（信号与信息处理专业论文）单双基isar高分辨成像算法研究.pdf

ff 嬲 摘要 逆合成孔径雷达( i s a r , 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 ) 是一种重要的微波探 测工具，在国土防御、空间探测等领域发挥着越来越重要的作用。可以全天候、 全天时、远距离的获取非合作目标的图像，具有重要的军事和民用价值。随着应 用需求的不断发展，使得i s a r 成像技术的研究也不断的深入。本论文针对单双 基地i s a r 高分辨成像处理中的若干新技术进行了较为详细的研究。 1 介绍了本文工作的研究背景和意义，描述了i s a r 成像的发展历史和研究 现状。 2 介绍了i s a r 成像的距离高分辨和方位高分辨的原理，给出了平动补偿和 i s a r 成像的基本方法，对国内外有关i s a r 成像算法方面的研究成果进行了评述。 3 对低信噪比下线性调频步进信号的带宽合成处理进行了研究。首先给出了 线性调频步迸信号的形式及目标平动产生相位误差给频域带宽合成带来的问题， 然后给出了适用于低信噪比下基于高阶累积量的回波信号带宽相参化处理方法， 并给出了成像流程，最后用仿真与实测数据的处理结果进行了本章所提算法有效 性的验证。 4 针对传统超分辨i s a r 成像中用能量进行判断距离单元中的散射点数目可 能会引起虚假点或散射点漏检的问题，提出了一种统计r e l a x 超分辨i s a r 成像 方法，该方法充分将目标所处环境的背景噪声与杂波的统计信息用于散射点的提 取中，对所有的距离单元的回波信号进行高斯性能检测，按照期望的虚警概率设 置检测门限，确定存在散射点的距离单元，利用统计r e l a x 超分辨技术进行散射 点的提取，最后给出的仿真和实测数据结果验证了本方法的有效性。 5 针对低信噪比下基于压缩感知c s ( c o m p r e s s i v es e n s i n g ) 的i s a r 成像方法 性能下降甚至失效的问题，提出了一种改进c s 的成像方法，首先分离含目标的距 离单元和噪声单元，同时在方位向上用相干投影来提高观测数据的信噪比，下来 利用权值迭代重置法进行l 一范数的优化以增强真实散射点能量并且抑制噪声。改 进c s 算法适用于强噪声的环境下的i s a r 成像，并可利用较少脉冲数获得高分辨 的目标像。实测数据处理验证了该方法可以有效克服强噪声与杂波。同时，仅用 有限个较少的回波脉冲就可得到高分辨i s a r 图像，验证了该方法在非常有限脉冲 条件下的稳健性。 6 针对双基地雷达中两极区由于双基地角的时变特性，传统的i s a r 成像方 法无法获取高分辨的目标像，提出了一种r a d o n 变换结合t c d s ( t i m ec h i r p r a t e d i s t r i b u t i o n - s e a r c h ) 的超分辨成像算法。首先给出了双基地i s a r 的信号模型，分析 了两极区双基地角的时变性及对距离包络和方位的影响，就两极区目标运动模型 雷达信号处理国家重点实验室 i i 草双基地i s a r 高分辨成像算法研冗 中目标方位高次项相位提出了r a d o n t c d s r e l a x 超分辨成像算法，对每个距离单 元进行调频率和调频率变化率搜索，并补偿其所对应的方位高次项相位误差，用 r a d o n t c d s r e l a x 提取散射点，然后进行t c d r i d 成像。最后用仿真数据与 传统的r i d 成像方法进行了比较，验证了本文方法的有效性。 7 针对利用线性调频步进信号( l m s f ) 超宽带带宽合成进行了研究，首先分析 了由于目标运动产生的相位误差给频域带宽合成带来的问题，下来给出了一种基 于最小图像熵的超宽带线性调频步进信号脉组内子脉冲间的运动参数精确估计方 法，并且分析了超宽带i s a r 成像中的m t r c ( m 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 ) 现 象，并给出了解决方法，最后由实验仿真结果验证了本章方法的对于线性调频步 进信号超宽带i s a r 高分辨成像的有效性。 关键词：逆合成孔径雷达成像线性调频步进信号运动补偿带宽合成低信 噪比越距离单元徙动机动目标成像压缩感知双基i s a r 成像超 宽带时频分布 西安电子科技大学博士论文 a b s t r a c t i i i 曼曼鼍舅曼笪皇曼鼍鼍皇曼曼暑鼍皇曼皇曼舅量曼寰曼皇曼芭曼寡i i 一。 