（信号与信息处理专业论文）isar成像若干关键技术及sar动目标检测.pdf

摘要 i j i i i i i i i i i i iij l l j 1 111l l l l l li i i l i i li l l 删 y 2 0 6 7 4 4 7 现代雷达具有全天候、全天时、远距离目标检测和高分辨成像的能力，成像 雷达作为一种新的获取目标信息的手段，可以大大提高雷达目标识别的能力，尤 其是战场情报的获取。随着科技的发展与社会的进步，雷达的应用前景越来越明 朗。由于它在复杂的环境条件下，可完成常规监视系统( 光学、红外等) 难以胜任的 任务，因此，在军事和民用领域受到了越来越广泛的关注和应用。成像雷达一般 分为合成孔径雷达( s a p ) 和逆合成孔径雷达( i s a r ) ，合成孔径雷达是雷达运动， 目标不动；逆合成孔径雷达一般是雷达不动，目标运动。基于转台模型的逆合成 孔径雷达成像技术，被广泛地应用于对飞机、导弹、舰船等目标的图像获取和分 类识别中。 由于i s a r 在军事上的应用需求日益增强，对一些复杂目标的i s a r 成像显得 尤为重要，为了能够更加清楚的看清目标，对i s a r 的分辨率要求也不断提高。目 前i s a r 的主要难点在于对高速目标以及舰船这种复杂运动特性的目标进行成像。 因此，必须在对i s a r 成像原理深入理解后，开展对i s a r 成像有效算法的研究， 并进一步对有效的i s a r 实时成像系统进行设计，使i s a r 技术能够得到实际应用。 本文首先介绍了i s a r 成像的基本原理以及基本处理算法；然后针对复杂目标和高 分辨率成像等方面介绍了两种i s a r 成像新算法；接着根据i s a r 成像的主要特性 以及目前i s a r 成像的质量要求，设计了一种对飞机、导弹和舰船都能实现高分辨 成像的i s a r 实时成像系统。 由于i s a r 成像范围较小，无法获取一片区域的目标信息，对整个区域情报的 掌握不是很好，所以目前i s a r 成像雷达主要是配合窄带雷达来实现整个区域的目 标检测并对感兴趣的目标跟踪成像的。为了更加直观的掌握某一区域的情报，现 在军事上都要求机载雷达能够对某一区域进行s a r 成像，并能够实现这一区域的 动目标检测，实时的在s a r 图像上进行标注，而且能对特定目标进行目标识别以 及i s a r 成像。随着雷达分辨率的提高，使这种想法成为可能，而s a r 动目标检 测技术成了完成雷达这一功能的关键，因为它能够在s a r 图像的基础上实现动目 标的检测和定位。本文最后一章从理论算法和硬件实现方面介绍了一种三通道 s a r 地面动目标检测( s a r g m t i ) 的实时系统，它能较好地实现地面动目标检测 及运动参数估计，并在s a r 图像上精确地标记动目标的位置和运动方向。最后的 实验结果分析验证了该系统的有效性。 关键字：雷达成像逆合成孔径( i s a r ) 雷达i s a r 成像算法 i s a r 实时 处理s a r 动目标检测s a r - g m t i a b s t r a c t r a d a rn o wh a st h ea b i l i t yo fp r o v i d i n gt a r g e t sd e t e c t i o na n dh i g hr e s o l u t i o ni m a g i n g i na 1 1 w e a t h e r , d a y n i g h ta n dl o n gr a n g ec o n d i t i o n s a san o v e lt o o lo fi n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n ，h i g hr e s o l u t i o n r a d a ri m a g i n gc a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t y o ft a r g e t s r e c o g n i t i o nw h i c hi s u s e f u li nb a t t l e f i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , r a d a rh a saf o u n daw i d ea p p l i c a t i o n b e c a u s et h ei m a g i n gr a d a rc a nb e c o m p e t e n tf o rs o m em i s s i o n st h a ta r ed i f f i c u l tf o rs o m eg e n e r a ls u r v e i l l a n c es y s t e m s ， s u c h 船o p t i c sa n di n f r a r e ds y s t e m s ，i ti sb e i n gm o r e a n dm o r ew i d e l yu s e di nm i l i t a