雷达成像原理.doc

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雷达成像原理

第一章雷达基础知识 5

1．1雷达的定义 5

1．2雷达简史 5

1．3电磁波 5

1.4脉冲 8

1.5分贝值表示方法 9

1.6天线 10

1.7雷达散射截面 12

2．1傅立叶变换 14

2．2雷达硬件组成 15

2．2．1振荡器 15

2．2．2波形产生 15

2．2．3混频器 16

2．2．4调制 16

2．2．5发射机 16

2．2．6波导 16

2．2．7双工器 17

2．2．8天线 17

2．2．9限幅器 17

2．2．10低噪放大器 18

2．2．11系统噪声 18

2．2．12解调 19

2．2．13正交混频 20

2．2．14A/D转换器 21

2.3天线 22

2.3.1天线的概述 23

2．3．2方向性函数 24

2.3.3天线增益 27

2．3．4天线口面上辐射场的渐变处理 28

2．3．5余割平方天线 29

2．4相控阵天线 30

2．4．1一维线阵列天线 31

2．4．2二维相控阵 33

第三章外部环境对雷达系统的干扰 34

3.1雷达散射截面（RCS） 34

3.1.1简单目标的RCS 34

3.1.1.1理想导体球 35

3.1.1.2平板 36

3.1.1.3角反射器 36

3.1.1.4Luneburg透镜 37

3.1.2复杂目标的RCS 38

3.1.3计算RCS的方法 38

3.1.4极化因素 38

3.1.4.1极化散射矩阵 38

3.1.4.2简单目标的极化散射矩阵 39

3.1.4.3更一般的极化基 40

3.2传播与杂波 41

3.2.1雷达波在大气中的折射 41

3.2.2地表弯曲效应 42

3.2.3雷达波在空气中的衰减 43

3.2.4雷达波在雨水中的衰减 43

3.2.5雷达波在地表的反射 43

3.2.6多路效应 44

3.2.7表面杂波反射 45

3.2.8降水引起的雷达反向散射 46

3.3外部噪音 46

第四章：

基本雷达信号处理 50

4.1从噪声和杂波中间测回波信号 50

4.1.1检测器特点 50

4.1.2检测的基本理论 50

4.1.3噪声中检测无波动目标 52

4.1.3.1：

已知相位的单脉冲的相参检测 52

4.1.3.2单脉冲包络检测 52

4.1.3.3n个脉冲的相参积分：

52

4.1.3.4n个非相参脉冲的积分变换损失：

53

4.1.4施威林情形 53

4.1.4.2波动损失 53

4.1.5：

噪声中目标检测小结：

54

4.1.6:

次积分：

无振动目标 54

4.1.7目标 55

4.2雷达波形 55

4.2.1总的雷达信号 55

4.2.2匹配滤波器 56

4.2.3：

匹配滤波器对于延迟，多谱勒平移、信号的响应， 58

4.2.4雷达模糊函数 58

4.2.5例1：

一个单脉冲；距离和速度分辨率 60

4.2.6例2：

线性频率调制脉冲；脉冲压缩 61

4.2.7例3：

相关脉冲序列：

在距离和速度上的分辨率和模糊度 62

4.2.7.1单脉冲串 63

4.2.7.2线性调频脉冲串 64

4.2.7.3其它脉冲序列 65

4.2.8相差处理间隔 66

4.2.9CPI的例子,求解雷达方程 66

4.3雷达测量精确度 67

4.3.1单脉冲 67

4.3.2卡尔曼绕界限 67

4.3.2.1在频率上得卡尔曼-绕界限 68

4.3.2.2延迟上的卡尔曼绕界限 69

4.3.2.3角度上的卡尔曼--绕界限 69

4.3.2.4卡尔曼-绕界限的例子。

70

4.3.2.5总结：

71

第六章成像雷达简介 72

6.1距离—速度压缩 72

6.2旋转目标：

逆合成孔径雷达 72

6.3逆合成孔径雷达用于大范围目标 75

6.4点扩展函数 76

6.5标准二维逆合成孔径雷达：

小角度 77

6.6二维逆合成孔径雷达：

大角度 80

6.7三维逆合成孔径雷达 81

6.8波数空间与极化设计方法 81

6.9ISAR注释 82

6.10ISAR的其他情况 83

6.11近场ISAR 84

6.12变化情况未知的目标及旋转 85

第七章合成孔径雷达 89

7.1SAR 89

7.1.1SAR模型 90

7.1.2距离和速度等值线 91

7.1.3动态补偿 91

7.1.4斜面或平面 92

7.1.5SAR对脉冲重复频率的要求 92

7.1.6距离转移 93

7.2SAR波形及处理 94

7.2.1快时处理 94

7.2.1.1SAR中的线性调频（LFM） 94

7.2.1.2非线性调频处理 95

7.2.1.3非畸变过程 96

7.2.1.4LFM脊态 98

7.2.2慢时（slowtime）处理 98

7.3SAR成像质量 99

7.3.1脉冲响应 99

7.3.2信噪比（SNR） 99

7.3.3合成旁瓣比率 100

7.3.4倍增噪声比率（MNR） 100

7.3.5SAR的对比和光学成像 101

7.4SAR关键参数概述 102

7.5特殊SAR应用 102

7.5.1运动目标 102

7.5.2振动目标 103

7.5.3.1影像（Shadows） 104

7.5.3.2滞后 104

7.5.3.3立体 105

7.5.3.4干涉合成孔径雷达（IFSAR） 105

7.5.4前瞻SAR 107

7.5.5植被穿透SAR（FPSAR） 107

7.5.6极化SAR 108

7.5.7隔行扫描SAR/ISAR模式 108

7.5.7.1灵活波束搜索SAR 109

7.5.7.2隔行扫描搜索和集束模式 110

7.5.7.3灵活波束集束SAR 111

7.5.7.4其他灵活波束实例 111

第八章SAR/ISAR数字成像 113

8.1数字图像构造（信号处理） 113

8.1.1使成像和复成像 113

8.1.2离散付立叶变换 114

8.1.3补零 114

8.1.4数字SAR/ISAR图像形成 115

8.1.5点扩展方程 115

8.1.6距离窗 116

8.2数字成像的增强（图像处理） 118

8.2.1超分辨力和旁瓣降低技术导论 118

8.2.2DFT（FFT）处理 119

8.2.3周期图 120

8.2.4最小方差方法 120

8.2.5高分辨力向量图 121

8.2.6自适应旁瓣抑制 121

8.2.7空间变量变迹法 122

8.2.8超级SVA 123

8.2.9其他频谱估计技术和应用 124

8.2.10举例的结果 124

第一章雷达基础知识

1．1雷达的定义

雷达是指“发射电磁波信号并接收在其作用范围内的被观测物体（目标）的回波的装置”[1]。

雷达（radar）源于“radiodictionandranging”的首字母缩写。

现存的许多有用的系统都有同样的描述。

有时，人们使用声波（或超声波）而不用电磁波，这样的系统成为声纳。

按这种定义，蝙蝠使用的是声纳而并非雷达。

声纳的原理和雷达的原理很相似，但声纳不在本书的讨论范围内。

如无特别声明，本书假设电磁波能量从雷达硬件输出到天线，再从天线辐射出去，而后从一个或多个物体返回的回波通过先前辐射能量的天线接收，最后传输回雷达的硬件设备。

这样的雷达成为单站雷达，也就是说，电磁波的发射和接收在同一位置处。

有时我们也会提到双站，多站雷达。

在双站雷达系统中，发射天线和接收天线在不同位置处。

在多站雷达系统中，可能电磁波从一个或多个位置处发射，并在一个或多个位置处接收。

对于雷达讨论详见参考书目[2-16]。

1．2雷达简史

雷达的历史，特别是早期历史富有传奇色彩。

当Budrieri[17]，Burns[18]，Swords[19]等人作好一批优秀的论文之后，雷达的历史就随之开始了。

在1886年HeinrichHertz证实了无线电波的传播。

1904年德国的杜塞尔布市的Huelsmeyer获得了第一个雷达的专利。

Huelsmeyer称他的发明为“发射、接收赫兹波的装置，如在波的投射方向上存在金属物体如舰船、火车等，该装置可以示警”。

1922年Tayler和Young在华盛顿的海军实验室完成了第一部舰船探测雷达。

1922年Hyland制作了第一部飞机探测器。

在1941年美国陆军的雷达发现了接近珍珠港的日军机群，但当值的军官认为那是假目标。

二战期间，英国的ChainHome雷达系统的快速发展，对于英国成功的防御德军的空袭起了很重要的作用。

战后，雷达更是飞速发展，人们制造出了各种类型的雷达一直延用至今。

1．3电磁波

早在1865年JamesClerkMaxwell提出了电磁基本方程（麦克斯韦方程）预测了电磁波的存在。

电磁波由波动的电场和磁场构成。

电磁波的传播速度可通过自由空间的基本电磁属性来计算。

ε0（对于自由空间）=8.85×10-12kg-1m-3s-2coul2

μ0（对于自由空间）=4π×10-7kgmcoul

c==2.998×108m/s（1.1）

这种计算速度的方法同样适用于可见光。

这也就说明了可见光也是一种电磁波。

Hertiz证明了不可见的电磁波的存在，我们称之为无线电波。

现在我们知道电磁波有一个连续的波谱，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、γ射线。

通常雷达这个术语是指利用无线电波的系统。

本书只是电磁波的简介，读者若想进一步研究，可供参考的文章很多，如Jackson[21]和Stratton[22]的文章。

电磁波的理论可使用不同的单位量纲系统表示，本书中使用的是公认更合理的千克-米-秒的量纲系统。

[文献22，16-23页]。

图1.1描绘了在真空中传播的几种简单的电磁波在某一特定时刻的波形。

电场（E）和磁场（H）在空间上都是正弦变化的（黑体表示矢量）。

在相位上，电场和磁场相互垂直，并且都垂直于传播方向。

每秒通过某特定位置的波峰的个数成为频率（f）。

f可用每秒的周期数来量度（赫兹）。

在雷达系统中，频率通常是指载波的频率。

两个相邻波峰之间的距离成为波长λ。

λ=c/f=2π/λ=2πf/c并且k=e*h（^表示单位向量）。

瞬时的能量通量密度（w/m2）表示为|S|=E×H=cε0E2=c0μH2。

S为波印亭矢量[22]。

场强的单位是V/m，波印亭矢量S的单位是W/m2，因此可以推出，常数cε0的单位是1/Ω或S。

cε0==1/377Ω（1.2）

cε0的倒数有时被成为自由空间的阻抗。

一般用矢量表示电场E的方向。

如图1.1（a）所示的波形，矢量的值是常数（不记正负号）。

的方向决定了波电磁波的极化形式。

若矢量的数值为常数，则称电磁波是线极化。

若重力场存在，并且波的传播方向与重力场方向垂直，则称这样的线极化波是水平极化或垂直极化的。

更常见的情况是，E（或H）的方向与传播方向垂直，但在垂直关系下，指向不固定。

此时，E的方向可以用两个相互正交，且都垂直与的矢量表示。

这样的波不再是线性极化的。

在一般情况下，电场E可以用一组垂直于传播方向的椭圆形螺旋线来描绘。

这样的波是椭圆极化波（特殊情况下为圆极化波）