（信息与通信工程专业论文）非匀速旋转目标isar成像技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 i s a r 成像技术能为目标识别提供重要特征，对军用与民用均有重大价值。本 文依托9 7 3 国家安全重大基础研究项目，研究了非匀速旋转目标i s a r 成像问题。 在第一章绪论中，首先介绍了本文的研究背景及意义，然后概述了i s a r 成像 技术的研究现状，最后介绍了论文的研究内容。 第二章介绍了i s a r 成像的基本原理，对距离多普勒( r d ) 成像算法做了详 细的阐述，给出了r d 算法成像流程，并详细分析了平动补偿的原理。 第三章研究了匀加速旋转目标的i s a r 成像问题，针对匀加速旋转目标的回波 特点，提出了基于匹配傅立叶变换的i s a r 成像方法，通过对仿真数据和实测数据 成像，证明了该算法的有效性。 第四章研究了匀加速旋转目标的越分辨单元走动补偿问题。首先介绍了 k e y s t o n e 变换消除纵向距离走动的原理，然后分析了散射点越d o p p l e r 单元走动的 原理并提出了补偿方法，最后研究了非匀速旋转情况下越分辨单元走动的补偿问 题，并提出了改进k e y s t o n e 变换及其快速算法，通过仿真实验证明了上述方法的 有效性。 第五章研究了变加速旋转目标的i s a r 成像问题，分别采用参数化和非参数化 的时频方法进行成像处理。首先将分段参数估计近似方法和第三章基于匹配傅立 叶变换的成像方法相结合，实现了变加速旋转目标的i s a r 成像；然后利用非参数 话的时频方法进行了变加速旋转目标的i s a r 成像。 第六章对全文进行了总结，并简单探讨了i s a r 成像未来的研究方向。 主题词：雷达成像逆合成子l 径雷达机动目标非匀速旋转 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t i n v e r s es y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( i s a r ) i m a g i n gc o u l ds u p p l yi m p o r t a n tc h a r a c t e rf o r t a r g e ti d e n t i f i c a t i o n , s oi ti sv a l u a b l ef o rb o t hl e g i o n a r ya n dc i v i lp u r p o s e r e l y i n go n t h en a t i o n a l9 7 3p r o j e c t ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ei s a ri m a g i n gf o rn o n u n i f o r m l y r o t a t i o n a lt a r g e t s a tf i r s t ，t h eb a c k g r o u n da n dw o r t h i n e s so ft h er e s e a r c hi s i n t r o d u c e d ，a n dt h e r e s e a r c hs t a t ei nq u oa n dt h ed e v e l o p m e n ti ss u m m a r i z e d ，f o l l o w i n gw i t l lt h ef r a m e w o r k a n dt h ec o n t e n to ft h et h e s i s i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h er a t i o n a l eo fi s a ri m a g i n gi si n t r o d u c e d ，a n dt h e r a n g e d o p p l e ri m a g i n ga r i t h m e t i ci se x p a t i a t e dd e t a i l e d ，w h i c hi st h eb a s i co fi s a r i m a g i n ga n db a s e do nau n i f o r m l yr o t a t i o n a lt a b l em o d e l ，u s i n gd f t f o rc r o s s - r a n g e f o c u s i n t h et 1 1 i r dc h a p t e r , t h ei s a ri m a g i n gm a t t e ro fe q u a b l ya c c e l e r a t i v er o t a t i n g t a r g e t si ss t u d i e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fe c h oi sa n a l y z e d ，a i m i n gw h i c ha l li s a r i m a g i n gm e t h o df o re q u a b l ya c c e l e r a t i v er o t a t i n gt a r g e t sb a s e do nm a t c hf f ti s p r e s e n t e d 。