a sa ni m p o r t a n tt o o lf o rm i c r o w a v ed e t e c t i o n ，i s a r ( i n v e r s es y n t h e t i ca p e r t u r e r a d a t ) p l a y sa ni n c r e a s i n g l ys i g n i f i c a n tr o l ei nm a n yf i e l d s ，e g t e r r i t o r yd e f e n s ea n d s p a c ed e t e c t i o n d u et ot h ec a p a b i l i t y o fo b t a i n i n gi m a g e so fn o n c o o p e r a t e dt a r g e t s u n d e rt h ec o n d i t i o no fa l lw e a t h e r , a l ld a ya n df a rd i s t a n c e ，i th a sg r e a tv a l u ef o rm i l i t a r y a n dc i v i la p p l i c a t i o n t h ei n c r e a s e dd e v e l o p m e n to fr e q u i r e m e n t sa l s ol e a d st o f u r t h e r s t u d yo ni s a ri m a g i n gt e c h n i q u e s 。t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sa d e t a i l e dr e s e a r c ho nt h e n e wt e c h n i q u e si nh i g h r e s o l u t i o ni m a g i n gp r o c e s s i n gf o rm o n o - a n db i s t a t i cr a d a r 1 t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i s d i s s e r t a t i o n ，a n dd e s c r i b e st h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts i t u a t i o no f l s a ri m a g i n g 2 t h i sd i s s e r t a t i o nd e m o n s t r a t e st h ep r i n c i p l eo fh i g hr a n g e a n da z i m u t h r e s o l u t i o ni ni s a ri m a g i n g ，p r o v i d e st h eb a s i cm e t h o df o r t r a n s l a t i o n a lm o t i o n c o m p e n s a t i o na n di s a ri m a g i n g ，a n dr e v i e w s t h er e s e a r c hr e s u l t sa b o u ti s a ri m a g i n g m e t h o d sa th o m ea n da b r o a d 3 t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sas t u d yo nt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i sp r o c e s s i n go f l i n e a r l ym o d u l a t e ds t e p p e df r e q u e n c ys i g n a l s f i r s t l y , t h ef o r mo fl i n e a r l ym o d u l a t e d s t e p p e df r e q u e n c ys i g n a l si sp r e s e n t e d ，a sw e l la st h ep r o b l e mo ff r e q u e n c yb a n d w i d t h s y n t h e s i sc a u s e db yt h ep h a s ee r r o ro ft a r g e tt r a n s l a t i o n a lm o t i o n t h e ni t i l l u s t r a t e sa b a n d w i d t hc o h e r e n c ep r o c e s s i n gm e t h o do fe c h o e ds i g n a l sw i t hl o ws n rb a s e do nh i g h o r d e rc u m u l a n t st e c h n i q u e ，a n da l s ol i s t st h ei m a g i n gf l o w s i m u l a t i o na n dt h er e a ld a t a e x p e r i m e n tb o t hd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sc h a p t