（信息与通信工程专业论文）冲激脉冲sar成像理论与方法研究.pdf

塑墼型耋基奁盔主堑瑟耋睦耄堡垒塞 摘要 本文的主要内容是研究利用超宽带( u w b ) 冲激脉冲s a r ( i m p s a r ) 成像的理 论与方法。根据目标散射中心模型，文中给出了i m p s a r 的适用于远场应用条件 的投影重建和应用于近场应用条件的波前重建成像方法。本文简要分析了目标 电磁散射与i m p s a r 成像有关的信号模型。经对冲激雷达旋转目标某一方向的回 波信号的分析，得知它的频谱是目标散射函数频谱在对应方向被发射信号频谱 加权了的一个切片。在此基础上，提出了基于回波时域信号的i m p s a r 投影重建 理论。根据这一投影重建理论，导出了i m p s a r 目标投影重建的卷积一反投影算 法及其近似算法一反向投影算法。本文利用点扩展函数推导了旋转目标成像在 3 6 0 。和小角度时的分辨率解析表示。对于一般成像条件，分辨率可根据本文的 方法用数值计算的方法得到。不同于其它u w b 信号，i m p s a r 的辐射与接收有其 特殊性，即信号的时空偶合，本文定量分析了时空偶合对i m p s a r 成像的影响。 当成像系统用于近场应用时，投影重建理论需要加以改进以加入电磁传播球面 波波前的影响。为此，本文分析了i m p s a r 波前重建理论。在此理论基础上讨论 了基于付里叶变换的波前重建的频域重建算法，一尼算法和s o u m e k h 算法。通 过理论分析，本文从波前重建理论导出了i m p s a r 反向投影算法( b - p ) ，证明 了b - p 算法等效于s o u m e k h 算法。在小积累角或远场条件下，一七算法与b p 等效。在对i m p s a rb - p 算法分析的基础上，提出了改进算法以反映电磁传播 的衰减和对合成孑l 径域的加权，这在近场应用中是非常重要的。另外，提出了 便于实际应用的l o b p 算法。提出了一种快速b - p 算法，纯反向投影算法( p b p ) ，分析与成像实验均证明了所提出的算法较之b - p 算法在性能上有很大的提 高。本文还分析了i m p s a rw b p 这一特殊的成像算法的方位分辨率。结果表明 i m p s a rw 旷p 算法方位分辨率与利用点扩展函数( p s f ) 的分析结果基本一致， 这也从另一方面证明了w b - p 算法的有效性。本文的实验研究利用了时域瞬态场 测量系统一u w b m c e 。利用本文所提出的几种算法对典型目标实验数据进行了成 像处理与性能比较，结果表明了本文理论分析与所提算法的正确性和有效性。 关键河冲纛脉冲，超露带信号臂迭合成孔径，徽漩成像， 投影重建，波前重建，目标识剐，点扩晨西羹，电蠢散射 第1 页 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i st 1 1 e s i si st oi r i v e s t i g a t et h et h e o r ya n da l g o r i t h mo fm i c r o w a v e t a r g e ti m a g e f o r m a t i o nw i t h u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) i m p u l s es a r ( h n p s a r ) p r o j e c t i o nr e c o n s t r u c t i o nf o rt h ef a rf i e l da p p l i c a t i o n sa n dw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o n f o rt h er l e a rf i e l da p p l i c a t i o n so ft h ei m p s a ra r ea d d r e s s e da c c o r d i n gt ot h et a r g e t s c a t t e r i n gc e n t e rm o d e l i t i ss h o w nt h a tt h es p e c t r l n no ft h eb a c k w a r ds c a t t e r i n g s i g n a lo far o t a t i n gt a r g e ti sas l i c eo ft h es p e c t r u mo ft h es c a t t e r i n gi n t e n s i t yf u n c t i o n o f 也et a r g e ti nt h ec o r r e s p o n d i n ga s p e c to ft h es y s t e m w e i g h t e db yt h es p e c t r u mo f t h ei n c i d e n ts i g n a l b a s e do nt h i sa n a l y s i s ，t h ei m p s a rp r o j e