u s i n gt h i sm e t h o d ，t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sf o re m u l a t i o n a ld a t aa n dr e a l d a t aa r ee x c e l l e n t ，w h i c hp r o v e st h ev a l i d i t yo ft h em e t h o d i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h em a t t e ro fs c a t t e r sm i g r a t i o nt h r o u g hr e s o l u t i o nc e l l sw h e n e q u a b l ya c c e l e r a t i v er o t a t i o ni ss t u d i e d ，a n da ni m p r o v e dk e y s t o n et r a n s f o r mf o r m t r cc o m p e n s a t i o na i m i n ga te q u a b l ya c c e l e r a t i v er o t a t i o n a lt a r g e ti s p r e s e n t e d ， f o l l o w i n gw i t l li t sf a s ta r i t h m e t i c t h e nt h em a t t e ro fs c a t t e r sm i g r a t i o nt h r o u g h d o p p l e rc e l li sa n a l y z e da n dac o m p e n s a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d n l ec o m p e n s a t i o nf o r e m u l a t i o n a ld a t aa n dm i g 2 5d a t ap r o v e st h ev a l i d i t yo ft h em e t h o d i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ee c h oo fu n e q u a l l ya c c e l e r a t i v er o t a t i n gt a r g e t si sc a l c u l a t e d a n da n a l y z e da n dt i m e f r e q u e n c ym e t h o di su s e df o ri m a g i n g t h es u b s e c t i o n a p p r o x i m a t e l yp a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o da n dt h en o n - p a r a m e t e rt i m e - f r e q u e n c y m e t h o da r ei n t r o d u c e da n du s e df o rt h ei m a g i n go fu n e q u a l l ya c c e l e r a t i v er o t a t i n g t a r g e t s n l ec o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da n dt h ep r o b l e m sn e e d e df o rf u r t h e r r e s e a r c ho ft h ei s a ri m a g i n gf o rn o n - u n i f o r m l yr o t a t i o n a lt a r g e t sa r ep o i n t e do u ti n c h a p t e r6 k e p a o r d s ：r a d a ri m a g i n g 。