e r 4 t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i d e r st h ep r o b l e mt h a t i t m a yr e s u l ti n a r t i f a c t sa n d s c a t t e r e r so m i s s i o nt oj u d g es c a t t e r e r sn u m b e ri nar a n g ec e l lw i t he n e r g yi nt r a d i t i o n a l s u p e r - r e s o l u t i o ni s a ri m a g i n g i tp r o p o s e s as t a t i s t i c a lr e l a xf o rs u p e r - r e s o l u t i o n i s a ri m a g i n g t oe x t r a c tt h es c a t t e r e r s ，t h i s s c h e m ew e l le x p l o i t st h es t a t i s t i c s i n f o r m a t i o no fb a c k g r o u n dn o i s ea n dc l u t t e ro f t h ee n v i r o n m e n tw h e r et h et a r g e tl o c a t e s t h ee c h o e ds i g n a l si n a l lt h er a n g ec e l l sa r ed e t e c t e dw i t hg a u s s i a nt e s t a n dt h e t h r e s h o l di ss e ta c c o r d i n gt ot h ee x p e c t e df a l s ea l a r mr a t e w h e nt h er a n g ec e l l s c o n t a i n i n g s e a t t e r e r s si sd e t e r m i n e d ，s c a t t e r e r se x t r a c t i o nc a nb ei m p l e m e n t e dv i a s t a t i s t i c a lr e l a xs u p e r - r e s o l u t i o nt e c h n i q u e s t h ee f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o di s c o n f i r m e db yt h es i m u l a t i o na n dr e a ld a t ae x p e r i m e n t sr e s u l t s 5 t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dam o d i f i e dc si m a g i n gm e t h o d ，w i t hr e s p e c tt o t h ep r o b l e mo fp e r f o r m a n c er e d u c t i o no re v e ni n e f f i c i e n c yf o ri s a ri m a g i n gb a s e do n c o m p r e s s i v es e n s i n g ( c s ) w i t hl o ws n r t h er a n g ec e l l sw h i c hc o n t a i nt a r g e t sa n d i v 单双基地i s a r 高分辨成像算法研究 蔓曼曼量曼葛皇鲁曼舅量璺量舅皇曼曼璺舅量i 鼍舅曼皇皇量曼曼曼鼍曼曼量皇曼曼曼! 曼鼍鼍鼍曼鼍曼曼皇鲁皇曹曼皇鼍曼曼鼍阜景曼曼曼葛 n o i s ea r es e p a r a t e db ye n e r g yt h r e s h o l d ，a n dt h es n ro ft h em e a s u r e dd a t ai si n c r e a s e d b yc o h e r e n tp r o j e c t i o ni na z i m u t h w i t ht h ei t e r a t i v ew e i g h t e dn o r m 1o p t i m i z a t i o n ，t h e t r u es c a t t e r e r se n e r g yc a nb ee n h a n c e dw h i l et h en o i s ei sr e d u c e d s i n c et h em o d i f i e d c sa l g o r i t h mu t i l i z e saf e