c t i o nr e c o n s t r u c t i o n t h e o r yi sp r e s e n t e d n ec o r r e s p o n d i n gi m a g ef o r m a t i o na l g o f i t h r n s b o t hi nt i m e d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n a r ei n t r o d u c e d b e g i u n i n gw i t ht h ep r o j e c t i o n r e c o n s t r u c t i o nt h e o r y , c o n v o l u t i o n - b a c k p r o j e c t i o na n di t sa p p r o x i m a t e da l g o r i t h m b a c k p r o j e c t i o na l g o r i t h ma r eg i v e n b e c a n s eo ft h ee q u i v a l e n c eo fs p o t l i g h ts a r a n dr o t a t i n gt a r g e ti m a g i n g ，t h ei m p s a rp r o j e c t i o nr e c o n s t r u c t i o nt h e o r yc a nb e s u c c e s s f u l l yu s e di ns p o t l i g h ti m p s a r w i t hp o i n ts p r e a df u n c t i o n ( p s f ) t h e a n a l y t i c a le x p r e s s i o no fi m a g i n gr e s o l u t i o no ft h eu l t r a - w i d e b a n dr u w b ls i g n a lf o r b o t h3 6 0 。a n ds m a l la n g l er o t a t i n gt a r g e ta r eg i v e n t h ei m p s a rw a v e f r o n t r e c o n s t r u c t i o nt h e o r yt a k e si n t oa c c o u n to f t h ep r o p a g a t i o np r o p e r t yo f s p h e r i c a lw a v e t h e r e f o r e i tc a nb eu s e dt oi n t e r p r e tb o t ht h en e a rf i e l da n df a rf i e l di m p s a r a p p l i c a t i o n s b a s e do nt h i st h e o r y ，t h ef o u r i e rt r a r t s f o r mb a s e dw a v e f r o n t r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m s ，一ka n ds o u m e k ha l g o r i t h m s ，a r ed i s e u s s e d a g a i n ， b e g i n n i n gw i t hw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o nt h e o r y ，at i m ed o m a i n r n p s a ri m a g e f o r m a t i o na l g o r i t h m ，b - pa l g o r i t h m ，i sd e r i v e d i ti ss h o w nt h a tt h ei m p s a rb p a l g o r i t h mi nt i m ed o r a a i ni st h e o r e t i c a l l ye q u i v a l e n tt o s o u m e k ha l g o r i t h mi n f r e q u e n c yd o m a i n i nt h ef a rf i e l di m p s a ra p p l i c a t i o no ri ft h er e l a t i v eb a n d w i d t h o ft h es y s t e mi sn o tv e r yl a r g e 脚一ki sa l s oe q u i v a l e n tt ob p i nt h i st h e s i s i m p s a rb pi sf o c u s e da n dm o d i f i e dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o n so ft h ee l e c t r o m a g n e t i c w a v ed i s p e r s i o n ，s y n t h e t i ca p e r t u r ew i n d o w i n ga n diqc h a n n e lr e a l i z a t i o ni nr e a lt i m e a p p l i c a t i o n s t h em o d i f i e db p w b p i sv e r ye 佑c i e n tf o rt h ec o m p l i c a t e d a p p l i c a t i o ns c e n a r i o ，s u c h 粥i m p s a r ，g p r ，w h e r et h ei m a g i n gs y s t e mm o v e sa l o n ga f l u c t u a t e dp a t h aw b pf a s ta l g o r i t h m ，n a m e dp u r eb a c k p r o j e c t i o n ( p b p 1 ，i s p r e s e n t e d 1 1 ：l i sn e wa l g o r i t h ms p e e du pt h ei m a g ef o r m a t i o nm o r es i g n i f i c a n t l yt h a n t h eo r i g i n a lo n e d i f 诧r e n tf r o mt h eo t l l e rl d n d so fu w bs i g n a l t h er a d i a t i o na n d p i c k i n gu po f t h ei m p u l s es i g n a lh a sav e r ys p e c i a lp r o p e r t y ，t i m ea n ds p a c ec o u p l i n g i nt h i st h e s i s t h ee f f e c t so ft h ec o u p l i n go ni m p s a ri m a g ef o r m a t i o na r ea n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l y au w bt i m ed o m a i nt r a n s i e n tf i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e m u w b m c e i su s e di nt h ei m a g i n ge x p e r i m e n t s t h ei m a g i n gr e s u l t sv e r i f yt h ec o r r e c t i o n o f t h et h e o r e t i c a ia n a l y s i sa n de f f i c i e n c yo f t h ea l g o r i t h m sp r e s e n t e di nt h i s 血e s i s k e y w o r d s ：i m p u l s es i g n a l ，u l t r a - w i d e b a n ds i g n a l ，r a d a r ，s y n t h e t i ca p e r t u r e ， m i c r o w a v ei m a g ef o r m a t i o n ，p r o j e c t i o nr e c o n s t r u c t i o n ，w a v e f r o n t r e c o n s t r u c t i o n ，t a r g e ti d e n t i f i c a t i o n ，p o i n ts p r e a df u n c t i o n ， e l e c t r o m a g n e t i cs c a t t e r i n g 第1 i 页 里堕墼堂璧奎童堑壅生堕耋堡丝塞 第一章绪论 1 1 引言 我国的冲激雷达的研究工作是从“七五”计划开始的，在近十年的时问 里，取得了可喜的成绩，不但掌握了冲激雨达天线、接收机、信号处理硬件与 算法、系统建模等方面的许多关键技术，而且还建成了一个小功率的冲激雷达 实验系统”1 ，目前与引进的u w b - - m c e 系统一起，在反隐身、目标超宽带特性 测量、隐蔽目标测量等研究领域中发挥着重要作用。1 9 9 6 年，国防科技大学研 究开始了“穿透叶簇超宽带s a r 体制及关键技术”的超宽带雷达应用研究。经 过5 年的刻苦攻关，取得了可喜的科研成果，研制出了超宽带导轨s a r 地基系 统舶。实验表明此系统的优良性能，为我国进一步发展实用的超宽带s a r 系统 打下了良好的基础。 大量基础性的理论与试验研究，都显示冲激需达较之常舰窄带雷达具有一 系列优越性i o , i 。