i s a r ，m a n e u v e r i n gt a r g e t ，n o n u n i f o r m l yr o t a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1i s a r 成像算法说明5 图2 2r d 成像算法流程图7 图2 3s t r e t c h 处理示意图8 图3 1回波信号时频分布示意图1 6 图3 2 散射点模型2 1 图3 3 非匀速旋转不同算法成像对比2 2 图3 4 雅克- - 4 2 外场实测数据成像结果对比2 3 图4 1二维数据的转换2 7 图4 2 厂一乙和厂一平面的等相位图2 9 图4 3 坐标变化说明3 0 图4 4 时间变换前后对照3 4 图4 5 第5 7 个距离单元回波信号时频分布3 6 图4 6目标模型及成像结果3 7 图4 7 本文方法对m i 9 2 5 数据补偿结果3 8 图4 8目标模型_ 3 9 图4 9 计算机仿真结果4 0 图5 1目标变加速旋转时直接r d 成像结果4 3 图5 2 直接r d 成像结果4 6 图5 3 分段参数估计近似方法成像结果4 7 图5 4 利用短时傅立叶变换成像4 8 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：韭鱼逮旌蛰旦拯! 丛盛逸挞盔盈塞 学位论文储锛：堑牡 吼矽9 孚年月舯 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：砂年f 1 月l 扣 日期：2 们疆年1 1 月f r 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 雷达具有全天候、全天时、探测距离远、穿透能力强等显著优点，是军用与民 用领域中的重要传感器。随着雷达技术的发展，雷达不仅仅具有检测与定位功能， 而且具有对运动目标( 飞机、导弹等) 、区域目标( 地面等) 进行成像识别的能力。 高分辨雷达图像包含目标丰富的特征信息，利用获取的雷达图像可提取目标的形 状、尺寸、运动形式等特征，能为目标的可靠识别提供有力依据。因此雷达成像 技术在军事和民事上均具有广泛的应用前景，越来越受到世界各国的重视，是一 个竞争激烈、发展迅速的技术领域。 根据雷达的工作原理及成像方式的不同，成像雷达可以分为合成孔径雷达 ( s a r ) 和逆合成孔径雷达( i s a r ) 。s a r 是基于雷达平台与目标之间的相对运动， 以目标为基准，运动的雷达平台形成了合成的长孔径，从而得到高的横向分辨率。 随着s a r 技术的不断发展，i s a r 雷达成像技术也应运而生，它同样是基于雷达 平台与目标平台的相对运动，只是固定不动的是雷达，若以运动的目标为基准， 也可视为雷达形成了空间分布的合成阵列。 i s a r 与s a r 相比存在一个问题，就是目标的运动过程是未知的，这给后期的 平动补偿和成像带来很大困难。目标相对于雷达的运动可分解为平动分量和转动 分量，i s a r 成像中首先要消除平动的影响。有关平动补偿的算法很多【1 4 1 1 5 】【1 6 1 ， 国内外有不少报道，取得了很多研究成果，其中有些算法已经投入实际应用，取 得了较好的效果，平动补偿技术已相对比较成熟。平动补偿后，目标就等效为旋 转运动目标。从目前i s a r 成像技术来看，比较成熟的成像算法大都是针对平稳运 动目标，即平动补偿后，可以将其等效为匀速旋转的转台目标。而在实际情况下， 目标在平动补偿后，可能为非匀速旋转，传统算法将不再适用。比如飞机类大机 动目标的运动，相对成像雷达具有非匀速旋转的特点，不能简单的用匀速旋转转 台模型近似；中段弹道导弹具有自旋、翻滚、进动、振动等微运动，导致其相对 成像雷达也表现为非匀速旋转运动，甚至是三维转动。本文依托9 7 3 国家安全重 大基础研究项目“弹道导弹中段电磁特性机理研究 ，研究非匀速旋转目标的i s a r 成像问题。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 i sa r 成像技术研究现状 i s a r 是在s a r 的基础上发展起来的，在早期的研究中，i s a r 成像的目标多 为具有稳定运动轨道的天体目标和转台目标。转台成像的研究是逆合成孔径雷达 成像研究的基础。6 0 年代初，美国密歇根大学w i l l o wr u n 实验室的b r o w n 等人开 展了对旋转目标的成像研究【2 】，6 0 年代末，宽带线性调频信号产生及稳定的相参 雷达技术已经成熟，使得利用相参雷达对转台上的缩比目标模型进行了成像获得 了成功【j j 。w a l k e r 从7 0 年代起开展对旋转目标成像方面的研究【4 】。他的研究工作 导致了对距离多普勒成像理论更明确的阐述，并且由于引入了极坐标存储技术( 光 学处理) ，解决了运动穿越分辨单元的处理问题【5 】。7 0 年代末和8 0 年代初，利用 旋转目标成像原理成功地获得了金星表面的高分辨雷达成像【6 】，尽管所使用的地面 雷达a l c o r 并不是专为成像而设计的。经过以前的大量研究之后，7 0 年代末己 正式开展了对远距离目标成像雷达( l r i r ) 的研究1 7 1 。1 9 7 8 年，c c c h e r t 等人利 用地面雷达对直线和弯道飞行的目标( 飞机) 进行了成像研究邸】 9 1 ，获得了令人 满意的成像结果，并提出了比较有效的运动补偿方法。