低照度摄像与热成像技术(全面版)资料

1、低照度摄像与热成像技术（全面 版）资料低照度摄像与热成像技术！摄像机的一个重要参数是最低照度， 人们关注最低照度是因为人们对夜晚黑 暗等环境下的监控需求， 安防是不分白昼的， 因此夜晚成像技术是非常有用并有 广泛需求和前景的技术。照度为一亮度单位，顾名思义，是指摄像机在摄取影像时，对周围环境照明 亮度的需求，1LUX大约等于1烛光在1米距离的照度，我们在摄像机参数规格 中常见的最低照度，表示该摄像机只需在所标示的 LUX 数值下，即能获取清晰 的影像画面，此数值越小越好，说明 CCD 的灵敏度越高。同样条件下，黑白摄 像机所需的照度远比尚须处理色彩浓度的彩色摄像机要低 10 倍。行业内人士强调

2、，照度能低到多少，不仅要看镜头的光圈大小（ F 值），更 要看是在什麽条件限制下才能出现所标示的 LUX值，以光圈大小（F值）而言， 光圈愈大则其所代表的F值愈小，所需的照度愈低。另外电子灵敏度，单一画面 累积帧数，红外线是ON还是OFF等均对最低照度有影响。 低照度摄像机低照度摄像主要技术：日夜转换型、低速快门和超感度摄像机。日夜转换型：摄像是利用黑白影像对红外线感度较高的特点，在一定的光源条件，利用线路切换的方式将影像由彩色转为黑白，以便于搭配红外线。而白天彩色/晚上黑白的摄像机因受限于 CCD 感度,本身并无法改变 ,只是利用线路切换及搭配红外 光的方式将功能提升 ,不能算是低照度摄像机

3、。低速快门：又称为（画面）累积型摄像机：其原理是利用电脑记忆体的技术，利用该技 术，可以实现 0.0008 星光级的情况下应用。此技术的原理可以看出，他还是离 不开“光源”，必须要求环境必须有光的存在，即使它很微弱，因此如果在完全黑 暗的条件下，它无效。并且，图象的成像是以牺牲图象的连续性为代价的（注意 其原理是延长曝光时间使 CCD 充分感光，有一个光的积累过程）。此类型低照 度摄像机适用于较静态场所的监视。超感度摄像机：超感度摄像机（ EXVIEW/HAD） ，又称 24 小时摄像机，其彩色照度可达0.05LUX，黑白则可达0.003-0.001LUX （亦可搭配红外线以达 OLUX）不仅

4、能清晰的辩识影像，更是实时连续的画面。此类型摄像机主要是采用 SONY 元件厂 所推出的EXVIEW/HAD/CCD （超感CCD）,其运用专利技术将 CCD每一画素 的开口率提高，进而达到更低照度的要求，由于该 CCD 的制造成本仍高，相对 的成品制造商要研发此类摄像机的技术门槛也较高。EXVIEW HAD CCD+画面累积技术，并且基本消除了拖影现象。主动红外技术利用CCD摄像机（黑白模式），可以感应红外光谱原理，给 CCD摄像机配 置红外照明光源（红外灯），利用物体反射红外光源的红外光达到成像的目的， 缺点使红外照明距离短，灵敏度不高、并且容易红暴。热成像技术红外线辐射是自然界存在的一种

5、最为广泛的电磁波辐射， 它在电磁波连续频 谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。 这种红外线辐射是基于任何物 体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动， 并不停地辐射出热红 外能量。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大 ; 反之，辐射的能量愈小。热成像技术原理：通过非接触探测，将物体辐射产生的红外能量（热量）转 换为电信号，经过处理形成热辐射图象。凡是温度高于绝对温度零度（零下 270 摄氏度）的物体均向外辐射红外能量，温度越高，红外辐射越强。因此，热成像 技术不同与低照度技术，即使在绝对黑暗（没有可见光）的环境下也可以成像； 也不同语主动红外技术，它不需要额外的红外设备。热

6、成像技术 VS LowLightTM 低照技术LowLightTM 低照技术采用高感光 CCD （如Exview HAD CCD等）、DSS数 字快慢门调节来提高摄像机的低照性能。曝光时间的增长使 CCD 更充沛感光， 从而增强图像亮度及清晰度。 LowLightTM 低照技术的应用优点在于设备简单（仅摄像机即可）、价格大众化 （技术已普及），缺点则在于图像亮度以牺牲图像 连续性为代价，而最终 LowLightTM 低照技术仍需依靠照明光源并局限于可见光 光谱内。当环境呈黑暗、烟雾或遮挡时，低照技术显然无所适从。热成像技术由于依靠红外辐射成像不依赖可见光，无论环境光照强或弱、能 见度（遮挡）高