l ： 1 高距离分辨率 雷达的距离分辨率反比于雷达的系统带宽，冲激雷达发射极窄的脉冲，具有极 宽的信号带宽，可分辨目标的精细结构。窄脉冲带来的另一个好处是克服了常 规雷达的近程盲区，可用于近距离探测，特别适用于宇宙飞船对接、导弹引信 起爆，汽车防撞等。 2 反隐身能力 隐身目标依靠专门设计的平滑外形或表面涂覆吸波材料( r a m ) ，减少对雷达发 射电磁波的后向散射，即减小目标的雷达截面积( r c s ) ，从而使对方雷达难以 探测到目标。但对于冲激雷达，这两种隐身方法都存在局限性，冲激雷达的丰 富低频分壁，可以对抗赋形隐身5 , 4 6 1 ，极宽的频带可以对抗r a m 隐身，因为目 前的r a m 只适用于常规霄达的窄带频谱，对宽带的冲激信号，它在吸收频带之 外仍有很强的反射回波。 3 目标识别能力 在常规窄带雷达中的“点”目标，对冲激雷达来说，已成为“体”目标。目标 对冲激雷达的响应可分为总体响应与局部响应，由总体响应可得到目标传递函 数的极点，由局部响应可得到目标散射中心的径向分布，二者都可以用来进行 目标识别。 4 穿透能力 冲激雷达具有丰富的低频频谱成分( 5 0 m l t z 8 0 0 m i i z ) ，此频段的电磁波对叶 簇、地表、甚至冰层等具有很好的穿透能力9 ，9 5 9 6 舯9 9 1 ，适用于探测地下隧 筇l 页 国防科学技术大学研究生院学位沦文 道、管道、地质断层及掩体或树林中的武器装备等。 5 高精度成像 对目标的高精度成像，要求雷达具有高的距离分辨率与方位分辨率。冲激雷达 因采用宽带窄脉冲信号，有厘米级的距离分辨率，若与合成孔径或逆合成孔径 技术相结合，同时又可以提供很高的方位分辨率，则可对目标进行精细成像。 因为冲激雷达的上述这些优越性，使它在目标探测、识别与成像等领域中 都有着广泛的发展和应用前景。 美国是最先开始研究超宽带( u w b ) 雷达的国家之一，在u w b 雷达技术方面 发展相当迅速。7 0 年代初，美国罗姆航空研究中心( r a d c ) 就研制出了赫兹冲 激脉冲产生器；随后，洛斯阿拉莫斯国立实验室研制出了光导开关，这些研究 成果，初步解决了冲激雷达的脉冲产生问题。9 0 年代，美斯坦福研究所研制了 冲激信号合成孔径实验雷达，密执安环境研究所和海军航空武器中心共同研制 了p 一3u w b 实验系统，海军研究生院组建了瞬态电磁散射实验室( t e s l ) ， t h e r m ot r e r 公司研制了超宽带雷达样机，并在美远景研究规划局( a p a r ) 和 国防部的资助下做了大量的实验【10 1 l 。可以说美国已经具备研制实用冲激雷达 的技术基础。 前苏联与俄罗斯在冲激雷达技术的研究领域中已达到了较高的水平。虽然 以前很少公开报道，但近几年从他们的学术论文、专著与推向市场的u w b 产 品，可以看出俄罗斯冲激雷达的研究已达到了国际先进水平【9 1 。1 9 9 6 年，我校 超宽带技术实验室引进了俄罗斯仪器工程研究所研制的超宽带测量计算设备 ( u w b - - m c e ) ，性能指标均超过了美国的同类产品。本文的实验数据都取自该 设备。 对目标或目标区的电磁( e m ) 反射特性及物理密度特性的成像已有了4 0 余 年的研究与应用历史。这种成像的条件是目标或目标区相对于传感器( 如：单 站雷达、声纳、x 射线及计算机辅助层析成像探头) 做电子的或机械的旋转或 平移运动1 , 3 4 , 3 7 , 3 8 】。目标区相对于传感器的旋转和平衡运动包括以下形式：1 ) 从卫星上观测行星表面( 合成孔经霄达( s a r ) ) ，2 ) 从飞行载体上观测地面 ( s a r ) ，3 ) 从固定地面平台观测飞行器( 逆合成i l 经雷达( i s a r ) ) ，4 ) 从 运动平台上观测地下目标或目标区( 探地雷达( g p r ) ) ，5 ) 旋转x 射线系统 扫描生物体( c a t ) 等。虽然不同的应用有不同的数据获取形式，但它们均可抽 象成旋转目标成像不同的应用有某些特别的考虑。当传感器照射方向相对于 成像目标变化一定的时间，传感器就可以采集一个信号记录序列。对这一接收 的信号记录序列进行处理就可获得目标的反射特性或密度特性。通常，目标相 对于传感器的旋转角越大，获取的信息越多，因而成像的质量越好，越精细。 筇2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 然而，由于物理实现上的限制，某些成像应用仅能获取有限的相对于目标的照 射的记录。 1 9 5 1 年，c w i l e y 提出了利用频率分析方法改普雷达分辨率的概念，并于 1 9 5 3 年发表了第一张合成孔径霭达图像；1 9 5 7 年，l j c u t r o n a 、e nl e i t h 等 人将光学全息的观点引入合成孔径雷达，并利用光学透镜组处理合成孔径雷达 的数据，得到了第一张大面积聚焦的合成孔径雷达图像，使合成孔径原理与技 术获得公认。6 0 年代初，b r o w n 等人开始旋转目标成像的研究，认识到这种成 像实质上与合成孔径成像是等价的：7 0 年代，w a l k e r 等人全面完善了距离一多 普勒成像理论，并引入了极坐标存贮技术，解决了大角度旋转成像的问题；7 0 年代后期，由逆合成孑l 径雷达获得的月球、金星表面图像先后公开发表。