1 9 8 7 年，w e h n e r 对s a r 和i s a r 的基本理论和现存的实际问题给出了较明确的论述【l o 】。另外，在1 9 8 7 年 的一篇文献上报道了由美国海军实验室的科学家研制成功的i s a r 技术可视机载 雷达显示出海面上舰船的轮廓，可用于识别其类型和进行分类。这种新型i s a r 技 术首次应用于新得克萨斯仪器公司制造的a p s l 3 7 ( v ) 雷达中，这是作为海军 l o c k h e e ds 一3 a 到s - 3 b 升级的一部分。不仅如此，这种新型雷达已装备到海军 l o c k h e e dp - 3 飞机上【l 。在1 9 9 4 年3 月发表的一篇文章中【1 2 1 ，介绍了美国密西根 环境研究院的一部地对空成像雷达( g a i r ) 。这是国外比较详细介绍的一部i s a r 。 它的目的是研究隐身和反隐身技术，也用来对非合作飞机目标进行成像研究。 在“8 6 3 高科技计划的支持下，我国从1 9 8 8 年开始i s a r 成像研究。从1 9 8 8 年到1 9 9 3 年，主要利用微波暗室转台目标数据和从国外引进一组实测数据进行理 论研究：1 9 9 3 年国内4 0 0 m h z 的宽带实验雷达研制完成，并成功地录取几批实测 数据，大大推动了研究工作，实现平稳运动目标i s a r 清晰成像；1 9 9 6 年，针对 小机动的民航机，开始机动目标i s a r 成像研究，将时频技术用于机动目标i s a r 成像，提出了多种基于时频的i s a r 成像方法：2 0 0 2 年左右，开始水面舰船目标 i s a r 成像的研究，由于海水的波动，使舰船的姿态变化比较复杂，舰船目标成像 比机动飞机目标成像困难；近几年，开始空间目标i s a r 成像的研究，初步开展自 旋稳定目标的i s a r 成像的理论研究工作。 自二十世纪八十年代初成功实现非合作飞机目标i s a r 成像以来，i s a r 成像 二十多年来受到广泛关注，从其发展来看可以分为两个时期：第一个时期为二十 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 世纪八十年代初到九十年代末，研究的对象主要是平稳运动目标，成像方法均假 设目标为2 d 平面内的运动。对于在进行平动补偿后相对于雷达视线在一平面内均 匀旋转的目标，利用简单的傅立叶变换即可得到目标的横向分布。对于平稳目标 i s a r 成像的关键是平动补偿，该时期提出了多种运动补偿方法，已成功的解决了 平稳运动目标i s a r 成像问题；第二个时期为二十世纪九十年代末到现在，研究的 对象为军用飞机、舰船、弹道导弹等非平稳运动目标，目标姿态相对于雷达成三 维运动( 偏航、横滚和俯仰) ，而且转速也是变化的，用传统的距离一多普勒成像方 法将会得到模糊的图像。 对比i s a r 成像国内外研究现状可知，我国在机动飞机、舰船i s a r 成像理论研 究方面和国外差距不大，但还没有针对弹道导弹这类具有迸动、翻滚、振动等姿态 变化较大目标的i s a r 成像研究，而美国反导系统g b r 地基成像雷达的建成标志其 已具有对弹道导弹类目标i s a r 成像能力。 1 3 本文研究内容 本文围绕非匀速旋转目标i s a r 成像问题，研究了匀加速旋转目标i s a r 成像 方法，匀加速旋转目标散射点越分辨单元走动的补偿方法，以及变加速旋转目标 i s a r 成像方法。 首先，在第一章绪论中介绍了本文的研究背景及意义，国内外研究现状，以及 本文的主要内容及组成。 第二章首先介绍了i s a r 成像的基本原理，对距离一多普勒( r d ) 成像算法做 了详细的阐述，然后给出了r d 成像算法的算法流程。r d 成像算法是i s a r 成像 的基础，该算法基于目标均匀旋转的转台模型，利用离散傅立叶变换( d f r ) 进行 横向聚焦。由于i s a r 雷达通常是对非合作目标进行成像，成像处理前需要运动补 偿。最后介绍了一些经典的运动补偿算法。 第三章研究了匀加速旋转目标的成像问题。首先推导了匀加速旋转目标的雷达 回波，针对该情况下雷达回波去斜处理后为线性调频信号的特点，作者发现匹配 傅立叶变换比傅立叶变换更适合于非匀速旋转目标的成像。然后介绍了匹配傅立 叶变换的原理，提出了基于匹配傅立叶变换的匀加速旋转目标i s a r 成像方法。最 后运用该算法分别对仿真数据和实测数据进行了成像实验，得到了很好的结果。 第四章研究了匀加速旋转目标成像中散射点越分辨单元走动的问题。首先分析 了一般情况下散射点走动的补偿问题，k e y s t o n e 变换可以补偿散射点在纵向距离 单元的走动，但是散射点越d o p p l e r 单元的走动不能通过该变换得到补偿。本文在 此基础上提出了散射点越d o p p l e r 单元走动的补偿算法。然后研究了在匀加速旋转 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的情况下散射点越分辨单元走动问题，分析了该情况下散射点走动的原因和特点 之后，对k e y s t o n e 变换进行了改进，提出了针对匀加速旋转目标散射点越纵向距 离单元走动补偿的改进k e y s t o n e 变换。