r y a n dc i v i lf i e l d s i m a g i n gr a d a rg e n e r a l l yi n c l u d e ss y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) a n d 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 ) b a s e do nt h ep r o t o t y p eo fu n i f o r mr o t a t i o n ， 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 ri sat e c h n i q u et h a ti sw i d e l yu s e dt o o b t a i nt a r g e t i m a g e sa n dc l a s s i f i c a t i o ns u c h a sa i r c r a f t , m i s s i l e ，a n ds h i po b j e c t s d u et ot h er e q u i r e m e n t so fi n v e r s es y n t h e t i ca p e r t u r er a d a ri nm i l i t a r ym i s s i o n s i n c r e a s ed a yb yd a y , i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt oo b t a i nc o m p l i c a t e dt a r g e ti s a r i m a g e s s ot h a tw ec a l ls e et a r g e t sm o r ec l e a r l y ，t h er e q u i r e m e n t o fr e s o l u t i o nm a yb e h i g h e r n o wt h em a j o rd i f f i c u l t yo f l s a ri st oo b t a i ni m a g e so fh i g h s p e e dt a r g e t sa n d c o m p l i c a t e dt a r g e t ss u c ha ss h i p s ow e s h o u l db e g i ns t u d yi n t oa c t i v ea l g o r i t h mi nt h e g r e a tu n d e r s t a n d i n go fp r i n c i p l e so fi s a ri m a g i n g ，a n ds t a r tt od e s i g na r e a l - t i m ei s a r i m a g i n g s y s t e m ，t u m i n gt op r a c t i c a la c c o u n t t h u s ，t h i s t h e s i sb e g i n sw i t ht h e d i s c u s s i o n so fb a s i ct h e o r yo fi s a ri m a g i n g ，a n dt h e na n a l y s i so ft w on e wa l g o r i t h m s o fl s a ri m a g i n gi nc o n n e c t i o nw i t hc o m p l i c a t e dt a r g e t sa n dh i g hr e s o l u t i o n a f t e rt h a t , o nt h eb a s i so ft h em a i nf e a t u r ea n dt h eq u a l i t yr e q u i r e m e n to fi s a ri m a g i n g ，a r e a l t i m ei s a ri m a g i n gs y s t e mw i t hh i g hr e s o l u t i o nt oo b t a i ni m a g eo fa i r c r a f t , m i s s i l e ， a n ds h i pi sd e s i g n e d b e c a u s eo fs m a l li m a g i n gr e g i o no fi s a r ，i tc a nh a r d l yg e tt a r g e ti n f o r m a t i o ni na w i d ea r e a ，s oi ta l w a y sw o r k sw i t hn a r r o w - b a n dr a d a rt og e tt a r g e t sd e t e c t i o n ，t r a c k i n g