随 后，微波成像技术在地形测绘、地质墩探、海洋资源开发、水源监视、天文探 测、战场侦察等领域得到了广泛的应用1 , 3 3 , 3 4 , 3 5 。 x 射线成像与微波成像虽然是在不同的领域中发展起来的，但它们本质上 存在一致性。d c m u n s o n ，k k k n a e l l 等人详细分析了它们之间的异同，用x 射线成像中的投影切片代替了微波成像中的多普勒频移理论，成功地将卷积一 反投影图像再现法推广应用到微波成像中1 3 0 , 3 7 j 。 早期的微波成像技术包括s a r ，i s a r 及g p r ，已经成功地用于无损( n o n l o s s y ) e m 介质。9 0 年代，超宽带雷达技术的发展，为微波成像注入了新的活 力。用机载s a r 探测树簇下( f o l p e n ) 和地面下( g p r ) 的军用目标及进行环境 资源调查的研究开发和应用被逐渐地重视起来旧3 6 l 。这类应用的军事目标包 括，埋藏的和掩盖的地雷，武器仓库，机动车辆，飞行器。民用目标包括地下 电缆，水、气管道及危险的废弃罐子等。对于f o l p e n ，g p r 以及微波医学成 像，总是希望在功率一定条件下，增加探测的深度。在有损( l o s s y ) 介质中， 电磁波穿透能力随着电磁波波长的增加而增加 7 1 。由于介质的反射和吸收衰 减，频率高于l 波段电磁波( 早期和现代的商用、军用s a r 和g p r 系统的工作 频率) 只具有很少或极为有限的有损介质穿透能力。因此，从穿透的角度出 发，这类微波成像系统工作于较低的频率是有益的0 , 1 0 l 。另一方面减少微波工 作频率也能有助于获得军用或民用目标如飞机、坦克、地霄和废罐体的自然谐 振频率1 2 1 3 ，65 1 。目标的自然谐振频率是目标的唯一化特性，因而可以被用于 自动目标识别( a t r ) 。它与合成孔径、逆合成孔径技术相结合，特别适用于隐 蔽目标、低散射截面积目标的成像，获得的雷达图像理论上可达厘米级的分辨 率。目前，超宽带雷达成像技术在反隐身、隐蔽目标探测、地表下目标探测、 地球环境资源统计、多目标探测、目标特性研究等领域中受到高度重视【7 0 。 7 3 ，8 4 8 5 t 9 7 ，9 8 ，l - 1 0 8 1 笫3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 近五年来，生物体的微波成像引起了美俄两国研究机构的兴趣并开展了基 础研究【2 “】。最初这一成像的目的是作为一利，x 射线c a t 的低价格并且是安全 的替代品。后来的研究发现微波生物体成像在某些特殊应用上有着潜在的优 势。例如：如已证明，生物组织的介电特性随着温度、含血量、血中含氧量以 及局部贫血的变化而显著变化。而射线c a t 成像仅仅依赖于生物组织的物理密 度，在绝大多数情况下与组织的生理状态无关，这一现象意味着能够反映目标 介电特性的微波生物医学成像可以成为一种极具前途的生物组织的生理特征及 解剖结构的无损成像技术。 不同于单站雷达成像，微波生物成像系统可以沿着一个圆坏或球面从各个 角度照射目标。因而它可以获取关于目标的很多信息，从而得到较高的重建的 目标图像。微波生物成像可以模型化为一种旋转有损介质目标成像。 为实现有损介质中的微波成像，需要考虑两个因素1 ) 穿透深度。正如前 面所叙述的，1 ) 为提高穿透深度，低工作频率，如v i i f ，u h f ，l 波段是所期望 的。2 ) 足够的分辨率，基于信号理论，s a r 的距离分辨，记为r ，反比于信号 带宽，交叉域( 方位向) 分辨力，记为r 。，主要由成像系统相对于目标旋转所得 到的信号序列的相参处理而获得，交叉域分辨力反比于系统的中心频率。通常 应用要求r ，与r 。大致相同。因此，由于低中频信号用于穿透，就需要超宽带信 号( u w b s ) 以达到s a rf o l p e n 和g p r 系统应用中的合适的距离向与方位向分 辨力，从而保证辨识目标或成像表面的局域散射中心l 引。u w b s 是指信号的相对 带宽大于5 0 i “】，即 生二墨50(1-n ( f 1 + f i ) ，2 式中f h 与f i 分别是最高和最低有效频率。 在生物成像应用中，成像数据可以包括对于目标区3 6 0 。的照射角回波， 其分辨力仅取决于中心频率。但由于成像结果的动态范围决定于信号带宽。为 得到大动态范围的成像结果，u w b s 信号也是必须的。 1 2i m p s a r 成像的特点与发展 1 2 1i m p s a r 成像的特点及s a r 的线阵模型 在窄带s a r 系统中，雷达与目标的相对运动产生了一个多普勒历程，不同 位置的目标有不同的多普勒历程，因此，成像可以通过对成像区的每一象素建 立一个与之相匹配的滤波器来完成，这一过程近似为逆傅氏变换，距离向处理 筇4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在远场、小积累角条件下可以认为是与方位向相互独立的，通过脉压，提高 距离分辨率，其处理也可以用逆傅氏变换实现。 