最后通过对仿真数据和m i 9 2 5 的数据进行 越分辨单元走动的补偿证明了本文方法的有效性。 第五章将研究内容扩展到了变加速旋转目标的成像上来，首先推导和分析了目 标交加速旋转的雷达回波，然后将分段参数估计近似方法和第三章提出的基于匹 配傅立叶变换的方法相结合实现了对变加速旋转目标的i s a r 成像，最后采用非参 数化的时频方法进行成像处理。分别运用两种算法对变加速旋转目标进行了成像 仿真实验，都取得了比较满意的结果。 第六章对全文进行了总结，并简单探讨了i s a r 成像问题中下一步的研究方向。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章i s a r 成像基本原理 2 1 引言 i s a r 雷达相对于一般雷达，最主要的特点是不仅能够对目标在成一维像的同 时，还能够利用相同距离分辨单元所对应的不同多普勒频率成两维像，这相对于 雷达观测者来说，对来袭目标有了更加清晰的认识。成像雷达也并非只有i s a r 雷 达这一种工作模式，大家最熟悉的成像雷达中还有s a r 雷达。这两种雷达的工作 原理是一样的，但是在成像处理算法上存在很大的差别。 i s a r 成像最基本的形式是转台成像，其他成像方法最后都要补偿到转台成像 的形式，所以转台成像是雷达成像的一个基础【2 5 1 。经典的距离一多普勒( r d ) 算法 基于目标均匀旋转的转台模型，利用离散傅立叶变换( d f r ) 进行横向聚焦。i s a r 雷达通常是对非合作目标进行成像，而在成像前这些目标的先验信息几乎是无法 获得的，因此那些成像参数都需要从目标回波中推导或估计。这就需要复杂的运 动补偿处理来消除雷达与目标之间的平动信息，留下雷达与目标之间的转动信息 供成像使用。 2 2r d 成像算法基本原理 逆合成孔径雷达利用目标与雷达的相对运动，获得高的横向分辨率。它们之间 的相对运动可能是简单的直线运动也可能是复杂的曲线运动，必须设法精确确定 其运动参数，然后在进行图像重建之前将径向相对运动补偿掉。如果可以做到理 想的平动补偿，那么平动补偿处理之后，任意运动形式的目标都可以归结为转台 目标，其模型假定目标放在一个转动的平台上，相对于雷达只有旋转运动。 i y l 三萎孬爨晕凳 。j o y 图2 1i s a r 成像算法说明 如图2 1 所示为i s a r 成像算法说明。其中x o y 为目标坐标系，l ，轴为雷达视 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 线方向，即纵向，x 轴为横向。雷达的纵向高分辨可以通过发射宽带信号实现， 纵向分辨率岛与信号带宽曰之间的关系为 , o r2 寺 ( 2 1 ) 横向高分辨要靠目标相对雷达的转动来实现。设在相邻两次观测中，目标绕其 旋转中心逆时针转过一个很小的角度韶，则目标上同一纵向距离分辨单元内某个 散射点p ( 马少) 的纵向位移为： 少= ，s 协( 臼一硼) 一，s m 臼= 一x s i l l 即一y ( 1 一c o s 占g ) ( 2 2 ) 式中，秒为散射点初始时刻与x 轴的夹角，为散射点与转台轴心的距离，x ，y 为 散射点在目标坐标系的坐标。设雷达发射信号波长为兄，则纵向位移缈引起的相 位变化为 缈= 一等缈= 一等卜x s i l l 阳一y ( 1 一c 。s 阳) 】 ( 2 3 ) 若阳很小，则有s i n d 0 甜，c o s 8 秒1 ，上式可近似写成： 缈竿工甜 ( 2 4 ) 上式表明，两次回波的相位差正比于横距x ，且与散射点p 在初始时刻与x 轴夹 角护的大小无关。散射点相邻两个周期的回波相差一个相位旋转因子 e x p ( 等硼x ) ，当转台连续转动时，子回波的相位变化表现为多普勒，x 越大， 子回波的多普勒频率越高。 设目标匀速转动，并在观测过程中接收到m 次回波，即总转角a b = m 甜，当 两散射点的横向距离差为缸时，两散射点子回波总的相位差为 ：挈秒a r ( 2 5 ) 用傅立叶变换作多普勒分析时，只要 ，2 乃，两点即可分辨口q ，这时的横向分 辨率为 岛2 南 ( 2 6 ) 即目标上同一纵向距离单元内两散射点横距大于岛，两点即可分辨。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 3r d 成像算法流程 设雷达发射的线性调频脉冲信号为 s ( ，乙) = 旭c f ( 和e x p 2 万( f o f + 严) ( 2 7 ) 其中心甜 ，= 三5 u “i i _ 1 。，2 2 ，兀为中心频率，乃为脉宽，7 为调频率，广= ，一所丁为 快时间，朋为整数，t 为脉冲重复周期，t m = m t 为慢时间。 r d 成像回波处理流程如图2 2 所示，其中对l f m 信号进行s t r e t c h 处理可以 降低采样频率，简化后期成像处理设备。下面按照r d 成像算法流程图来分析r d 算法的过程。 