wp u l s e st oo b t a i nh i g h - r e s o l u t i o ni m a g e ，i ti ss u i t a b l ef o r i s a ri m a g i n gi nt h ec o n d i t i o no fl o ws n r r e a ld a t ae x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h i s a p p r o a c hi se f f e c t i v et or e d u c en o i s ea n dc l u t t e r h i g h r e s o l u t i o ni s a ri m a g e sc a nb e a c q u i r e dw i t hl i m i t e df e we c h o e dp u l s e s ，w h i c ha l s ov e r i f i e st h er o b u s t n e s so ft h i s m e t h o di nt h es i t u a t i o no fq u i t el i m i t e dp u l s e s 6 t h i sd i s s e r t a t i o nf o rt h et i m e - v a r i a n tp r o p e r t yo fb i s t a t i ca n g l e si nt w op o l e so f b i s t a t i cr a d a r c o n v e n t i o n a li s a ri m a g i n gm e t h o d sa r ei n c a p a b l et oa c h i e v eh i g h r e s o l u t i o nt a r g e ti m a g e s i nt h i sc h a p t e r , as u p e r - r e s o l u t i o ni m a g i n gm e t h o db a s e do n r a d o nt r a n s f o r mc o m b i n e dw i t ht c d s ( t i m ec h i r p - r a t ed i s t r i b u t i o n - s e a r c h ) i s p r o p o s e d f i r s to fa l l ，t h es i g n a lm o d e lf o rb i s t a t i ci s a ri sp r e s e n t e d ，a n di ta n a l y z e st h e t i m e - v a r i a n tp r o p e r t yo ft h eb i s t a t i ca n g l e si nt w op o l e sa r e a s ，a sw e l la si t si n f l u e n c eo n r a n g ee n v e l o p ea n d a z i m u t h ar a d o n t c d s - r e l a xs u p e r - r e s o l u t i o ni m a g i n ga l g o r i t h m i sb r o u g h tu pf o r t h ee f f e c tf r o mh i g h - o r d e ra z i m u t ht e r m so ft a r g e tm o t i o nm o d e li n p o l ea r e a s t h i sm e t h o da t t e m p t st os e a r c hf o rt h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o nr a t ea n d i t sr a t e o ft h eh i g h o r d e ra z i m u t ht e r m si ne a c hr a n g ec e l la n di t se r r o ri sc o m p e n s a t e d s c a t t e r e r se x t r a c t i n ga n di m a g i n ga r ea c h i e v e db yr a d o n - t c d s - r e l a xa n dt c d - - r i d r e s p e c t i v e l y w i t ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t e dd a t aa n d t r a d i t i o n a lr i di m a g i n g m e t h o d ，t h es c h e m ep r o p o s e di nt h i sc h a p