a n di m a g i n g i no r d e rt og r a s pt h ec o g n i t i v ei n f o r m a t i o na b o u tac e r t a i na r e a ，r a d a ri s r e q u i r e dt og e ts a p , i m a g i n go ft h ea r e ai nm i l i t a r ym i s s i o n s b e s i d e s ，i tc a nr e c o r d m o v i n g t a r g e t si n t h i sp i c t u r e ，o b t a i n i n gs p e c i f i ct a r g e ti m a g e sa n d c l a s s i f i c a t i o n t h e t e c h n i q u eo fh i g hr e s o l u t i o na n ds a rm o v i n g t a r g e td e t e c t i o nb e c o m e s ak e yt od ot h i s ， b e c a u s ei tc a l li m p l e m e n tm o v i n g - t a r g e td e t e c t i o na n dl o c a t i o n t h i st h e s i sl a s t l y r e s e a r c h e sf o rt h et h e o r ya n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h r e e - c h a n n e ls a rg r o u n d m o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ( s a r - g m t i ) ，i t c a ni m p l e m e n tg r o u n dm o v i n gt a r g e t s d e t e c t i o na n dm o t i o np a r a m e t e re s t i m a t i o n ，f i n a l l y ，t h e m o v i n gt a r g e t sa r et o g e t h e r l a b e l e do nt h es a r i m a g e t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h ee f f i c i e n c yo ft h e p r o p o s e ds y s t e m k e y w o r d s ：r a d a ri m a g i n g 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 ri s a r i m a g i n ga l g o r i t h m i s a rs t e p p e d f r e q u e n c y m o v i n gt a r g e t d e t e c t i o no f s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a rs a r - g m t i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 雷达成像及其应用 目前雷达成像技术是一种先进的信息获取手段，在国防、军事和民用领域均 具有重要的应用价值和广阔的发展前景。成像雷达具有全天候、全天时、远距离 成像的特点，使雷达信息获取能力大大提高，为非合作目标的识别提供了更加准 确的信息，雷达成像已成为雷达领域研究的重点方向。雷达成像技术的核心在于 提高成像的分辨率，成像的基本原理是，在径向距离上利用发射宽带信号获得高 距离分辨率，在方位上则依靠雷达平台运动形成很长的线性阵列获得高方位分辨 率。 自从雷达成像技术【l 巧】发明以来，随着科技和社会的发展，其功能不断地得到 提高。成像作为雷达的一个新的功能在国内外已被广泛应用。它可以实现对飞机、 导弹、卫星、舰船及地面区域等的高分辨成像，可以对成像目标进行分类识别睁8 1 。 现在国外对目标识别要求高的雷达均配有二维成像功能，对军用和民用均有重大 的应用价值。 具有高分辨率等优点的s a r 和i s a r 雷达获得了广泛的应用。s a p , 和i s a r 的基本原理相同，都是依靠雷达与目标之间的相对运动，形成合成阵列来提高横 向分辨率的。s a p , 是利用雷达平台的运动形成合成孔径来对固定的目标或区域成 像，而i s a r 则恰恰相反，往往是雷达固定，依靠目标的运动形成大的合成孔径来 成像。从2 0 世纪5 0 年代开始，s a r 和i s a r 一直是人们研究雷达成像的两个方 向，s a r 能够对地面区域成像，可以实现战场侦察、地形测绘、情报搜索、灾难 评估、洋流观测等功能，i s a r 能够对空中或者海洋目标进行成像，广泛地应用于 各种监控雷达系统中。