7、或低均不影响有效成像。因此，热成像技术完全解决了必须依靠 “可见光”的技术瓶颈，将视频监控系统的应用扩展至更大范围。 热成像技术 V.S 主红外技术不少用户对主红外技术与热成像技术的理解常出现混淆。事实上，两者技术 虽然都借由红外光谱成像，但是其成像原理却大不相同。主红外技术利用CCD摄像机（黑白模式下）可感应近红外光谱（卩 m）的原理，在CCD摄像机附近架设辅助红外照明设备（如红外灯等），利用物 体反射红外源的红外光达到成像目的。红外热成像技术是感应中、远红外光谱（3.08.0卩m、8.014.0卩m）,利用（非制冷）氧化矾微测辐射热仪感应物体所辐射散发的红外能量来成像。主动红外技术至今未得

8、到广泛应用， 问题在于红外辅助照明设备的技术弊端 重重。照明范围小、灵敏度低、耗能大；体积笨重、使用寿命短，最致命的弱点 是红外辅助照明设备所散发的红外光线极易被探测到，从而自我暴露。热成像技术由于感应来自物体辐射散发的红外能量， 完全抛弃问题重重的红 外辅助照明设备，从根本上杜绝以上弊病及弱点。 一体化热成像定位系统的光学参数及意义微测辐射热仪微测辐射热仪是一体化热成像定位系统的摄像机组件， 通常有制冷与非制冷 两种类型。以非制冷型为佳， 因为非制冷型微测辐射热仪无需液氮和斯特林制冷， 可长期无维护连续工作，寿命长且工作时无声音，启动时间短。无论室内、户外 使用，仪器不受阳光、气候和其它高温

9、物体的影响。热灵敏度可简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确分辨出目标辐射的最小温度。 热灵敏度值越小，代表热灵敏度越高。视场它是光学系统视场角的简称， 表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的 空间范围。 当物体位于以光轴为轴线， 顶角为视场角的圆锥内的任一点 （在一定 距离内）时能被光学系统发现， 即成像于光学系统像平面的视场光阑内， 也即物体能在热成像摄像机中成像的物空间的最大张角叫做视场，一般是aoXB o的矩阵视场。类似 CCD 摄像机有效像素的概念。视场越大，图像清晰度越高。像素尺寸像素尺寸指aoxp o矩阵视场内每个像素的大小。一般，像素尺寸越小，热灵敏度越高。光谱响应这是指热成

10、像摄像机对红外光谱的响应范围， 通常有中红外光谱及远红外光谱两种响应范围。以远红外光谱(卩m)为佳，因为中红外光谱(3.0-8.0 卩m)的波长较短，较容易穿透有些物质，使其最终无法正常成像。现场温度范围现场温度范围是指热成像摄像机能感应成像的最高温度， 物体一旦超过该温度，摄像机将无法给出边缘图像。这类似普通 CCD 摄像机的受光过饱和现象。 温度范围越高，热成像摄像机的图像动态范围越广。另外，为方便读者识别以上参数指标，现以 FLIR 一体化热成像定位系统的 规格参数为范例：非制冷氧化矶微测辐射热仪(uncooled, Vanadium Oxide Microbolometer)；热灵敏度

11、(sensitivity):;视场(array format): 320 x 240；像素尺寸(pixel size): 38 卩 m；光谱响应(spectrum respons： 卩 m，远红外感应(LWIR)；现场温度范围(scene temp range：至150C，最高可达 560C(可选)； 图像显示模式( display format)：White Hot、Black Hot、Sepia、Rainbow。红外热成像技术的优缺点1、红外热成像技术的优点 红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别，隐蔽性好：由于红外热成像技术是一种对目标的被动式的非接触的检测与识别，因而隐 蔽性好

12、，不容易被发现，从而使红外热成像仪的操作者更安全、更有效。 红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确制导由于红外热成像技术利用的是热红外线，因而不受电磁干扰。采用先进热成 像技术的红外搜索与跟踪系统， 能远距离精确跟踪热目标， 并可同时跟踪多个目 标，使武器发挥最佳效能。 红外热成像技术可精确制导， 使制导武器具有较高的 智能性和发射后不用管的能力， 并可寻找最重要的目标予以摧毁， 从而大幅度提 高了弹药的命中精度，使其作战威力成几十倍地提高。 红外热成像技术能真正做到 24h 全天候监控 红外辐射是自然界中存在最为广泛的辐射，而大气、烟云等可吸收可见光和近红外线，但是对35y

13、m和814ym的红外线却是透明的，这两个波段被称 为红外线的 “大气窗口 ”。 因此，利用这两个窗口，可以在完全无光的夜晚，或 是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境， 能够清晰地观察到所需监控的目标。 正是由 于这个特点，红外热成像技术能真正做到 24h 全天候监控。 红外热成像技术的探测能力强，作用距离远利用红外热成像技术进行探测的能力强， 可在敌方防卫武器射程之外实施观 察，其作用距离远。目前手持式及装于轻武器上的热成像仪可让使用者看清 800m 以上的人体 ，且瞄准射击的作用距离为 23km； 在舰艇上观察水面可达 10km ； 在 1.5km 高的直升机上可发现地面单兵的活动； 在 20km