t e rs h o w sg r e a ta d v a n t a g ea n de f f e c t i v e n e s s 7 t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sas t u d yo nb a n d w i d t hs y n t h e s i so fu l t r aw i d e b a n d f r e q u e n c ym o d u l a t e ds i g n a l sw i t hl m s f i tf i r s t l ya n a l y z e st h ep r o b l e mo ff r e q u e n c y b a n d w i d t hs y n t h e s i sb r o u g h tb yp h a s ee r r o rf r o mt h et a r g e tm o t i o n t h e ni tg i v e sa n a c c u r a t ee s t i m a t i o nm e t h o df o rm o t i o np a r a m e t e r sw i t h i no n eb u r s ti nu l t r aw i d e b a n d s t e p p e df r e q u e n c ys y n t h e s i sb a s e do ni m a g ee n t r o p ym i n i m i z a t i o n i na d d i t i o n ，m t r c p h e n o m e n o n i nu l t r aw i d e b a n di s a ri m a g i n gi s a n a l y z e d ，f o l l o w e db y t h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sc o n f i r mt h a tt h ea l g o r i t h mp r e s e n t e di n t h i sc h a p t e ri se f f e c t i v ef o rh i g h r e s o l u t i o nu l t r aw i d e b a n di s a ri m a g i n g k e y w o r d s ：i s a ri m a g i n g l m s fm o t i o nc o m p e n s a t i o nb a n d w i d t hs y n t h e s i s l o ws n r m a n e u v e r i n gt a r g e ti m a g i n g c sb i s t a t i ei s a r i m a g i n g u l t r a - w i d e b a n dt i m e - f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n s 西安电子科技大学博士论文 作者简介 张龙，陕西西安人。2 0 0 3 年毕业于西安交通大学、获学士学 位。2 0 0 6 年毕业于西安电子科技大学、获硕士学位。2 0 0 7 年8 月 于西安电子科技大学攻读工学博士学位。导师：邢孟道 主要研究方向：雷达成像，目标检测。 已在电子与信息学报、西安交通大学学报等权威、核心 刊物和国际重要学术会议发表学术论文1 0 余篇，申请发明专利一 项。 l o n gz h a n g ，w a sb o r ni nx i a n ，s h a a n x ip r o v i n c e ，c h i n a ，i n1 9 7 5 h er e c e h e dh i s b s d e g r e ei nc o p m u t e rs c i e n c ef r o mx i a nj i a o t o n gu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a ，i n2 0 0 3 ， t h em s d e g r e ei nc o p m u m rs c i e n c ef r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a l l ，c h i n a , i n2 0 0 6 f r o m h ei sc u r r e n t l yw o r k i n gt o w a r dt h ep h d d e g r e ei ns i g n a lp r o c e s s i n gi nn a t i o n f l l a b o r a t o r yo fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g ，x i d i a nu n i v e r s i t y , x i a n h i sr e s e a r c hi n t e r e s t si n l c u d er a d a ri m a g i n g0 s a p - s a g ) ，t a r g e td e t e c t i o n ，e t c 一量弓一 第一章绪论1 第一章绪论 1 1 逆合成孔径雷达发展背景 雷达成像技术【l - 6 作为一种全天时、全天候和远距离的信息获取手段在国防及 民用领域具有重大的应用价值，它大大的提高了雷达信息获取能力，为目标识别 创造了前所未有的机会，是雷达发展的一个重要里程碑。 