除了军事应用之外，i s a r 在民用上，如空中交通管制，机 场调度，港口交通管制等领域也有广泛的应用。 1 2 逆合成孔径雷达的研究现状 逆合成孔径雷达近2 0 年来受到广泛的关注。i s a r 是在s a r 的基础上发展起 来的，对i s a r 的研究开始于2 0 世纪6 0 年代初，早期的i s a r 主要是针对合作目 标进行成像的。在2 0 世纪8 0 年代初，就已经实现了非合作目标的逆合成孔径雷 达成像 9 1 ，之后，许多国家都开展了逆合成孔径雷达成像技术的研究，现已得到广 泛的应用。逆合成孔径雷达在实际应用中存在的主要问题是目标( 如飞机) 通常 2 i s a r 成像若干关键技术及s a r 动目标检测 是非合作的，很难要求它作规则的直线飞行，因而所形成的逆合成孔径的阵列在 空间形成复杂的阵列流形。对机动目标的逆合成孔径成像现在仍然是研究的热点。 经过了近几十年的发展，逆合成孔径雷达( i s a r ) 对飞机目标的成像技术相 对已经比较成熟。对平稳运动目标，从包络对齐、自聚焦到方位成像，都有一系 列的高效算法。包络对齐方面，有基于频域的快速相关法，基于范数l 距离最近 的滑动对齐法，复包络相关法，散射重心加近距离单元滑动相关法，最小熵法， 全局相关法，以及超分辨的方法 1 0 - l l 】；自聚焦方面，有单特显点法，多特显点法， 散射重心法，多普勒中心跟踪方法 1 2 - 1 3 ；成像方面，主要有方位多普勒变换法， 对转角较小不满足横向分辨要求的情况时，用b u r g 外推、r e l a x 等超分辨法。 对于目标的机动飞行，当目标不是很大，散射点也不发生较大的距离走动时，平 稳飞行的包络对齐方法仍适用于目标机动飞行情况。一些自聚焦的方法也适合于 机动飞行的目标。成像方法上，目前已经有了基于r a d o n w i g n e r 变换瞬时一多普勒 成像方法，基于自适应的c h i r p l e t 分解i s a r 成像算法，以及解线调频r e l a x 方 法。 我国i s a r 成像技术目前正处于飞速发展的阶段，国家也越来越重视和发展 i s a r 成像系统，许多高性能的i s a r 系统都被研制出来，并投入实际应用，对飞机、 舰船、导弹、卫星等目标的成像也取得了较好的效果，但总体来说，我国i s a r 装 备实用的程度还比不上其他先进国家。 1 3s a r a 2 像及动目标检测概述 合成孔径雷达( s a r ) ，作为雷达发展的一个新方向，从上世纪5 0 年代开始， 就被人们研究。从早期的光学处理到现在的数字信号处理，从早期的非聚焦成像 形式到现在各种聚焦补偿的s a r 成像算法，使得s a r 成像技术在近几十年得到了 飞速的发展。目前，s a r 的发展主要往高分辨率、实时性、多波段以及多观测模 式方向发展。s a r 的一项关键技术就是分辨率的提高，大部分雷达都是通过增大 发射信号带宽并结合自聚焦技术以及惯导参数补偿来实现较高的分辨率。目前有 些s a r 雷达已经能够达到亚米级的分辨率了。 随着雷达技术的发展以及战场侦察的需要，雷达运动目标检测技术【悼1 8 】得到 了快速的发展。它能够从雷达杂波中检测地面、海上以及空中某一片区域的运动 目标，计算出运动目标的位置及运动参数，并能在坐标地图上动态显示出来。雷 达检测性能一般都受到杂波的影响，这些杂波主要包括地杂波、海杂波、气象杂 波等。如何有效的抑制杂波干扰，从中提取动目标的有效信息，成了各种侦察雷 达检测动目标的关键。目前运用动目标检测技术的侦察雷达主要分为陆地侦察雷 达、舰载侦察雷达、机载侦察雷达，其中机载侦察雷达是近几年研究的热点，主 第一章绪论 3 要包括机载战场侦察雷达、机载穿树雷达以及无人机侦察雷达，他们都拥有广阔 的应用前景。 机载侦察雷达相对于地面雷达，不仅增加了侦察的作用距离和覆盖面积，而 且增加了侦察雷达的机动性、灵活性以及情报获取的实效性，因而受到许多国家 的重视。s a r g m t i 技术f 协2 2 】在机载雷达中拥有很高的应用价值，也是雷达发展 的重点方向之一，s a r 表示s a r 成像技术，g m t i 表示地面动目标检测，所以它 具备地面合成孔径成像以及检测地面运动目标两种功能。上世纪7 0 年代，美国科 学家r k r a n e y 首先研究了机载雷达对地面运动目标检测和成像的可能性，后来 人们在此基础上研究了很多s a r 运动目标检测以及运动参数估计的方法，从起先 的单通道、单模式s a r g m t i 系统到多通道、多模式s a r g m t i 技术的研究，在 技术上取得了很大的突破，美国、德国等国家也相继研制出了高性能的机载 s a r g m t i 实时系统，并在实际应用中得到了较好的效果，如美国的j s t a r s 系 统，在9 0 年代美国与伊拉克战争中多次被派出执行任务，提供了很多实用的军事 情报。 近几年，随着s a r - g m t i 在军事侦察、交通监测、洋流监测、灾难评估等方 面表现出来的潜力，它在国内外受到越来越多的关注。