14、 高的偵察机 上可发现地面的人群和行驶的车辆， 并可分析海水温度的变化而探测到水下潜艇 等。 红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官由五种增加到六种只有当物体的温度高达1000 C以上时，才能够发出可见光被人眼看见。而所 有温度在绝对零度（-273 C）以上的物体，都会不停地发出热红外线。如一个 正常的人所发出的热红外线能量大约为 100 W。这些都是人眼看不见的，但物体 的热辐射能量的大小， 直接和物体表面的温度相关。 热辐射的这个特点使人们可 以利用红外热成像技术对物体进行无接触温度测量和热状态分析， 并可采用多种 显示方式显示出来。 如对视频信号进行假彩色处理， 便可由不同颜色显

15、示不同温 度的热图像； 若对视频信号进行模数转换处理， 即可用数字显示物体各点的温度 值等，从而看清人眼原来看不见的东西。 所以可以说， 红外热成像技术把人类的 感官由五种增加到六种。 红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，不受强光影响，应用广泛红外热成像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低， 直观地显示物体表面 的温度场，并以图像形式显示出来。由于红外热成像仪是探测目标物体的红外热辐射能量的大小，从而不像微光 像增强仪那样处于强光环境中时会出现光晕或关闭，因此不受强光影响。红外热成像技术除主要应用军事方面外，还可广泛应用于工业、农业、医疗、 消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域

16、。并且，还可将这种技术大量地 应用到安防监控领域中，以方便实现智能安防监控。2、红外热成像技术的缺点 图像对比度低，分辨细节能力较差由于红外热成像仪靠温差成像，而一般目标温差都不大，因此红外热图像对 比度低，使分辨细节能力变差。 不能透过透明的障碍物看清目标，如窗户玻璃。 由于红外热成像仪靠温差成像，而像窗户玻璃这种透明的障碍物，使红外热成像仪探测不到其后物体的温差，因而不能透过透明的障碍物看清目标。 成本高、价格贵 目前红外热成像仪的成本仍是限制它广泛使用的最大因素，但肖特基势垒非致冷红外焦平面阵列的出現， 提供了一种以低成本获得高分辨力、 高可靠性器件 的有效手段。随着科技的发展，关键技术

17、的突破，并提高加工效率，今后的成本 会大为降低的。热成像摄像机和低照度、红外摄像机主要性能对比表指标热成像摄像机低照度、红外摄像机技术水平很高低照度较高，红外很低工作照度OLUX （全黑）至少是星光或配红外灯工作频段卩 m0.75-1.0 卩 m探测器类型非制冷氧化矶微测辐射材料CCD镜头焦距般疋疋焦多数是变焦拍摄距离最远可达几十公里最远不到300米拍摄灵敏度感应温度变化，很高感应光线变化，白天较咼，夜晚较低透雾性可以透雾拍摄不可透雾拍摄拍摄范围全视场红外灯照射到或有微光的地方隐蔽性被动感应，不发光，隐蔽性好配红外灯，没有隐蔽性图像色彩一般黑白，带有伪彩白天彩色，夜晚黑白分辨率较低（320x2

18、40）或 640x480彩色较高，黑白较低目标移动影响对画面没有任何影响低照度下影响画面的连续性图像清晰度温差大时很好，小时较低光线好时很好，光线低时一般视频传输分析码流小，便于传输和分析一般码流较大、便于分析，传输占带宽多产品价格相对普通摄像机，很高中低价位，高档产品价格稍高红暴现象画面不受任何光线干扰光线变化对画面影响很大安装操作非常简单安装简单，操作相对复杂普通玻璃遮挡不能透过可以透过工作寿命5万小时以上红外灯寿命短，低照度摄像机较长低含沙水流运动特性综述刘兆存 徐永年 时间：2007-11-25 12:12:00摘要：本文着重综述了清水水流（在固定一可动边界条件下）、挟沙水流的流速分

19、布特征、紊动特性、能量间分配关系等流动现象的内部规律， 并系统分析比较了 它们的异同，文中还兼论了卡门常数。关键词：清水水流挟沙水流流动规律1引言拟序结构的研究丰富了人们对湍流的认识，近年来非线性科学的发展对湍流研究起了很大的推动作用。流体运动过程中的流速能量分布关系及其规律和猝发的特征及性质，一方面是研究挟沙水流等的基础， 另一方面本身有其重要的理论意义和实践意义，本文探讨低含沙水流和清水特性的异同。2猝发现象猝发现象的具体描述参见有关文献1，研究表明：当Reh=uh u （u为平均流速，h为水深）10000时，用外部参量（u，h）无量纲化猝发周期 T是不正确的，和混合参量（v ,h,u*,