雷达成像包括合成孔径雷达( s a r ) 成像【7 。2 8 j 和逆合成孔径雷达( i s a r ) 成像 陟3 6 1 。其基本原理都相同，都是通过发射宽带信号获取高的距离分辨率，通过较 大的观测角度获取高的方位分辨率。不同之处在于s a r 一般装载于运动平台对静 止目标进行成像，而i s a r 通常为地基系统，对非合作运动目标进行成像。随着多 模式雷达的发展，s a r 与i s a r 的界限不再明显，特别是运动平台对运动目标进 行监测时，一般进行联合成像完成对目标聚焦。 1 9 5 3 年在美国密西根大学召开的暑期讨论会上，合成孔径的概念被明确提出， 距离多普勒雷达的概念由此发端。随后美国密西根大学w i l l o wr u n 实验室中由 l j c u t r o n a 领导的一个研究小组对雷达成像开始了系统的研究，并与1 9 5 7 年8 月 进行了机载合成孔径雷达飞行实验，获得了第一张聚焦型合成孔径雷达图像【3 刀。 此后，随着美国军方和n a s a 的大力投入，s a r 技术进入了飞速发展的阶段。由 于i s a r 观测目标的非合作性，i s a r 技术发展较s a r 来说相对缓慢。6 0 年代初， 人们意识到距离一多普勒技术可以对空间轨道目标进行成像。为此，在美国国防部 高级计划研究局( a r p a ) 的领导下，西屋公司研制了对轨道目标成像的逆合成孔径 雷达系统，此系统利用发射窄带步进频信号获得高的距离分辨率。随后通用电器、 航天公司等相继开始研制对空间轨道目标的成像雷达1 3 7 。7 0 年代初，高级计划研 究局( a r p a ) 和美国m i t 林肯实验室首先获得了高质量的近地空间目标( 轨道可精 确预测) 的i s a r 图像p 引。1 9 8 0 年，美国的c c c h e n 和a n d r e w 较早发表了真实飞 机的i s a r 图像，并对信号预处理、距离弯曲及运动补偿等问题作了分析与研究 1 3 1 , 3 4 】；之后陆续出现公开报道的飞机i s a r 图像，其中包括d c 1 0 和b o e i n 9 7 2 7 【3 9 1 、 d c 9l 4 0 j 、c o n v a i rc v 5 8 0 t 4 l 】等等。美国海军实验室与德克萨斯仪器公司合作，于 八十年代初成功实现了对舰船目标的成像1 4 2 】。1 9 9 3 年英国t h o r ne m i 公司还给出 了安装在悬崖顶上的雷达对舰船成像的图片【4 引。除了这些常见目标，7 0 年代还对 金星进行了雷达成像一j 。1 9 9 6 年美国v cc h e n 利用联合时频分析方法对机动目标 进行了成像，获得较好的效果 4 5 , 4 6 】。近年，v cc h e n 和j i a nl i 等人又将微多普勒 分析方法引入到i s a r 成像中，对存在游动部件目标成像进行了研究，并给出了存 在游动部件的飞机成像结果1 4 7 - 5 0 。随着i s a r 技术深入、广泛地研究，目前i s a r 雷达信号处理国家重点实验室 2 单双基地i s a r 两分辨成像算法研究 己能够获得大多数运动目标( 如飞机、舰船、导弹、卫星等目标) 的精细图像，已经 成为战略防御系统中极为重要的一种目标识别手段。现在，主要发达国家都已将 i s a r 技术广泛应用于实际雷达系统中。 下面我们对i s a r 发展中出现的几个具有代表性的雷达系统进行简要介绍。 地基i s a r 系统 i s a r 技术最早应用于地基雷达系统中，这里选择几个个最著名的地基宽带雷 达系统进行介绍。 ( 1 ) 上世纪6 0 年代中期美国林肯实验室开始研究宽带成像问题。1 9 6 5 年6 月1 7 日a r p a 与实验室签订建造“a r p a 林肯c 波段观测雷达”即a l c o r 的合同【5 1 1 ， 这是世界上第一部宽带成像雷达，技术难度大，包括5 1 2 m h z 宽带调频信号的产 生，要求高的时间稳定性、相位相参性和调频线性度，距离副瓣控制到优于3 5 d b ， 作为第一部成像雷达具有里程碑的意义。1 9 7 0 年1 月即4 年半之后该雷达在夸贾 林靶场投入使用。a l c o r 雷达工作在5 6 7 2 m h z ，瞬时带宽5 1 2 m h z ，距离分辨率 0 s i n 。宽带信号接收采用去斜处理，三次下变频到1 7 5 m h z ，进行声表面波脉冲 压缩，然后再上变频到6 0 m h z ，进行均衡处理。a l c o r 开创了目标识别的新途 径，从原来的r c s 和速度分辨进步到图像识别，导致以后成为反导弹防御系统的 关键特征。