本世纪初，国内也开始了 s a r - g m t i 的理论研究，在国家横向课题与预言基金的支持下，各大著名高校及 研究所在s a r - g m t i 技术上取得了快速的发展，并在此基础上开始研制实时 s a r - g m t i 系统，为我国s a r g m l l 的发展做出了突出的贡献。 1 4 本文的内容安排 本文基于雷达成像的应用背景，研究了当前i s a r 成像以及s a r 动目标检测 领域的热点问题。全文共分六章，具体内容安排如下： 第一章简单地介绍了雷达成像及其基本应用，合成孔径雷达和逆合成孔径雷 达的基本概念，以及i s a r 的研究现状和s a r 动目标检测的研究状况。 第二章对i s a r 成像的主要技术进行了研究。首先介绍了i s a r 成像的转台模 型，近似认为在i s a r 成像的转动过程中，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距离单元徙动。将各距离单元的回波作傅立叶变换就可得到 散射的横向分布，从而实现转台成像。为了防止图像模糊，需要对目标进行运动 补偿，进而讨论了i s a r 成像的关键技术，平动补偿原理。然后分别对平动补偿的 包络对齐和初相校正的原理和技术进行了详细讨论。在运动补偿完成后，已等效 将目标置于转台上，成像处理也就是对转台目标成像。本章最后对现有的转台成 像方法进行了简单介绍，并详细介绍了一种较常用的距离一多普勒成像( r - d ) 方 法。 4 i s a r 成像若干关键技术及s a r 动目标检测 第三章对舰船这种复杂运动目标的i s a r 成像技术进行了研究，提出了一种基 于高阶相位匹配变换的i s a r 成像技术。首先将舰船目标的回波信号表示成调频率 随时间变化的三次相位信号模型，再对各分量中的信号参数进行估计来提取各散 射点子回波信号的瞬时调频率和幅度信息，进而获得距离瞬时调频率分布，实现 对目标的瞬时动态i s a r 成像。最后，通过仿真验证了该方法的有效性，并对该算 法的噪声影响和模型精度影响进行了分析。 第四章首先对雷达成像处理的常用硬件进行了分析，然后针对i s a r 的实际应 用，介绍了一种高效的步进频率i s a r 成像算法，这种方法对一般i s a r 成像有较 大改善，文中利用此方法实现了仿真高速导弹数据的i s a r 高分辨成像，接着在此 算法基础上设计了一种高分辨、实时性的i s a r 雷达成像系统。主要对i s a r 实时 系统的算法流程、数据通信、硬件实现等方面进行了设计研究。芯片采用高效的 d s p 和f p g a 来实现，信号处理板卡采用分布式并行设计的思想，数据通信采用 板间l v d s 以及处理芯片之间高速链路口通信。从硬件实现角度对每个算法模块 进行了有效的任务分配，优化了一些算法流程，以提高各个模块的执行效率。最 后，通过外场实验验证了该方法的有效性。 第五章对一种三通道s a r - g m t i 系统的基本算法和工程实现进行了介绍。算 法方面主要介绍了它的算法处理流程，并根据实测数据对这些算法进行了验证。 工程实现方面主要分析了系统的硬件实现流程以及信号处理部分的任务分配，并 对一些重要模块进行了仿真对比。最后，通过真实数据的回波模拟，验证了该方 法的有效性。 第六章对全文的工作进行了总结，并强调了雷达成像以及目标检测技术在将 来社会发展中的重要性。 第二章i s a r 成像的基本原理 第二章is a r 成像的基本原理 同s a r 成像一样，i s a r 也是依靠雷达与目标之间的相对旋转运动i l 】，从而形 成合成阵列来实现图像的二维横向分辨率的。逆合成孔径雷达一般是雷达固定不 动，目标运动。然而根据运动的相对性，i s a r 也可以看成是目标不动，根据雷达 在空间的平动和转动逆向地形成虚拟的合成阵列，通过合成阵列的大孔径使目标 的横向分辨率得到提高。 通过成像基本原理可知，逆合成孔径雷达的合成阵列分布要远比合成孔径雷 达复杂。合成孔径雷达可以控制载体作匀速直线飞行，从而在空间形成均匀的线 阵，因而合成阵列形成的主动权在自己；而逆合成孔径雷达不同，由于需要对非 合作目标成像，其形成阵列的主动权在对方，目标的航向、速度以及姿态的变化 都会影响合成阵列的分布，使得成像的质量下降。 然而在另一方面，逆合成孔径雷达要比合成孔径雷达简单，i s a r 成像目标的 尺寸比合成孔径雷达所要观测的场景小很多，一般i s a r 成像目标不超过几十米， 大的也只有几百米，当目标距离雷达很远时，电波的平面波假设总是成立的，因 而为成像的算法分析带来了方便。 i s a r 成像技术【3 - 5 】主要包括运动补偿和二维成像处理两方面。运动补偿目的是 要将目标相对于雷达运动的平动分量补偿掉，使之等效为转台旋转运动。成像处 理就是利用运动补偿后等效的转台模型数据进行图象重构，通过散射点相对转台 中心位置不同，其对应的回波多普勒或调频率特性不同，勾画出散射点对应电磁 波反射的空间分布。本节主要介绍一些i s a r 基本的运动补偿和二维成像方法，并 对其特点和存在的问题进行了分析。 2 1i s a r 成像的转台模型 逆合成孔径雷达( i s a r ) 源于合成孔径雷达( s a r ) ，s a r 是利用雷达与目标间相 对运动产生的随时间变化的多普勒频率，对其进行横向相干压缩处理，从而实现 方位上的高分辨率。