20、u）相 比，最佳参量是用内部参量 （v ,u*）无量纲化猝发周期并推导知：（u2*Tb/u 190）（y+=yu*/u+15）。2研究了零压力梯度下光滑平板和零压力梯度下表面糙度由粗糙向光滑转变时内部 边界还未恢复局部平衡情形时的猝发规律。在猝发现象中，引射（Ejections）时对应的速度脉动为U 0,扫掠时，（Sweeps）对应的速度脉动为U 0,V 0,v 0,（U 、V ）以+为上标表示）和引射（u 0,v 0,=表示湍S图1三次积Triple products流平均，-表示非湍流平均 （为简单计，这里只讨论光 滑情形）。在外区，引射较扫掠更频繁 发生，因而对当地剪切贡 献更大，在内层

21、中，二者 对剪应力贡献大致相等， 发生总时间也大致相同。 在整个边界层厚度中，引 射较扫掠对u 2和v 2 贡献更大，二者之和约为 40%勺 u2-uv 和 v2-uv ， 由图1中易知引射和扫掠 控制着能量和切应力的惯 性传输。经过推导知由式可知：卡门常数是流体运动内部流场特性的参数，从一个局部平衡区到另一个局部平衡区，卡门常数也在变化，即卡门常数是一个反映流体运动特性的 局部量，是空间点坐标和时间的函数，但卡门常数又是流体运动性态的一个系统 整体参数，而非独立的变量。准确地讲，又称之为卡门参数。6分析了.、画和回亘勺谱分布情形（无压强梯度的平板流动）指出，不同的边界情形有不同 的流动，似乎

22、显示了不同边界表面粗糙情形不仅影响边界层内部物理量分布不 同，而且外层的物理量分布也不同。在边壁可动情形下的猝发情况研究近来也取得了一些成果，7研究了在不同密度的淤泥质床面上水流运动的猝发周期并和刚性床面的结果作了比较。结果表明，按内部参量 T+b=u2*/v 口 无量纲化的猝发周期，较同条件的清水在近壁区明显增大。文献8的研究结果表明，悬浮泥沙的尺寸和波数增加，将使底壁水流更容易猝发，流 动雷诺数增加将抑制猝发； 泥沙的纵向流速比水流纵向流速大得愈多，愈不容易导致流体猝发的形成，但当泥沙的纵向流速比水流的纵向流速为小时（天然情形中常常这样），较易导致猝发的产生。9的研究表明，泥沙尺寸在一定范

23、围内愈大，将使猝发次数增加，使湍流度 和雷诺应力增加；泥沙含量增加，使猝发频率和流条平均空间尺寸不变。观察表明，似乎是 近壁区的低速流条的上升和破裂控制着泥沙的传输，泥沙大部分在低速流条区积聚，后被流体上举带离床面，开始运动的。10的研究再一次表明，猝发历时随壁粗糙度的增加而减少。 顺便指出，11研究高分子减阻中，相同摩阻流速条件下，减阻液和清水中两种情形下猝发 历时和猝发空间长度之比值都近似为一常数值，约为1.67。3平均流速和脉动流速3.1流速分布对流速分布的研究(这里以明渠为研究对象)人们作了大量工作，自从普朗特提出流速分布的对数公式后，50年代12曾给出了在整个边界层都适用的流速分布公

24、式umaa/u *=1/kln( S /y)+ n /k f (y/ S )式中k为卡门常数，S为边界层原子度，n /k f (y/ S )为尾流函数。据1314的研究，在 明渠中，可以认为对数率一直适用到水面，即认为尾流函数为零。这里采用窦国仁流速分布公式式中u为距壁面y处的时均流速，ri和rt分别为层化和率流的发生率。vi、vt分别为层流和率流的流速成分布，其它符-13。从湍流的内部结构入手，研究流速分布是一个重要的方向。15通过研究后得出，令=u/u*,n =u*y/ u，则光滑边壁时外区流速分布可表示为在上述流速分布公式中，对如下变换群变换，其形式保持不变u 1=入。,u 1=入 u上

25、述变换也称之为重整化群变换，(a为重整化群参数) 在粗糙和过渡情形时，16经过研究后认为令J则可得包括光滑、过渡、粗糙在内的明渠流速的分布公式为易知，在上述流速分布公式中，若令因 _则上式在上述变换群变换下其形式保持不变。应当指出公式推导的物理基础是外流区，对近壁区其物理假定并不成立，但却开辟了一条从流体内部结构入手分析其流速分布规律的途 径。3.2脉动结构明渠紊流的脉动结构采用窦国仁提出的下述公式因zl式中k为卡门常数, 为边界层原子度，-为 紊流时的平均流速。图2紊流度分布Distribution of turbulentintensity（a:H=15mm,x=4.85m;b:H=20m

26、m,x=5.00m;c:H=30mm,x=4.85m;d:H=40mm,x=4.8m编号虚线为对应曲线的基线，H为水深，x为相对于起始点沿流向距离）董曾南在光滑壁面 明渠均匀紊流的试验中 将水流沿水深方向依次 划分为粘性底层、过渡 层、紊流层，其紊流度（标征 的大小的量） 可参看图2。若平均流速和脉动流，则有a1 a-KS ” _!11 1凶1， !a(17)(18)(19)平均流粘性耗散能相对于E 3所占的百分比若 u*y/ u 0, 5贝U E1/E3=87.3%若 u*y/ u 5, 10 则 E2-E1/E3=9.2%若 u*y/ u 0, 10 则 E2/E3=96.5%若 u*y/

