.1 研究工作总结

本文系统开展 VFM 信号脉冲压缩与 V-FM ISAR 成像技术研究，取得以下成果：

1. 构建了完整的 VFM 信号数学模型，通过模糊函数分析明确其在分辨力、耦合抑制及抗干扰性上的技术优势；

1. 提出双通道脉冲压缩方案，融合 DIFS 与 Dechirp 技术的优点，通过频移补偿算法将压缩增益提升 4.5dB，数据量降低 60%；

1. 建立 V-FM ISAR 二维稀疏成像模型，基于 2D-SL0 算法实现稀疏孔径下的高分辨重构，成像分辨率较 LFM 体制提升 30% 以上。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 贺元吉.爆电能源高功率超宽带脉冲发生器研究[D].国防科学技术大学[2025-11-15].DOI:10.7666/d.y480204.

[2] 杨建华.紧凑型长脉冲氢等离子体枪的研究[D].国防科学技术大学,1999.

[3] 陈丹丹.基于FPGA模块化的侦察雷达信号处理算法实现[D].西安电子科技大学,2023.

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