首先对回波做s t r e t c h 处理，即用频率、调频率相同的l f m 参考信号与回波做 差频。设参考距离为码，则参考信号为 洲一鲥c 半唧卜f o ”争h 彬一争，2 ) 亿8 ， 上，可i c o jj 式中为参考信号的脉宽，它比乙要大一些。参考信号中的载频信号p 7 2 哪应与 发射信号中的载频信号相同，以得到良好的相干性。 假设目标上p 点到雷达的距离为足，则雷达接收到的该散射点的回波信号为 嘶于c 等阚h 肿一争咖c f 一争2 ) ， s t r e t c h 处理示意图如图2 3 所示，若耻墨一，则其做差频处理( 共轭相乘) 后的输出信号为 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( t 。) ：母( t 。) ( t 乙) = a r e c t ( 垒筝坐) p 一，等坩粤玩p 一等肌p ，等磁( 2 1 0 ) 由上式可得，s t r e t c h 处理后的相位为 ：一等彤一筝耻4 p # f o r + 7 4 刀 y - 2 ( 2 1 1 ) c cc c 一 其中第一项是快变化的，经过f 曲r i e r 变换后得到的是单频信号z ：一y 2 r a ，包含 了我们所需要的距离信息，称此相位项为距离项。第二项的相位变化会使回波产 生多普勒，而第三项是s t r e t c h 所独有的，称为视频残余相位( r v p ) ，它会使多普勒 有少许改变。 j t 一：“- ：11 ，2 p e7 ： 一一一一一一一一一一一一i i i i i i i i 厩； 一 o 场景中心回波： 一 1 远距离回波! 、2 ( 一，) 7 ： c 图2 3s t r e t c h 处理示意图 在目标匀速旋转的假设下，呒的变化可以近似为心= r o + v 乙，而 鹾磁o + 2 r o v ，将其代入( 2 1 1 ) 式的后两项得 吼一4 r n f o ( r a 。+ v r t m ) + 等( + 2 比。v r t ) ( 2 1 2 ) 将其对慢时1 4t m 求导即可得多普勒频率 力= 一瓦1 瓦d = 2 c z rf o 一等心。= 等( 石一玩。) ( 2 1 3 ) 式中吸。：以。：7 型，即目标相对于参考点的距离为心。时，s 拓e t c h 处理后信 号的频带。 s t r e t c h 友卜王早之后再对其输出做径向e 的距离乐缩。可得到一系歹i i 的一维距离 第8 页 波 t 酗 一。 信 距 一 考 远 一 黟严 波 ，、j； 阐如舯警，2 一彦i i i 距 一 ， 嬲卜一 |右一率 率 一 卜 溺懈卜悼懒 黝引 五一 眦 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 像。径向距离压缩可以理解为分别对每次回波做一次傅立叶变换。 由于目标的运动可以分解为平动分量和转动分量，其中仅有转动分量对成像有 利，因此必须通过运动补偿来消除平动分量对回波的影响，将其等效成转台目标 的回波。 转台的旋转使各散射点子回波发生两个方面的变化：包络时延和相位变化。两 者都是由于散射点发生径向走动，但它们的影响程度是不同的，相位的影响是相 对于雷达波长的，微波雷达波长为厘米级，因而毫米级的径向走动都会产生明显 的相位变化；而包络位移是相对于距离分辨单元而言的，它通常比距离单元长度 小得多。虽然如此，在成像的转动期间，总会有一些散射点从一个距离单元进入 到临近的距离单元，称为越分辨单元走动( m t r c ) 。而横向分析是按距离单元进 行的，发生m t r c 会对成像效果有影响，其主要影响是分辨率下降。 如果假设在i s a r 成像转动的过程中，只考虑散射点子回波的相位变化，而认 为不发生散射点的越分辨单元走动。在这一情况下，转台模型的i s a r 成像算法大 大简化，因为在转动过程中各距离单元里驻留的散射点是一定的，只是由于其距 中心轴的横距不同，它的子回波多普勒也不同。因此，将各距离单元的回波作傅 立叶变换就可得到散射点的横向分布，也就是横向距离压缩，从而实现转台成像。 上述过程即为r d 成像算法的流程，其中运动补偿过程比较复杂，下面做详细 的讨论。 先从最简单的情况开始，设运动目标为一理想的几何点，它与雷达的距离为 尺( 乙) ，其中乙= 聊乃是慢时间；若发射信号( 尹，乙) = p ( 尹) 口口栅，j 妻- d ? t y f l ：l 尹为全 时间和快时间，= 乙+ 尹。先设包络p ( 尹) 为大时宽的矩形脉冲，也就是说现在讨论 的是低分辨雷达。在这种情况下， 上述点目标的回波为 墨( t 乙) ：卵p 一等) e 皿砸【f 号j ，其中为回波振幅，而将r ( 乙) 简写成如，它 表示慢时间为乙的点目标距离。通过相干检波( 即将回波与p 川卿相乘) ，得基频 回波( 尹，乙) ：叩p 一等 p 。孚如，上述回波中的点目标距离如为乙的函数，暂 设也为乙的线性函数，即点目标以等速运动。 这种情况下的回波是简单的，官是较发射脉冲时延2 如c 的脉冲，脉宽与发射 脉冲相同，回波值在脉冲内为复常数，其振幅为仃，相位为一兰乒如= 一皇笋， 9第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 五为雷达波长。 