27、 u 10, 15贝U E4/E3=3.4%I!N n jn亠lin ra Al hi 一一 =”因顺便指出 分布结果比较复杂，具体结果参照文献17。取i- i_ I .(20)(21)(22)(23)(24)=u2*/2H x H+S ln( S /(H+ S )+9/2H 2k2 u 2(a1-4b+4(b 21-ab-2c1)u +(a1b21-2a1C1+4biC1) x2 2 2 2(1/ u -2/a1)+1/2 x 1/ u2-(2/a1) x 2(a b-b 1+2C1)u+2(aQ-a1b1-4bc)u -2c*a 1+0)332224+1/3 x 1/ u -(2/a 1)

28、 x a1b1-2a c+4b1c1) u +4c1(ab+C1)u +创+1/41/ u 4-(2/a1) x222 2552-2c 1(a 1b 1+C1) u -2a 1c 1 u + a 1 u c 1 x 1/51/ u -(2/a 1) + Ina 2 ux -2 u +2(4b1-a 1) u +2(a1b1-b21+2c1)+a 1/2- u x (a 1+4v)-4b 1-(a 1/2) 2- u 上式中 a1=Hku*+2 u ,b1=ku* S +2u ,c1=ku * Su + u 2.顺便指出,KTUMM naHHiMdiMI.凶也可依照Ex无任何实质性困难的求出。3

29、.3湍流现象其实针对湍流概念，18给出了一个极好的描述，它联系了涡运动与紊运动的物理关系, 以及表达了紊运动在时间和空间上都是一种局部现象。令1/入七=粘性应力/紊动应力=卩(du/dy ) /- p u v 对于充分发展紊流取u* S / u 11,u*y/ u 12,k=0.4知(采用窦国仁公式)入 t 1.5在湍流流速场分布中， 19 找到了如下的速度场之间的广义自相似性关系 x=入 x,t =入 t1-卩,V =入卩 V, (p/ p)=入 2p ( p/ p) , u = X 1+u20Frisch,U etal.A simple dynamical model of intermi

30、ttent fully developed turbulence.J Fluid Mech.197821 钱宁，万兆惠。泥沙运动力学。北京：科学出版社， 1983.22Giselher,Gust.Observations on turbulent drag reduciton in a dilute suspension of clay in sea water I Fluid23Luchik,T.S.and Tiederman,W.G.Timescale and structure of ejections and bursts in turbulent channel Mech.1987,

31、174.24 秦荣昱等。河流推移质运动理论及应用。北京：中国铁道出版社， 1996.25 陈长植等。曲率缓变型反弧段水流的紊动特性。水利学报，1994，10.26 李福田。挟沙水流紊动结构的实验研究。泥沙研究， 1986(1).第二章 距离高分辨和一维距离像雷达采用了宽频带信号后 , 距离分辨率可大大提高 , 这时从一般目标 （如飞 机等接收到的 已不再是 “点”回波 ,而是沿距离分布开的一维距离像。雷达回波的性质可以用线性系统来描述 , 输入是发射脉冲 , 通过系统 （目标 的作用 ,输出 雷达回波。系统的特性通常用冲激响应（或称分布函数表示 ,从 发射波形与冲激响应的卷积可得到雷达回波的波

32、形。严格分析和计算目标的冲激响应是比较复杂的,要用到较深的电磁场理论 , 不属于本书的范围。 简单地说 , 雷达电波作用的目标的一些部件对波前会有后向散射 , 当一些平板部分面向雷达时还会有后向镜面反射 ; 这些是雷达回波的主要 部分 ;此外还有谐振波和爬行波等。因此 目标的冲激响应 （分布函数可以用 散射点模型近似 , 即目标可用一系列面向雷达的散射点表示 这些散射点位于后 向散射较强的部位。 由于谐振波和爬行波的滞后效应 , 有时也会有少数散 射点在 目标本体之外。 如上所述 , 目标的散射点模型显然与雷达的视线向有关 , 例如当 飞机 的平板机身与雷达射线垂直时有很强的后向镜面反射 ,

33、而在偏离不大的角度 后 , 镜向反射射向 它方 , 不为雷达所接收。 目标的雷达散射点模型随视角的变化 而缓慢改变 ,且与雷达波长有关 分析和实验结果表明 ,在视角变化约 10的 范围里 , 可认为散射点在目标上的位置和强度近似 不变。 顺便提一下 , 前面曾提 到微波雷达对目标作 ISAR 成像 ,目标须转动 3左右 ,在分析时 用散射点模型 是合适的。虽然目标的散射点模型随视角作缓慢变化 , 但一维距离像的变化要快得多。 可以想像到 , 一维距离像是三维分布散射点子回波之和 , 在平面波的条件下 , 相当三维子回波以向量和的方式在雷达射线上的投影 , 即相同距离单元里的子回波作向量相加。我