与合成孔径雷达不同的是i s a r 的天线不动，它利用目标和雷 达之间的相对平移和转动，形成高分辨像，目标的成像通过估计目标在距离维和 方位维的位置来实现，为了防止图像模糊，需要对目标距离单元之间的散射点移 动和散射点加速度进行运动补偿。 目标与雷达的相对运动可以分解为平动和转动两个分量。平动分量指中心参 考点沿目标的运动轨迹移动，而目标相对于雷达射线的姿态( 即目标轴向与雷达射 线之间的夹角) 保持不变；转动分量是指目标围绕中心参考点转动。所以，当目标 以散射点模型表示时，若目标处于雷达的远场，雷达电磁波可用平面波表示时， 6 i s a r 成像若干关键技术及s a r 动目标检测 平动分量所引起的目标上各散射点回波的多普勒完全相同，对成像没有作用，需 要将其补偿掉。补偿后则相当于把目标上的参考点移到转台轴上，目标上各散射 点由于转动引起的多普勒各不相同，从而实现目标的转台成像，如图2 1 ( a ) 所示。 为了获得较好的成像效果，必须有较高的二维分辨率。由雷达原理可知，纵 向分辨率主要取决于信号的宽频带f 而横向分辨率则依靠大的天线孔径一实际 ， 就是目标与雷达相对运动过程中形成的合成孔径。 通过对回波作匹配滤波获得的纵向距离分辨率为 屏= c 2 a f , ( 2 一1 ) 其中c 为光速。 正 八1 o j i 、f 多普勤) 7 v7负多 1) v v 勒 力 a 0 彳p 环“。 j11 f11 平面波 ( a )( b ) 图2 1 目标转动时散射点的移动和多普勒示意图 x p ，y 0 若馘为4 0 0 m h z ，则屏就是0 3 7 5 米，考虑到脉冲压缩过程中为了降低距离 副瓣而作的加权，店会展宽到约为0 5 米。 横向高分辨率的实现主要依靠多普勒效应，如图2 1 ( a ) 所示。当目标以顺时针 转动时，目标上的各散射点多普勒值是不一样的。位于轴线( 轴心至雷达的连线) 上的散射点由于没有相对于雷达的径向运动，其子回波的多普勒为零。而在其两 侧的多普勒分别为正或为负，且离轴线距离越远，多普勒值也就越大。于是，将 各距离单元的回波数据分别通过傅立叶分析变换到多普勒域，只要多普勒的分辨 率足够高，就能够表示出各个单元的散射点分布，从而实现运动目标的二维成像。 如图2 1 ( b ) 所示，雷达位于坐标原点o 的正下方远处，设在相邻两次观测中目 标相对于雷达视线转过了一个很小的角度硼，它上面的某一散射点则从p 点移到 了p l 点，其纵向位移为 缈p = 名s i n ( e + 8 0 ) 一r p s i n 0 = x ps i n 6 0 一y p ( 1 一c o s 6 0 ) ( 2 2 ) 式中x p ，y p 为散射点p 相对于转台轴心的坐标。位移缈。引起子回波的相位变化是 绵= 竿缈，= 竿 s i n 础一y p ( 1 - - c o s 硼) 】 ( 2 3 ) 第二章i s a r 成像的基本原理 7 若6 0 很小，则上式可近似为： - 等 x a 0 一蚱圭( 韶) 2 】( 2 - 4 ) 即只有硼非常小，上式等式的右边第二项才可忽略不计，且在匀速旋转( 韶为常 数) 的条件下，散射点子回波的相位差才是与横距艺成正比的常数，第二项的作用 则是使a 伊 ( 减) 速变化，即产生多普勒走动， 。越大时这一作用越明显，它发i i iy 生在离转动中心较远的上下两端的散射点。另外，若目标相对雷达非匀速旋转， 也非恒定，其绝对变化值近似与工。成正比，即这一多普勒走动现象在离转动中心 较远的左右两侧比较严重。因此，在小硼和y 。时，转动引起的两次回波相位差为： 纬= 等卯( 2 - 5 ) 上式表明，两次回波的相位差正比于横距工。该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 ( j 4 z t 6 9 x 。i x ) ，当转台目标连续转动时，子回波的相位 变化表现为多普勒，x 。越大，该散射点子回波的多普勒频率也就越高。 目标均匀转动，并且在观测过程中接收到了m 次回波，即总转角秒= 阢船， 当两个散射点的横向距离差为缸时，两散射点子回波总的相位差则为 蛾= 等0 缸( 2 - 6 ) 用傅氏变换完成多普勒分析时，只要d m 2 n ，两点即可分辨，这时的横距 分辨率足为 a r = = 击( 2 - 7 ) 畸、 若力= 3 厘米，秒= 0 0 5 弧度，则歙，= 0 3 米。可见对于厘米波雷达，总的转 角只需要很小，便能够得到零点几米的横距分辨率，所需转角一般为3 0 5 0 。实 际上，相对于光学图像，雷达成像的分辨率还是比较粗糙的，它只利用很小观测 角的局部信息即可成像。而成像通常是采用二维分离的f f t 进行处理( 纵向是线 性调频信号，一般用时频变换得到纵向距离像) 。 由此可见，要获得高的多普勒分辨率就需要长的时间回波序列积累，归根到 底，就是目标需要一定的转角。分析表明，对微波雷达来说，若要求达到亚米级 的横向分辨率，要求的转角( 称为相干积累角) 一般不超过3 0 - - - - 5 。 成像依靠的是转台模型，而运动目标有别于转台目标的是除转动分量外还有 平动分量。平动分量对成像是没有贡献的，且一般是非平稳的，其多普勒值远大 于转动分量，这使得后者的相位关系发生紊乱。