然而随着相对带宽的增加，2 一di f f t 的成像方法不再是一种有效的方法。 因为：1 ) 窄带中，基于多普勒频移的合成孔径聚焦解释此时变得模糊不清； 2 ) 对于u w b 冲激体制，相干和相位的概念不很明确；3 ) 在v 1 1 f u i i f 波段的 s a r 系统，波束很宽，如果充分利用波束宽度，系统不再工作于远场，菲涅尔 近似不成立。另外，在u w bs a r 地基实验中，作用距离一般不大于5 0 0 米，即 便较短的积累时问，也是一个近场问题，所以根据远场条件导出的傅氏变换孔 径函数需做修正或改进。基于上述几个原因，为充分表述u w b 冲激信号的成像 过程，也即对成像过程不加带宽和远近场限制，将合成孔径过程视为n 个发射 接收元线阵。 成像过程实际上是一个波束形成过程，对于一固定目标点，窄带条件下的 后向散射信号在目标点方向上相干相加，每个孔径位置均可视为一个离散的天 线元。远场条件下，当目标位于孔径的法线方向时，接收的平面波同时到达孔 径，在孔径的每一元上接收信号是等相位的，在孔径方向产生了个d c 信号。 当目标偏离法线时，接收的后向散射相位不等，在阵列上产生了一个正弦信 号，随着目标偏法线方向，正弦信号的频率也增加。方位向位置是频率的函 数，这与多普勒解释相似，如相对带宽增加，对于同一方位向位置，孔径方向 的振荡频率不再与方位向一一对应，它还是回波波长的两数。这就引入振荡频 率与方位向匹配函数的模糊，如果不加处理，将严重影响成像结果。一种解决 的方法是将系统带宽分为数个较窄的予带，对于某一孔径位置，形成多个窄带 波束，每个子带可以用傅氏变换进行处理，整个宽带的图像可以通过图像的叠 加产生。图像叠加要求每个子带形成的波束具有相同的波束宽度，而波束宽度 是波长，孔径尺寸的函数，形成等角度波束要求予带的有效孔径长度做适当修 正，由于合成孔径采样率，或者说阵元之问距是不变的，这就要求孔径有足够 的过采样，显然在实际中，这是不利的，从计算量的方面考虑，这一方法也不 好。 当目标处于近场时，法线方向的目标回波在孔径单元上也不再是等相位， 此时回波波前不再能近似做为平面了。利用极坐标匹配可以补偿这现象，这 相当于“弯曲”孔径以与波前相匹l ! l i 己，调：肖通道时延可以实现孔径弯曲。如此 从孔径上看等效于将回波曲面变为平丽，然而，这一方法仅聚焦孔径曲线中心 图像。当目标在距离上、方位上偏离这一中心时，会散焦，种解决办法是： 对每一个成像点，计算相应的极坐标孔径校正线，这就使得计算量大大增 加。另一种方法是：允许一定的散焦，孔径校_ i - f ：是针对一个小块，而非一个像 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 素点，这样在小块中心，是严格聚焦的，随着距离向和方位向偏离小块中心聚 焦逐渐严重，直至小块的边缘。最终的成像结果上一个非严格聚焦的拼块。 因此，正是因为超宽带使得基于特征分析的目标辨识成为可能，也正是因 为超宽带使得成像过程更加复杂。不管是宽带应用还是近场应用，都限制了基 于傅里叶变换的成像方法应用。我们希望一种成像算法应具备以下特性：1 ) 不 受带宽限制；2 ) 可以用于近场，在远场应用时，算法同样有效，并且可以简 化；3 ) 充分利用整个带宽和孔径；4 ) 适当的科算量；5 ) 成像过程中，尽可能 地保留目标的谐振特性。 i 2 2i m p s l r 成像技术的发展 超宽带发射信号主要有以下三利一形式：线性调频( l f m ) ，相位编码，冲激 脉冲。这三种信号各有优缺点”，如果考虑利用目标的谐振频率识别目标这一 需要及系统实现的考虑，冲激信号优于前两种信号体制。 过去十年中，固态器件的发展使得高能量同时又脉冲极窄的冲激信号成为 可能，为i m p s a r ，i s a r 及深层g p r 应用奠定了基础 6 0 1 。有些中试中的冲激信 号产生器可以产生功率大于一个干兆瓦的亚纳秒冲激信号【l ”。实际中可能产生 的冲激信号可以模型化为r i c k e r 子波，正弦子波，以及振铃后正弦子波。一个 冲激信号成像系统发射一冲激信号，然后利用时域接收机实时接收反射的回波 信号。目标对入射冲激信号的响应提供了足够的关于目标散射中心的位置和强 度信息。目前，已出现了多个冲激信号合成孔径成像系统的实验平台 8 , 1 3 1 。有 代表性的为，美国斯坦福国际研究所( s r i ) 的机载u v bs a r ( f o l p e ni ， i i ，i i i ) 系统，美国陆军研究实验室( a r l ) 的地基s a r 系统。美国劳拉防务 系统研究所的地基s a r 系统( b i ge a r ) 1 9 1 ，另外还有许多地基g p r 系统。 由于i m p s a r 系统的特殊性，研究这一体制的成像算法是近几年的事，特别 是在s r i 于9 2 年研制了第一套可以飞行的实验样机f o l p e ni 后，美国有多家 大学、机构开展了较为系统的i m p s a r 成像方法及后续处理研究。s r i 虽初是将 u w b 信号( 带宽2 0 0 m h z ) 分成多个( 8 个) 子带信号【8 8 】，然后对每个子带信号 进行相位补偿，通过方位向数据积累成像，再进行子带重组，从而实现u w b 成 像。