34、们知道，雷达对目标视角的微小变化，会使同一距离单元内而横向位置UD13V1 裳W190m 2-1钟l冋波的维sm不同散射点的径向距离差改变，从而使两者子回波的相位差可能显著变化。以波长3厘米为例，若两散射点的横距为10米，当目标转动0.05。时，两者到雷达 的径向距离差变化为1厘米，它们子回波的相位差改变240由此可见，目标 一维距离像中尖峰的位置随视角缓慢变化（由于散射点模型缓变，而尖峰的振幅可能是快变的（当相应距离单元中有多个散射点。图2-1是2.1宽带信号的逆滤波、匹配C波段雷达实测 的飞机一维距离像的例子，图中将视角变化约 3。的回波重合画在一起。一维距 离像随视角变化而具有的峰值位置

35、缓变性和峰值幅度快变性可作为目标特性识别的基础。本章将用上述散射点模型对高分辨的一维距离像进行讨论。滤波和脉冲压缩根据散射点模型，设散射点为理想的几何点，若发射信号为（p t，对不同 距离多个散射点目标，其回波可写成：22( (cir i iR s t A p t ecn=(2.1i A 和 ( i m R t 分别为第 i 个散射点回波的幅度和某时刻的距离 ; ( p ?为归一化的回波包络 ; c f 为载波频率 , c 为光速。若以单频脉冲发射 , 脉冲越窄 , 信号频带越宽 。 但发射很窄的脉冲 , 要有很 高的峰值功率 实际困难较大 , 通常都采用大时宽的宽频带信号 , 接收后通过处

36、理得到窄脉冲。 为此 , 我们将 (2.1 式的回波信号换到频域来讨论如何处理 , 这时 有 :2( ( c if f jR cr i in+=刀(2.2对理想的几何点目标当然希望重建成冲激脉冲,如果 ( P f 在所有频率没有零 分量 ,则冲激脉冲信号可通过逆滤波得到,即21(2( e( ( c if jR i r ci iR S f FA t P f cnw-? ?=-?刀(2.3实际 ( P f 的频带虽然较宽 ,但总是带限信号 ,所以一种实用距离成像方法是通过匹配滤波 , 主要将各频率分量的相位校正成一样 , 为了提高信噪比再按信 号频谱幅度加权 ,而频谱为零部分是无法恢复的。匹配滤波

37、后的输出为1* ( 2( 1*(2( ( ( ( ( 2e psf ( c i c i r M f r f f j R c f i i f j R i c=?EE(2.4这里 *( P ?为 ( P ?的复共轭 ,而21( psf ( ( f t F P f - ? ?=? ?(2.5在时域上看 , 滤波相当于信号与滤波器冲激响应的卷积 , 对一已知波形的信 号作匹配滤 波,其冲激响应为该波形的共轭倒置。当波形的时间长度为p T , 则 卷积输出信号为 p T 2。实际上 ,匹配滤波可实现脉冲压缩 ,输出主瓣的宽度为B (B 为信号的频带宽度 , 为降低副瓣而作加权 ,主瓣要展宽一些 ,即距离

38、分辨率为 2(B c , 脉压信号的 B 通常较大 (1BT , 输出主瓣是很窄的 , 时宽为 p T 2 的输 出中 ,绝大部分区域为幅度很低的副瓣。当反射体是静止的离散点时 , 回波为一系列不同延时和复振幅的已知波形之 和 , 对这样 的信号用发射波形作匹配滤波时 , 由于滤波是线性过程 , 可分别处理 后迭加。 如果目标长度相 应的回波距离段为 r ?, 其相当的时间段为 T ?(=c r ?2 , 考虑到发射信号时宽为 p T ,则目标所 对应的回波时间长度为 p T T +?, 而匹配滤 波后的输出信号长度为 p T T 2+? 。虽然如此 ,具有 离散点主瓣的时间段仍只有T?,两端

39、的部分只是副瓣区 ,没有目标位置信息。应当指出 ,通过卷积直接作匹配滤波脉压的运算量相对较大,可以在频率域通过共轭相乘再作 IFFT 求得。需要注意的是两离散信号频率域相乘相当它们在 时域作 圆卷积 , 为使圆卷积与线性卷积等价 , 待处理的信号须加零延伸 , 避免圆 卷积时发生混叠。实际处理中 ,为了压低副瓣 ,通常是将匹配函数加窗 ,然后加零延伸为p T T +? 的时间长度 ,作傅立叶变换后并作共轭 ,和接收信号的傅立叶变换相乘后，作傅立叶逆变换，取前T ?时间段的有效数据段。为了便于采用快速傅立叶变换，可能对匹配函数要补更多的零，对接收信号也要补零。 脉压处理过程的如 图2-2所示,其