考虑到发射信号为周期脉冲，则每次发射所对应的回波时延2 火。e 是变化的， 若在观测期间内的变化量远小于脉冲宽度l ，则相对于瓦，可近似认为在一小段 观测期间内回波包络的时延没有变化。但基频回波相位的变化常常是不能忽略的， 因为虽然距离变化量屯所对应的时延远小于脉冲宽度疋，但它和微波雷达波长 名是可以相比拟的，甚至还大于力，相应的相位差- 4 7 础。力是不能忽略的。 如果发射信号为窄脉冲，设脉冲宽度疋为纳秒级，即相应的距离分辨率为亚米 级。前面所说的宽脉冲一般为微妙级的宽度，两者相差3 个数量级，因此，下面 是在完全不同的尺度条件下，讨论回波序列的时延变化。 在窄的发射脉冲情况下，上述回波的表示仍然适用，基频回波在脉冲内仍为复 一n 常数，其中的相位也仍为常数一华。只是将各次回波以发射脉冲为基准进行排 允 列时，回波时延的变化不但不远小于脉冲宽度，而且常常比脉冲宽度大得多，所 以这时的时序脉冲回波包络在时间上是错开的，但各自的相位值仍和前面一样为 a d 一竿。如果不管回波脉冲的时延差别，只取各次回波的相位变化，仍然可得点 元 目标的多普勒。 不过，通常的做法是以某次回波为基准，而将各次的包络对齐( 保持原包络的 振幅和相位不变，只是位置搬移) ，再比较各次回波的相位变化，从而得到点目标 的多普勒。这时对包络对齐的精度要求不太高，因为在每次回波的脉冲内部相位 为常数，包络对齐的时延误差不超过脉冲宽度的1 2 1 4 就不会影响对多普勒的估 计。 应当指出，所谓“每次回波的脉冲内部相位为常数”是一种理想化了的说法， 考虑到实际回波不是理想的矩形，通过带通放大器后波形更有失真，在脉冲内部 相位会有小的变化，因此包络对齐的时延误差最好不超过1 4 - , 1 8 脉冲宽度。 上面说的是估计运动点目标的多普勒，如果要将运动目标转换成转台目标那 样，将基准点的点目标移到转台的轴心，成为静止目标。这时的回波移动在将包 络作时延的同时，对回波的相位也根据时延量作相应的变化，即将回波序列的相 位保持为常数，多普勒为零，这是静止目标的条件。 实际上，为将运动点目标的回波序列转换为静止的点目标，其时延调整是很难 实现的。包络对齐的精度要求不高，但是连同相位一起考虑就不一样了，距离变 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 化哦而引起的相位变化为一生掣笠，以哦为l m m 为例，若五：3 0 r e ，则对应的 相位变化为2 4 。可见这是对包络对齐精度要求极高，要达到亚毫米级，实际难以 做到。 一般的做法是先作包络对齐，由此估计多普勒，再根据估计得到的多普勒计算 出相邻回波的相位并加以校正。这种将包络对齐的和相位校正分两步的方法对包 络对齐的精度要求不太高，是完全可以实现的。 对于复杂目标( 如飞机) 的情况，根据散射点模型，当视角变化很小时，复杂 模型可视为由一定分布的众多散射点所组成。运动的复杂目标相对于雷达可分为 平动和转动两个分量，平动分量为目标相对于雷达射线的姿态保持不变，作平移 运动，在平面波照射的近似假设下，目标平移过程中，它上面的各个散射点到雷 达距离的变化均相同。转动分量为目标围绕某一基准点转动，它也会使散射点回 波产生多普勒，但多普勒随散射点所处的位置不同而有所不同，如转动时的基准 点多普勒为零，在一侧为正，则另一侧为负，且偏离基准越远，多普勒值也越大。 - 运动复杂目标的平动分量随着其径向速度的不同，其多普勒可能在很大范围里 取值，但其瞬时多普勒是单一的，即所有散射点的多普勒均相同。转动分量由于 各散射点子回波的多普勒有微小差异，而形成很窄的多普勒谱。实际上，复杂目 标回波可看成是众多散射点子回波之和，在宽发射脉冲条件下，这些子回波的时 延差远小于脉冲宽度，回波包络的波形仍和点目标相似，基本上与发射脉冲相同， 只是前后沿有些失真。由于散射点子回波时延与雷达波长可以相比较，总回波包 络为各子回波包络的向量和。于是，这时的基频回波可写成 ( 饥) ：卜等p 警，其中卜争、】为复包络，下标聊表示是乙次的 回波包络，它随慢时间f 。变化，这时由于复杂目标相对于雷达有转动，各散射点 至雷达的距离差有所改变，从而使各个子回波包络的向量和变化。 复包络可写成k f ，一型蔓犯觎，同时将因目标回波平动时延产生的相位写成 l c i ，= 一歹生笋如，于是基频回波为( 尹，乞) = i ( 一争) 卜“+ ) 。对于一串回波 序列，的变化形成运动目标的多普勒厶；而的变化较慢，它只是使有规 律的变化产生小的起伏，也就是使目标回波的多普勒谱以兀为中心，而有窄的频 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 带。 距离高分辨雷达工作于复杂目标的情况，由于高分辨雷达的发射窄脉冲宽度所 相当的距离分辨单元为亚米级，它比一般复杂目标的长度小很多。因此，沿径向 距离的目标散射点的子回波，在时延上会是分开的，其距离分辨单元长度等于脉 冲宽度所对应的长度。可以将目标沿径向按距离单元的长度为单位进行切割，在 一个距离单元里散射点的子回波基本上集聚在一起，众多子回波相加会形成实包 络距离像。 