且在回波序列的积累过程中，平 动分量会使目标发生几十米、几百米甚至更多距离的径向移动。 为此，对运动目标进行i s a r 成像必须作平动补偿，包括包络对齐的粗补偿和 8 i s a r 成像若干关键技术及s a r 动目标检测 初相校正的精补偿。经过平动补偿后，运动目标就等效为转台目标，再将各距离 单元的回波序列作傅氏变换便可得到散射点的横向分布。再结合纵向距离的高分 辨，就可以得到目标的二维像。 2 2 运动目标的平动补偿 i s a r 成像主要是利用目标和雷达之间的相对转动，来形成高分辨像的。i s a r 成像中，目标相对于雷达的运动可分解为两部分，平动与转动，而对成像有贡献 的只有转动部分，平动分量必须被补偿掉。通过平动补偿后，i s a r 成像就转变为 转台成像。为了防止图像模糊，需要对目标进行运动补偿，包括距离单元之间的 散射点移动和散射点加速度补偿。平动补偿对i s a r 成像来说至关重要，补偿的好 坏对成像有很大的影响，其通常分为两步进行。第一步是补偿包络的时间延迟， 也就是距离对准，使得在相对转动较小的情况下，目标上同一散射点的回波位于 同一距离单元内；第二步是进行初相校正，也称为自聚焦，它相当于将目标上的 某一参考点等效地置于转台的轴心。 t 轴 图2 2 i s a r 成像模型 如图2 2 ，雷达视线方向的运动可以分解为相对于目标上任意一个参考点d 的 径向运动和转动( 即平动和转动) ，兄o ) 为目标相对于o 的径向距离，为目标 相对于雷达的径向速度，a 为加速度，如果目标上的任意散射点( ，m ) 相对于o 的 角速度为q ，则在t 时刻雷达与目标的距离可表示为 皿= e , o o ) + 最p )( 2 - 8 ) 其中r 0 ( t ) = r o + v o , t + 口t 2 2 + ，咄o ) = 欺c o s ( 亿) + 矗s i n ( o t ) ( 由于坐标 的y 轴设为雷达的视线方向，如上图，散射点( ，以) 与雷达距离为r - = r o ( t ) + y ， 则任意一个相对于散射点( ，欺) 转过必的散射点( ，儿) 相对于雷达的距离就为 r - = r o ( t ) + 声( t ) s i n ( o + o t ) ，其中y = 声( f ) s i n ( 护) ，x = 声o ) c o s ( 秒) 。) 经过匹配滤波后输出为 第二章i s a r 成像的基本原理 9 s ( ，t m ) * u ( z ) = iu ( z ) 1 2 k 磊e x p ( 一j 2 万，靠( 乙) ) e x p ( 一j 2 万f o 以( 乙) ) ( 2 - 9 ) 由于iu ( z ) 1 2 是功率谱函数，其逆傅立叶变换是s i i l c 函数，所以有 s r 。t j = a e x p ( - j 4 ，r f o ) r o ( t m ) c ) x 彘s i n c ( m ( 尹一2 ( r o ( t m ) + a r k ( t m ) ) c ) ) e x p ( 一j 4 ，r f o a r k ( t ) c ) k = l 其中m 是带宽。 ( 2 1 0 ) 由上可知，平动分量引起的径向位移r 峨) 使得各次回波包络产生了变化，因 此需要对其进行包络对齐处理。 从上式来看，相位的变化是和慢时间有关的，但是平动和转动引起的相位变 化又是相互独立的，平动分量引起的相位变化可通过乘上一个线性相位因子 e x p ( j 4 7 r f r o ( t ) ) 来进行补偿。经过补偿后 瓯( 厂，f ) = 彳善, e x p ( - j 4 n ( f , + f o ) a r k ( t ) c ) k = l r = 彳彘c x p ( 0 4 衫蝇( ) c ) ( 2 一1 1 ) 露= l = f + f o r j r 驴，乙) = 彳善k 6 ( i - 2 a r k ( t ) c ) e x p ( 一j 4 7 r f o a r k ( t ) c ) k = l v o , t 使散射点在不同的距离单元之间走动，而讲2 2 则在慢时间上产生了非线 性相位，使得图像模糊。 如果脉冲长度相对于目标的转动速度来说很小，则近似与在一个脉冲内，目 标转动速度恒定，贝u y k n t 近似为线性的，为方位像提供必须的多普勒信息。 2 2 1 包络对齐 1 9 8 0 年，由c c c h e n 和h c a n d r e w s 首先提出了包络对齐技术f 2 3 2 6 1 。由于相 邻回波之间目标相对于雷达视线的角度变化很小，i s a r 相邻回波距离像之间的相 关性必然是很强的，包络幅度相关法就是利用相邻两次回波的距离像作相关运算， 并以相关系数最大为准则进行对齐。两次回波的复包络a ( t ) ， ( f ) 的幅度相关函 数定义如下： p ( f ) = 0 z ( ，) 0 ( ，+ f ) i 如 ( 2 - 1 2 ) 1 0 i s a r 成像若干关键技术及s a r 动目标检测 p p ) 的最大值所在的位置即为目标运动轨迹的估计值。一般说来，包络幅度相 关法的对齐精度可以满足成像要求。但成像处理需要目标在2 3 。