但是当系统带宽增大时，这一方法需要划分更多的子带，大大增加了计算 量。另外，由于子带重组时存在的误差，相位补偿的近似以及计算问题，效果 不理想。美国林肯实验室( l l b ) 于1 9 9 3 年组织了两次大型的穿透叶簇及地表 实验，在对s r i 的f o l p e ni 和i i 系统数据进行处理时，采用了后向投影法 ( b - p ) ，处理结果表明这一方法的有效性，a r l 在对其地基冲激s a r 的数据处 理时( 1 9 9 5 年) ，亦采用了b p 法，另有多家机构在处理冲激s a r 数据时，或 第6 页 国防科学技术太学研究生院学位论文 采用b p 法，或采用b p 法的改进算法。 后向投影( b p ) 与一k 算法是两个独立提出的u w bs a r 成像算法【2 。 两种方法均可用于i m p s a r 成像。前者的提出赢接根据x 射线c a t 与微波成像之 间的相似性。后者的导出是基于地震波迁移与电磁波传波的相似性。b p 算法 在时域实现。当成像系统沿着一条扰动的路径运动并且相对理想轨迹的运动迁 移必须被补偿时，b p 算法是非常有效的。与c a r r 反向投影算法相比，b p 用 于冲激信号成像的反向投影过程是沿着一条相对罱达的等距离曲线上完成的， 而c a t 则是沿着射线方向完成的，在小积累角远场条件下，b p 算法的反向投 影过程可以近似于在条垂直于系统射线方向上完成的。如此可以大大减少成 像的运算量。相比之下，c o k 算法在实施运动补偿上不如b p 算法有效。较 之于一k 算法，b p 算法的运算量要大的多。至今为止，利用b - p 算法已成 功地用于多个i m p s a r 实验系统，得到了较清晰的合成孔径图像1 2 6 , 2 7 , 8 6 。但b - p 算法的实际应用还存在一些问题：a ) 当i m p s a r 采用i ，q 接收方式时，原有 的合成孔径相参积累是以功率方式而非幅度方式进行的 2 ”。如此，没有充分利 用相位信息。因此研究充分利用相位信息的提高积累效率的算法是非常有意义 的。b ) 由于“脊”的存在，b p 算法成像动态范围的提高受到限制。为此应 研究加权b - p 算法，折衷考虑算法的分辨率和动态范围。另外，在b - p 算法中 应加入电磁波传播衰减的影响，这对i m p s a r 的近场应用非常重要。c ) 快速 b - p 算法的研究对i m p s a r 的实际应用具有重要意义。已有几名学者在这方面开 展了研究f 8 6 , 1 0 1j ，但是所提出的快速b - p 算法在速度上的改进均以算法的分辨率 为代价。因此，一种实用的不对算法的速度和分辨率进行折衷的快速算法是工 程上所期望的。d ) 研究b - p 算法的分辨率，定量地给出这一特殊算法分辨率 与系统、信号的关系是非常必要的。 1 3 本文的主要研究内容 1 i m p s a r 目标投影重建理论 i m p s a r 目标投影重建是基于目标的散射中，t l , 模型，并主要依赖于目标的前 时响应。这一性质是由电磁散射的物理光学( p o ) 近似所决定。本文简要 分析了目标电磁散射与冲激信号成像有关的信号模型。 分析了雷达旋转目标成像的一般模型，对冲激雷达旋转目标回波信号进行 了频谱分析，导出它的频谱是目标散射函数频谱在对应方向被发射信号频 谱加权了的一个切片。在此基础上，提出了基于回波信号的冲激信号投影 重建理论。并分析了i m p s a r 目标投影重建与x 射线层析成像的异同。 前7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在回波信号的i m p s a r 投影重建理论基础上，导出了i m p s a r 目标投影重建 的卷积一反投影算法与其近似算法一反向投影算法。 由于冲激信号的极大的相对带宽其成像分辨率从未被解析给出过。本文 利用点扩展函数推导了旋转目标成像在3 6 0 。和小角度时的分辨率解析表 示。对于一般成像条件，也可根据本文的方法用数值计算的方法得到，这 一分析在系统设计与算法实施中非常重要。本文的实验证明了关于分辨率 分析的正确性。 2 i m p s a r 目标波前重建理论及频域重建算法 当成像系统用于近场应用时，投影重建理论需要加以改进以加入电磁传播 球面波波前的影响。本文分析了u w bs a r 波前重建理论。在此理论基础上 讨论了基于付里叶变换的波前重建的频域重建算法，珊一k 算法和s o u m e k h 算法 3 i m p s a r 反投影算法及其改进算法 通过理论推导，本文证明了基于波前重建理论的冲激脉冲反向投影算法 ( b - p ) 等效于s o u m e k h 算法。不同的是，一个在时域实现，个在频域实 现。在小积累角或远场条件下，甜一k 算法与b p 等效。 分析了i m p s a r 反向投影b - p 算法在时延和幅度补偿方面的优势，从而得出 b - p 算法便于运动补偿及传播速度补偿的结论。提出了计入电磁波传播的扩 散因子和可对i m p s a r 进行加权的改进b - p 算法一w b p 算法，这在近场应用 和构造一定的成像主瓣和旁瓣形状是非常有效的。另外，提出了便于实际 i m p s a r 系统应用的i q b p 算法。 