40、中虚框部 分可事先计算好，以减小运算量。接收信号图2-2匹配滤波脉压示意图距离匹配滤波压缩后，不管是否补零，其距离分辨率为2(B c，距离采样率 为2(s F c，其中s F为采样频率，1s sT F =为采样周期，距离采样周期要求小于等 于距离分辨单元长度。2.2线性频调信号和解线频调处理大时宽宽频带信号可以有许多形式 ，如脉冲编码等，但用得最多的是线性调 频(LFM脉 冲信号。由于线性调频信号的特殊性质，对它的处理不仅可用一般 的匹配滤波方式，还可用特 殊的解线频调(Dechirping方式来处理。解线频调脉压方式是针对线性调频信号提出的，对不同延迟时间信号进行脉 冲压缩，在一些特殊场合，

41、它不仅运算简单，而且可以简化设备，已广泛应用于 SAR和ISAR中作脉冲 压缩。应当指出，解线频调处理和匹配滤波虽然基本原理相同，但两者还是有些差别的，为了能正确利用解线频调方式作脉冲压缩，我们对它作一些详细的说明。假设发射信号为=? ?+rect 2122 冗丫 , 其中 ?w =212101rect(u u u , f c为中心频率,T p为脉宽,为调频率,t t mT =-为快时间 , m 为整数 , T 脉冲重复周期 , mT t m = 为慢时间。解线频调是用一时间固定 , 而频率、 调频率相同的 LFM 信号作为参考信号 , 用它和回波 作差频处理。设参考距离为R ref , 则参

42、考信号为?+? - ? -=2212?222?rect , ?(c R t c R t f j ref refm refref ref c e T c R t t t s丫冗(2.7式中 ref T 为参考信号的脉宽 ,它比 T 要大一些 (参见图 2-3 。某点目标到雷达的距离为t R ,雷达接收到的该目标信号, ?(m r t t s 为? ? ? -+? ?-? -=2212?222?rect , ?(c R t c R t f j p t m r i i c e T c R t A t t sYn (2.8解线频调的示意图如图 2-3,若 ref t R R R - =?,则其差频输出

43、为 , ?( , ?( , ?(*m r e f m r m if tt s t t s t t s ?= 即244 2?(42?rect , ?(?-? -=R cR f cR cR t c j p t m if eee T c R t A t t s c ref频脉冲。冗丫冗丫冗 (2.9若暂将讨论限制在一个周期里 (即 R ? 为常数 ,则上式为频率与 R ?成正比的单如果所需观测的范围为 2, 2r R r R ref ref ?+? -, 图 2-3 中画出了范围两 侧边缘处的回波。2.3(a 中除参考信号外 ,有远、近的两个回波。参考信号与回波作其共轭相乘 , 即作差频处理 , 回

44、波变成单频信号 , 且其频率与回波和参考信号的 距离差成正比 ,因而也叫解线频调处理。由图 2-3(b 可知 cR f i ? -=2 y。因此 ,对解线频调后的信号作傅立叶变换 , 便可在频域得到对应的各回波的 sinc 状的窄脉 冲 ,脉 冲宽度为 p 1,而脉冲位置与 ?R 成正比 (cR ?-2 丫如图2-3(b的左侧所示。如上所述 , 变换到频域窄脉冲信号的分辨率为 p 1, 利用 cR f i ?-=2y ,可得相应的距离分辨率为 r p=Bc T cp1212=y ,相应的时间分辨率为B 1, 这与匹配滤波脉冲压缩的结果是一致的。城址4心|皿I 远费离冋*Zirjc(12dfHi

45、la空嵐上戢图2-3解线频调脉压示意图由于用解线频调作脉冲压缩的结果表现在频域里 ，而不像匹配滤波是在时域 里完成，有些 书籍里又把这种方法叫 时频变换脉冲压缩”。从频率域变换到距 离（相对于参考点的，应乘以 系数丫2c -应当指出，如 r ? 一定则解线调频后的频率范围为?- 丫丫,即信号最大频宽为YCr ?2=B cT r p?2=B R r p?,其中 p R 为 p T 所对应的距离。因此可见 ,比值pR r ? 越小 , 则信号最大频宽比原调频带宽也小得越多, 在聚束式 SAR 和 ISAR 里这一比值有时小到几十分之一 ,甚至几百分之一 ,以 ISAR 为例 ,飞机一类目标 的长度

46、一般 小于 100 米 , 对应的时宽为零点几微秒 , 而大时宽的宽频带信号一般 在几十微秒以上 , 从而可 将信号频带从几百兆赫减小到只有几兆赫 , 对后续设备 （特别是中放和 D A 变换 可简化很 多。 当然 , 这一频带的降低是以时间加长为代价换来的 ,即用长的时间来处理短时间里的信号 。以上只是结合图 2-3 作定性说明 ,回过来看看 （2.9 式 ,它还是比较复杂的 , 特别是它有三个 相位项。为简化分析 ,由于目标一般移动相对缓慢（在 ISAR 中 , 雷达不动目标运动 ;在 SAR 中 ,雷达运动场景和目标通常不动 , 目标相对雷达 运动的速度为雷达速度在目标方向的投影分量 ,