转角内的数百次 回波，相邻两次回波相关对准会产生的很小误差，对齐过程中误差的积累会造成距 离像排列的漂移，使总的对齐误差超过一个或几个距离单元，在干扰和模型突变 等情况下，会有几次回波的距离像发生明显改变，此时采用相邻相关法对齐会产生 突跳误差。 为减小包络相关法的误差积累和突跳误差，包络对齐不能限于相邻的两次回 波，应加大与“整体”比较的成分。为此，可采用多回波相关的办法，在成像所 需的距离像中散布选取多个距离像作平均，能够得到稳定的平均距离像，它和所 有的距离像具有强的相关性，把它作为相关模板进行对齐，可以减小因逐次相关 而导致误差积累的漂移，其整体的对齐精度会有明显提高。此外，利用指数加权 法、超分辨法、最小熵法【2 5 】也可以减小漂移和突跳误差。 2 2 2 初相校正 经包络对齐后，相当于合成阵列的位置己正确排列，但排列精度相对于波长 长度来说尚欠准确，须用相位校正作进一步的精补偿。因为少数几个整数波长的 误差对复包络对齐基本没有影响。i s a r 成像所采集的数据序列是一次性的，相当 阵列作单次快拍工作，但带宽信号的回波为一维距离像，每一个距离单元相当一 个场景，他们有着共同的阵列相位误差，如能用某个距离单元数据对阵列相位作 准确校正，则所有距离单元均适用。当然，也可以用多个距离单元的数据对阵列 相位校正作综合处理。 初相误差校正的方法有很多，归纳起来大致有下面几种方法： ( 1 ) 参数估计法 也可称为轨道拟合法。这种方法通常先假定目标沿着某一特定的轨迹运动， 且一般假定其径向运动为简单的匀加速直线运动，这样可以用二次曲线来表示回 波的相位变化。在此基础上对回波相位作二次曲线的拟合或目标参数估计，以此 进行初相误差校正。这类方法对平稳运动目标估计的效果比较好，但对复杂运动 形式目标难于取得较好的效果。 ( 2 ) 利用特显点估计初相误差 c c c h e n 等首先提出了利用目标上的某个散射点来估计初相误差。s t e i n b e r g 则使这一思想发展到了一个新的高度，提出了特显点法且明确给出了特显点的定 义、讨论了它的性质和寻找方法。特显点法取得了不少成功的应用，至今仍是一 种广泛使用的自聚焦方法。但这种方法要求在目标的回波中必须能找到一个高质 量的特显点，实际上孤立点的理想情况是不存在的，通常总伴随有杂散的众多小 第二章i s a r 成像的基本原理 散射体，对应单元回波脉冲串的振幅和相位会有小的起伏。此时如果仍然按照孤 立特显点的方法强制进行相位补偿，相位的起伏就会转移到初相里，使补偿不准 确而造成图像畸变。 为了克服特显点法的缺点，在没有高质量的特显点的情况下得到好的成像结 果，一些利用多个特显点进行综合处理的方法被提了出来。其基本思想是对多个 特显点单元进行综合，减小杂波和噪声的影响，形成一个高质量的综合特显点。 在对多个特显点单元进行综合的基础上，可进一步作迭代处理，更好地消除 初相误差。 ( 3 ) 从连片目标估计初相误差 以上方法都要利用特显点。然而在不少情况下，目标主要是由连片分布的散 射点构成的，很难找到好的特显点，使得上一类方法很难应用。对于这种情况， 须从连片目标的回波中估计初相误差。这种情况下典型的方法有散射重心法、多 普勒中心法，以及恒定相位差消除法、散射质心法等等。 ( 4 ) 基于图象的自聚焦 这类方法主要有对比度最大法，p g a ，最小熵法。这类方法主要是基于图象 对比度优化的非参数评估方法，对模型没有限制，没有运动轨迹模型或多项式模 型假设，所以能对目标运动具有的高次项或随机项平动相位误差进行精度补偿并 得到较好效果，但通常这类方法计算量很大。 由于平动补偿是i s a r 成像的关键，在发展初期便受到普遍关注，并进行了大 量的研究。目前平动补偿技术已相对成熟，在不同情况下选用合适的方法就能得 到较好的补偿效果。 2 3r - d 成像算法 在运动补偿完成后，已等效为将目标置于转台上，成像处理也就是对转台目 标成像。现在有关转台成像的理论已相当成熟，可以采用的方法很多，目前常用 的方法有最大熵法，f f 卜距离多普勒方法( r d 方法) ，a r 外推f f t 超分辨成 像技术。最大熵法有最高的分辨率，但其运算量大。f f 卜距离多普勒方法其分辨 率最差，但其运算量小。下面主要对直角坐标距离一多普勒成像( r - d 方法) 做一 介绍。 当目标尺寸不太大，成像期间的转角较小时( 一般为3 0 5 0 ) ，在观测时间内目 标旋转所造成的散射点的走动很小( 小于半个分辨单元) ，此时所获得的频率域目 标信号的极坐标数据可近似被认为是直角坐标网格上的数据，对距离和方位向的 数据分别进行傅氏变换就可获得目标的二维图像。这种方法就是最常用的直角坐 标距离一多普勒成像( r d 方法) ，其优点是运算量小，适合于实时处理。 1 2 i s a r 成像若干关键技术及s a r 动目标检测 目标散射中心 卫 雷达一 平面波 x 图2 3 目标相对于雷达运动不意图 i s a r 成像采用了距离多普勒原理。利用不同散射点因为转动所产生的不同多 普勒来实现方位高分辨成像。为了获得较高的横向分辨率，所需总的转角一般很 小。在小转角范围内，非合作运动目标可以等效为相对雷达作匀速转动。其目标 相对于雷达运动示意图如图2 3 所示。在二维高分辨雷达成像系统中，纵向高分辨