a l c o r 刚投入工作后就对中国发射的第一颗人造地球卫星进行了成 像，1 9 7 0 年中国发射“东方红”卫星，该雷达立刻对卫星特别是对末级火箭进行跟 踪和成像，然后根据火箭图像推断火箭运载能力，从而推测出中国洲际弹道导弹 的运载能力。雷达系统图像如图1 1 所示。 雷达系统参数 灭线足, 1 - ：1 2 m 二【谗频率：5 6 7 2 g l i z 波寐宽度；0 3 。 灭线增蒴：5 5 d b 蜂傻功帛：3 m w 平均功率j1 0 k w 单脉冲纠波信噪比；2 3 d b ( ，+ l 秆，巍离1 0 0 0 k i n ) 距离j _ l i 缩街瓣，3 2 r i b 窄衢带宽：6 m h z 宽带带宽i5 1 2 m h z 距离分辨率：0 4 m 图1 1 第一部宽带成像雷达a l c o r 系统图像及参数 1 9 7 2 年，林肯实验室将位于夸贾林靶场的曲得克斯( t r a d e x ) u i - i f 波段雷达改 造成为了s 波段的雷达，作为林肯实验室的第二部宽带成像雷达系统，曲得克斯 雷达通过发射一组载频步进的脉冲串来实现距离高分辨，最终的合成带宽为 2 5 0 m h z ，这与奥尔柯雷达有很大的不同。位于图1 2 右侧的白色圆球为工作在k a 波段的k w a j a l e i n 毫米波雷达【5 2 1 ，建于9 0 年代后期，带宽可达2 0 0 0 m h z 。两个雷 达都位于白色的雷达天线屏蔽罩中，不仅可以对付弹道导弹，还可以用来跟踪太 西安电子科技大学博士论文 。0 v j 誓_ _ j 一 ，io 。擘；：。o 。”譬。7。jj i - j 一一 一 j 麓誊黪萋薯菱蠢j - j 毫懑鎏渗。一霉参誊! 一，j 雾i 。：。! 。一 一 一、 ，t ：菇萋嚣l ，二 19 5 7 年在林肯实验室完成了磨石山雷达之后，空军认识到应该发展更高频段、 更大功率孔径积的雷达，并且应该是通信无线电天文学等多用途的大雷达。于是 在1 9 6 0 年把合同交给了实验室。经过4 年多的努力，于1 9 6 4 年1 0 月完成雷达的 研制。h a y s t a c k 安装于磨石山雷达北面仅0 8 k m 的地方，雷达如图1 3 右侧白色天 线罩( 大) 所示【5 3 。5 6 】： 图1 4 地球外层空间碎片分布图 h a y s t a c k 雷达工作频率范围为7 7 5 0 8 0 5 0 m h 眨，对1 m 2 目标的作用距离是 2 7 0 0 0 k m ，这是当时威力最大的雷达，也是迄今世界威力最大的雷达。该雷达具有 3 6 6 m 巨大口径的天线，表面加工偏差不超过1 9 m m ，在罩内i o * c 温度下，表面变 形小于如2 5 m m ，天线增益6 7 d b ，波束宽o 0 7 0 ，四喇叭单脉冲，发射机采用5 腔 速调管，总脉冲功率1 6 7 m w ，平均功率1 0 0 k w ，发射脉冲宽度2 m s ，重复频率 3 0 h z 。接收机前端低噪声放大器在常温下噪声系数n f = 3 1 - - - 3 3 d b ，液氮冷却时 n f = i 2 8 1 5 6 d b ，液氦冷却时n f = 0 4 4 - 0 8 8 d b 。图1 3 中左侧( 小天线罩) 的赫斯 台克辅助雷达( h a x ，h a y s t a c ka u x i l i a r yr a d a r ) 工作于k u 波段，于19 9 3 年开始投 入使用，是第一部带宽达到2 g h z 的雷达，其距离分辨率可达到0 1 2 米，为n a s a 提供空间碎片详细信息。在林肯实验室的帮助下，2 0 1 0 年n a s a 发布地球外层空 雷达信号处理国家重点实验室 4 单双基地i s a r 高分辨成像算法研究 间内的空间碎片分布图，如图1 4 所示。 h a y s t a c k 雷达系统升级 5 6 】：2 0 1 0 年，为了提高卫星等空间目标探测的分辨率， 林肯实验室决定对h a y s t a c k 雷达进行升级为h u s i r ( h a y s t a c ku l t r a w i d e b a n d s a t e l l i t ei m a g i n gr a d a r ) 。升级完后将达到8 g h z 带宽，分辨率将达到0 0 1 8 7 m ，届 时将成为世界上分辨率最高的地面监测雷达。图1 5 为升级后雷达的成像能力，数 据为系统仿真结果。 嘲 ( o x 波段：9 5 1 0 g h z ( ”w 波段：9 2 - 1 0 0 g h z 图1 5h u s i r 在不同波段下卫星成像结果 德国f g a n 的高频物理和雷达技术研究所( f h r ) 拥有的空间目标观测雷达一 - - t i r a ( t r a c k i n ga n di m a g i n g 蹦砌跟踪成像雷达【5 7 】，其外形如图1 6 ( a ) 所示，具 有目前世界上最大的天线罩，直径为4 9 米，里面有直径为3 4 米的抛物面天线系 统，包括l 波段窄带跟踪雷达和k u 波段宽带成像雷达，进过不断的技术改造，目 前该雷达的带宽已经达到了2 i g h z 。