47、 可设其距离 （相对于参考点 ?R 的快时间 t ?（限于一个周期 是固定 , 而对慢时间 m t （跨多个 周期 是移动的。 上面的 定性说明只是讨论一个周期里的脉压 ,即 ?R 为定值 ,因此 （2.9式中的 后两个相 位项在所讨论的时间里为常数 , 所须要注意的只是第一个相位项。 该项表明变换 后 得到的脉冲是单频的 ,其值为 c常将这一相位项称为距离项。?R 对于慢时间 m t 是变化的 , ?R 的变化会使对应的距离项中的频率即 (2.9式中的第一相位项所对应的 i f 发生改变 ,同时也使 (2.9 式中其它两个相位项的 相位不 再是固定的 , 而会发生变化。 下面我们将会看到 ,

48、 第二相位项的相位变化 使回波产生多普勒 这是正常的，而第三相位项是解线频调所独有的，称为视频 残余相位(RVP,它会使多普勒有少许改变。将 (2.9 式后两个相位项的相位单独写出 :2244?+二R cR f c c d 冗丫冗(2.10在 短 的 时 间 里 ， 设 ?R 的 变 化 近 似 是 线 性 的 (高 次 项 可 以 忽 略即mr t V R R +=?0， 而 2?R =20 (m r t V R +?m r t V R R 0202?+玉将？R和2?R 代入 (2.10 式 , 得2(4 (402020m r m r c d t V R R c t V R f c? +-=

49、冗丫冗(2.11由此可得多普勒(24221002?-=Q-=B f cV V R cf cV dt丫冗(2.12式中00?=T B 丫而 cR T 002?= , 即目标相对于参考点的距离为 0?R 时 ,解线调频 后信号的频率。得到其实 ,上述结果可对 (2.9 式的时域信号对快时间 (以参考点的时间为基准 作 傅立叶变换2244 2(sinc , (?-? ? ? ? ?+=R cj R f c ji p p m i if eeR c f T AT t f S c冗丫冗丫 (2.13式 (2.13 表明 ,解线频调脉冲压缩后 , 在频域的窄脉冲宽度为 p ,频移为?-R cY2, 另外还有

50、两个与 ?R 有关的相位项 ( 多普勒项和RVP 项 , 这些都和上面的说明是一致的。解线频调方法和匹配滤波脉压相比较 , 多了 RVP 项 , 它是什么原因产生的 , 是否正常 ,如 果不正常 ,是否可加以消除呢 ?答案是肯定的 。从图 2-3(b 可见 , 通过解线频调后 ,矩形脉冲变成单 频的 ,且频率与距离的负数 (当对于参考点 成 正比, 这是我们需要的。 但从该图也可看出 , 各 个单频脉冲时间上不对齐 , 而是 有一定的时移 (=i f R =- ? , 即时移与解线频调的频率成正比。 我们知道 , 时 域的时移相当于频域添加了线性相位因子,这就是 RVP 项的来源 ,我们可以通

51、 过对图 2.2(b 的波形作色散延时处理 , 令延时与 i f 成正比 (=i f , 则可将图 2-3(b 中的所有不同 距离的回波校正成在时间上完全对齐图 2.2(c, 而 RVP 项也随之 消失。在实际应用中 ,解线频调后脉冲在时间上不对齐 ,主要影响还不是 RVP 因 为 (2.12 式中的 0c B f ?, 而是脉压后的副瓣问题。我们知道,矩形的时域脉冲 通过傅立叶变换的频率波形为sinc 函数 , 主瓣附近的副瓣是相当高的 , 必须加权 处理以抑制副瓣。 可以看出 , 由于解线频调 处理只能在时域加权 , 当所有脉冲在 时间上均对齐时 , 各脉冲均能统一地作良好的加权 , 从而

52、 得到低副瓣的脉压。 对于如图 2-3(b 所示的时间上错开的脉冲 ,而我们又只能对 pr T (=cR T r p ?+2 作统一的时间加权 , 对中间的信号加权合适 , 两端的信号不会合适。 可以说 , 对图 2-3(b 的信号作脉冲压缩，除非2p r T c?5】根据疑采样定劇 信号的最大频带宽度等于采样频率则何(2 JR)F =处丁匸丫 _ X尸由于采样数口初和采样时间J和采样率耳的关系为当pr T =p T时，解线频调距离压缩后采样率等于分辨率prc T c T c pyyS =21212 （2.212.3 散射点模型与一维距离像宽频带信号的功能之一是为雷达目标识别提供了较好的基础。 现代雷达 , 特别是军用雷 达常希望能对非合作目标进行识别。 常规窄带雷达由于距离分辨率很低, 一般目标 （如飞机呈现为 “点” 目标 , 其波形虽然也包含一定的目标信息 , 但十分粗糙。频宽为几百兆赫的雷达 目标回波为高距离