提出了一种快速b - p 算法，纯反向投影算法( p b p ) ，分析与实验均证明 了其较之w b p 算法在计算量上有很大的提高。作者利用了时域的方法计算 正侧视i m p s a r 的方位分辨率。与在频域利用p s i ? 推导的方位分辨率( 式( 3 1 5 ) ) 相比，两式基本相同。这也说明了i m p s a r 利用时域b - p 算法成像与基 于付里叶变换的频域算法之问的等效性或相似性。 4 i m p s a r 的时空偶合问题 不同于其它u w b 信号，冲激信号的辐射与接收有其特殊性，即信号的时空 偶合，这一问题制约了i m p s a r 成像的大积累角应用。本文定量分析了时空 偶合对冲激信号成像的影响。 5 实验研究 本文的实验利用了时域瞬态场测量系统，u w b m c e 。讨论了实验方法及过 程。录取了实验成像数据，利用几种算法对录取的成像数据进行了成像实 筇8 页 困防科学技术大学硪究生院学位论文 验。实验结果很好地证明了作者关于i m p s a r 的理论研究的证确性和所提 出的成像算法的有效性 最后总结了全文的工作并对这一领域的研究做了一一些建议。 第9 页 里堕型耋丝查查兰堑塞生堕堂堡篁塞 第二章i m p s a r 投影重建理论 2 1 引言 在本章和后续的第四章中，作者针对i m p s a r 的特点，在分析x 线c a t 成像 的基础上，建立了一个统一的i m p s a r 成像理论一i m p s a r 投影重建理论与 i m p s a r 波前重建理论。前者适用于远场s a r 应用，后者前者适用于近场s a r 应 用。这一理论框架有助于理解i m p s a r 的成像机理和成像方法。 目标的电磁散射可划分为两个部分：前时响应( 也称强制响应) 和后时响 应m ”。前时响应包含了目标散射回波的大部分能量1 5 b , 6 3 】。基于投影重建的成 像主要依赖于前时响应。这一性质是由电磁散射的物理光学( p o ) 近似所决 定。电磁散射的p 0 近似在稍后的投影重建推导过程中要用到。 目标的散射场可以表示为目标局部分散射中心的各个镜像反射波的矢量叠 加。每个散射中心等效为s t r a t t o n c h u 积分的不连续点。目标的前时响应不是决 定于目标整体，而是决定于目标的单个散射中心。因此，投影重建的微波像是 雷达照射的目标散射中心的像。如果目标散射中心的像可以获得，则目标就可 能被识别【42 1 。当目标的局部散射中心相互靠得很近，用窄带低频信号不可能分 辨这些局部散射中心。此时成像结果无助于识别目标，只有利用u w b 信号，一 个微波成像系统才能获得目标局部散射中心在距离上的理想的分辨力。多普勒 信息或由于雷达与目标相对运动产生的等效多普勒信息可以用来获得目标方位 向的局部散射中心的高分辨力。 不同于x 线c a t 成像们，微波成像是一种相干测量。这意味着在所有测量 的成像数据之间有固定的相位关系。因此，即使是雷达相对于目标或目标区旋 转或等效旋转很小的一个角度，目标敝射中心的高分辨力图像仍有可能被重建 出来。 2 2 旋转目标的回波特征 微波旋转目标成像系统示于图2 - 1 。目标罱于系统远场中的转台上。天线 用于发射和接收信号。我们可以利用两个直角坐标系统描述目标散射区( 暗影 部分) 。 直角坐标系( x ，y ) 固定在目标上并随目标一起旋转。其相应的极坐标为( y ，o l ) 可表示为： f x = r c o s 1y = r s i n a 筇1 0 页 里堕墅堂丝查奎兰堑塞尘堕兰堡堕塞 直角坐标系( u ，v ) 是静止不动的并与( x y ) 有共同n 勺原点。 假设目标散射特征独立于敞射方向，则散射特征可以表示为f ( x ，y ) ，刘于 一个三维目标，厂( x ，y ) = 厂( x ，y ，z ) d z 是目标在z 方向的电磁厚度函数，而 厂1 ( x ，nz ) 是目标的散射分铘。实际j _ 厂( x ，y ，z ) 不仅是坐标( x ，y ，z ) 的函数， 同时也与雷达频率，极化，方位) = i j 等冈素有关1 2 8 , 2 9 d q 。为了简化分析，假设 r ( x ，y ，z ) 与雷达频苷薹，极化，方位角等网索无关。这一假设在小旋转角，如某 些s a r 和i s a r 应用是有效的。刑丁无方向l + i d f , # f 酗l q ，如树干、塔等，这一假设 乜是有效的。 图2 1 ：旋转目标成像的，l 何关系 f ( x ，y ) 满足 e 5 ( x ，y ) = e 。( x ，y ) e x p ( j 2 r c f i “- j 2 a f r c ) 厂( x ，_ y ) ( 2 - 1 ) 式中e5 ( x ，一) 是目标散射场，压。( z ，y ) 是f - i 标入射场，当目标处于远场时，相位 移e 掣们7 平传播扩散衰减 可以被近似做为两个常数，它们刘成像结果没有 垦堕塾兰垫垄奎兰堡塞尘堕兰堡篁塞 影响。严格地讲，y ( x ，) ，) 是一个频率的函数。在我们的分析中，我们认为 f ( x ，y ) 是目标在u w b 信号频段上的平均敞射密度。 假设目标反时针旋转，s ，( f ) 是天线辐射的u w b 信号。当目标旋转一个角度 0 ，目标的救射信号是s