如果仍用s mff 一三篮1 来表示回波的复包络，这时回波存在的时间就不只是脉 c 冲宽度c ，而是竺+ 疋，其中l 为复杂目标分布散射点沿雷达射线的分布长度， 在一般情况下，竺瓦，其长度近似为竺。在回波存在时间里，包络也不为常 数，而是以脉冲宽度为相关时间起伏。考虑到上述特点，基频回波仍可写为 以) = 一刽p 州哗) 艄指出的是复包络剖p 砷引的 支撑长度为l 堡，型墨趔i ，即包络长度近似为丝，且包络和相位都是起伏的。 l cc - c 至于回波平动时延产生的相位在一次回波里为常数，则可以称它为复包络的初 相，它的变化将使所有距离单元总的相位( + ) 发生相应的变化。在一串回波 序列里，初相仍。作有规律的变化而形成回波串的多普勒。 在高分辨窄脉冲的情况下，相邻回波距离像的时延变化是不能忽略的，i s a r 成像常需要几百甚至上千次回波，相干积累时间常以秒计，在此期间包络时延的 变化常比目标长度大很多，必须进行包络对齐。 回波的实包络距离像随目标相对于雷达的转动，形状会有变化。但相邻两次回 波间隔时间很短( 毫秒级) ，飞机一类目标的转角很小( 约为0 0 1 度的量级) ，这 是回波包络的形状基本没有变化。众所周知，当对两个相同的波形做滑动相关处 理时，回波包络以脉冲宽度的相关时间作起伏，因此进行对齐时使其误差小于 1 4 1 8 | 内脉冲宽度是可以做到的。 上面讨论的是实包络对齐的情况，复包络的相位也是以脉冲宽度为相关时间起 伏分布的，实包络对齐，其相位分布和复包络当然也是对齐的。 在上述包络对齐中，只是作包络位置的平移，信号结构( 包括相位) 是不变的。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 于是，在完成包络对齐后，可得每个距离单元的回波序列和相位变化历程。在数 字信号处理中，每个距离单元相当于一个离散值，即当将距离像的回波序列完成 包络对齐后，沿纵向的每一个距离单元( 即每一个纵向离散值) ，其横向均有一串 回波序列。这些序列的变化表示这一距离单元内所有散射点子回波的变化之和， 其多普勒谱为以平动多普勒止为中心的窄谱。由于所有距离单元的平动分量均相 同( 因而初相相同) ，故所有距离单元均呈现以厶为中心的窄多普勒谱，只是 其窄谱的分布各不相同，而与各单元里的散射点分布有关。 同前面一样，如果要将运动的复杂目标转换为转台目标，也不能采用包络对齐 中连同相位一齐搬移的方法，因为精度上达不到要求。要在搬移过程中保持信号 结构不变，在包络对齐后，将各距离单元的相位变化通过平滑提取初相( ) 分 量，然后加以校正以去除平动分量。 本章仅讨论了平动补偿的原理，实用的平动补偿包络对齐和初相校正可参 考其他相关文献【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 1 。 2 4 结束语 本章介绍了i s a r 成像的基本原理和转台成像的模型以及r d 成像算法的流程， 其中详细分析了平动补偿的原理。由于运动补偿的好坏对成像结果有直接的影响， 在i s a r 成像过程中它是非常重要的一个环节。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章匀加速旋转目标i s a r 成像方法 3 1引言 前面已经提到，i s a r 是雷达固定对运动的目标进行成像。目标的运动可以分 解为平动分量和转动分量，平动分量对成像无贡献，只有转动分量才对成像有用。 因此，i s a r 成像首先要进行运动补偿，将目标相对于雷达视线的平动分量补偿掉， 等效为转台目标。由于成像所需的积累角较小，一般都是假设目标在雷达视线所 在平面内作匀速转动，可用d f t 对目标作横向聚焦。匀速转动只是一种近似，若 不要求作精细的成像，转动为匀速的假设可近似满足；若飞行中是加( 减) 速的， 或作较复杂的机动飞行，这一假设就会不能满足。用d f f 不能使目标的回波得到 有效的相干积累，从而使成像质量下降。在目标作均匀旋转或近似均匀旋转时采 用r d 算法即可得到较为满意的成像效果。如果目标做机动飞行，其运动形式相对 复杂，存在非匀速转动甚至三维转动，其多普勒曲线也相对复杂，此时，r d 算法 的性能将会急剧下降。 i s a r 对飞机、导弹一类目标成像也有其简单的一面，即目标的场景很小，可 近似认为电磁波为平面波。以往i s a r 图像的分辨率的要求为亚米级，对常用的厘 米波雷达( 如兄= 3 c m ) ，要求的相干积累角约为2 。3 。，转动这样小的角度，可以 近似为目标匀速转动。以往，对机动目标成像的运动补偿和成像等研究工作，大 都是在上述假设的基础上展开。但随着软硬件技术及成像技术的发展，i s a r 图像 的距离分辨可以达到厘米级。另外，为了提高横向分辨率，对常用的厘米波雷达 ( 如z = 3 c m ) ，要求的相干积累角应该增加为5 。6 。，甚至更大的角度。这时，如 果还将其近似为匀速转动，将会产生比较大的误差，必须考虑非匀速转动对成像 的影响，研究新的成像方法。 针对非匀速旋转目标的i s a r 成像问题，c c c h e n 等