这部雷达于1 9 9 0 年成功地对前苏联礼炮一7 空间站的再入过程和物理特性进行了观测，并获得该空间站不同姿态下的i s a r 图 像，从图像中得到空间站的形状、尺寸、运动姿态等特征信息。图1 6 嘞和( c ) 为该 部雷达对俄罗斯和平号空间站【5 刀和美国航天飞机所成的i s a r 图像f 5 s 】，其中和平 号空间站图像成像时间约为1 9 9 2 年左右，分辨率约为2 0 厘米3 0 厘米左右，航 天飞机图像成像时间为2 0 0 0 年以后，分辨率约为7 厘米7 厘米。 ( a ) t i r a 雷达 和平号空间站i s a r 图像( c ) 航天飞机的i s a r 图像 图1 6f g a nt i r a 雷达及其成像结果 西安电子科技大学博士论文 第一章绪论 5 舰载i s a r 系统【踟l c o b r aj u d y 雷达系统【6 引。1 9 8 1 年开始装载于美国军舰“嘹望号”，是美国战区 导弹防御体系中最重要的雷达之一，如图1 7 ( a ) 所示。它采用双波段雷达体制，舰 尾为s 波段的有源相控阵雷达，如图1 7 ( b ) 所示，1 9 8 4 年加装了x 波段碟形天线， 使它具备了宽带成像功能，利用稀疏频率合成技术得到了分辨率更高的目标图像， c o b r aj u d y 雷达是目前最大的移动雷达，主要用于对弹道导弹的监视与预警。为了 更方便收集世界各国的弹道导弹数据，林肯实验室于1 9 9 6 年受空军委托着手研制 陆海两用可移动测量雷达c o b r ag e m i n i 雷达，于1 9 9 9 年3 月完成在“无敌号” 上安装并投入工作，该雷达系统工作在x 波段，宽带工作模式下带宽为1 g h z ，分 辨率为0 2 5 米，可用于成像。跟踪工作模式处于s 波段，带宽3 0 0 m h z 。 机载i s a r 系统 在机载雷达中，i s a r 技术的应用也相当为普遍。法国t o m s o n c s f 和德国 d a i m l e r - b e n z 联合研究的机载o c e a nm a s t e r4 0 0 雷达【6 2 1 ，如图1 8 ( a ) 所示，中心频 率为9 g h z ，探测距离3 0 公里，分辨率3 米，具备先进的i s a r 成像模式。该雷 达可以同时监测多达2 0 个目标，能够提供探测、战术处理、情景展示和绕过恶劣 天气区等先进功能。能够探测到海上各种小目标，包括潜望镜、小船和救生艇等。 雷达分机组件如图1 8 ( b ) 所示，整体重量为8 5 k g ，水平极化方式，发射信号带宽 6 0 0 m h z ，接收机噪声系数2 d b ，空间观测范围3 6 0 。，发射机发射平均功率为 4 0 0 w ，峰值功率为8 k w 。图1 8 ( c ) 、1 8 ( d ) 分别为舰船目标及o c e a nm a s t e r 雷达 的i s a r 成像结果。 雷达信号处理国家重点实验室 6 单双基地i s a r 高分辨成像算法研究 p 霭u - - 嗣髫兰 、严忒遴：。 ( a ) o c e a nm a s t e r 雷达装载平台( ”o c e a nm a s t e r 雷达组件 ( c ) 舰船目标光学图像( d ) 机载i s a r 结果 图1 8o c e a nm a s t e r 雷达及i s a r 成像结果 美国雷声t 黜y t h e o n ) 公司在1 9 9 8 年为美国海军研制了a n a p s 1 3 7 b ( v ) 5 雷达 系统，安装在海军的s 3 b 反潜飞机上，具有i s a r 和s a r 功能，其中心频率 9 7 5 g h z ，带宽为5 0 0 m h z 。美国电传公司( t e l e p h o n i c sc o r p o r a t i o n ) 研制了 a n a p s 1 4 7 监视雷达和机载多模监视雷达装置a p s 1 4 3 b ( v ) 3 “大洋眼”，有 i s a r ，s a r m t i 等功能。洛克希德马丁公司研制了a l q 1 4 7 多功能雷达 ( m u l t i m o d er a d a r ，m m r ) ，装在海军的多用途直升机m h 6 0 r ，并在加勒比海的 大西洋海下试验及评估中心完成了三周的开发试验，公司称飞机的多模雷达( m m r ) 在试验中表现不错，该雷达具有逆合成孔径雷达成像、声探测和潜望镜及小目标 探测特点，能够提供m h 6 0 r 直升机的远程和短程搜索能力。m m r 在试验中首次 进行了海下探测试验，并产生了一个水面潜水艇i s a r 图像。f 3 5 联合攻击战斗机 ( j s f ) 和f 2 2 “猛禽”战斗机等第四代战斗机中装备的以a n a p g 一7 7 、a n a p g 7 9 和a n a p g 8 1 为代表的有源相控阵雷达是其性能突破的里程碑之一。据报道， a n a p g 7 7 除去具有聚束s a r 模式外，还采用了i s a r 工作模式，所获得图像的 分辨率约为0 3 m ，对一个3 0 m 长的目标可以得到1 0 0 多个像素的图像来确定目标 的大