双基地逆合成孔径雷达成像平面分析精.docx

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双基地逆合成孔径雷达成像平面分析精

　收稿日期:

2009-12-03　　　　修回日期:

2010-01-12*基金项目:

国家“863”高技术研究计划基金资助项目

（2008AA8080503

　作者简介:

董　健（1982-　,男,福建福州人,博士研究

生,研究方向为:

雷达信号处理,SAR/ISAR成文章编号:

1002-0640（201103-0062-05

双基地逆合成孔径雷达成像平面分析

*

董　健1,2,尚朝轩1,高梅国2,傅雄军2

（1.军械工程学院,石家庄　0500003,2.北京理工大学雷达技术研究所,北京　100081

　　摘　要:

主要分析了双基地逆合成孔径雷达的成像平面。

基于双基地SAR成像平面分析,双基地目标旋转矢量分析两种方法,分别建立了两种不同的双基地ISAR成像平面模型。

为验证模型正确性,分别将两种模型应用于双基地转台成像分析,并预测成像结果。

基于BP算法的双基地转台点目标成像仿真表明,旋转矢量分析法建立模型的分析结果与仿真结果完全吻合。

基于虚拟目标航迹的双基地逆合成孔径雷达BP算法成像仿真也验证了该模型的正确性。

对基于双基地SAR的ISAR成像平面模型的缺陷也进行了初步探讨。

关键词:

双基地,逆合成孔径雷达,成像平面中图分类号:

TN951　　　　文献标识码:

A

TheImagingPlaneAnalysisofBistaticISAR

DONGJian1,2

SHANGChao-xuan1

GAOMei-guo2

FUXiong-jun

2

（1.OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China,

2.RadarTechniqueInstitute,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China

　　Abstract:

ThisworkmainlydiscussestheimagingplaneoftheBistaticISAR.Theimagingplaneismodeledbytwodifferentmethodsseparately.OneismodelingtheimagingplaneaccordingtothebistaticSARimageplaning;theotheristomodeltheplanebytargetrotationvectoranalysis.Themodelingprocessispresentedindetail.Boththemodelsareseemtobereasonable,butaredifferenttoeachother.Theyarethentestifiedbyapplyingthemtointerpretthebistaticturntableimaging,andtoanalyzethepossibleresult.TheresultsofBPalgorithmturntableimagingsimulationperfectlymatchthepredictionsofthesecondmodel,whichisbuiltbytargetrotationvectoranalysis.Furthersimulationsofmovingpoint-scatterbistaticimagingalsoindicatethevalidityofthesecondmodel.Thedeficiencyofthefirstmodelisalsodiscussed.

Keywords:

bistatic,SAR,imagingplane

引　言

双基地雷达是发射机与接收机分离很远的雷达系统[1],雷达的早期形式就是双基地雷达。

由于双基地雷达在对抗雷达“四大威胁”方面的突出优点,自

上世纪70年代中期开始,西方国家相继投入大量人力、物力开展战术双基地雷达的研制工作,取得了丰硕的成果。

以“圣殿”防空双基地雷达、夸加林靶场MMS雷达、法国“Graves”空间目标监视双基地雷

达系统等为代表的双基地雷达已投入实用。

成像双基地雷达是双基地雷达的特殊形式,可以分为双基地SAR和双基地ISAR两大类。

双基地SAR的概念提出于20世纪70年代,近年来,随着雷达信号处理技术的不断提高,双基地SAR已成为成像雷达的研究热点,正步入实用阶段。

与双基地SAR相比,双基地ISAR的研究相对,Vol.36,No.3

Mar,2011

火力与指挥控制

FireControl&CommandControl

第36卷　第3期2011年3月

些研究大都基于现有单基地雷达进行,经过改造实现双基地雷达功能。

昆士兰大学的J.Palmer研究了伪多基地ISAR（EmulatedMultistaticISAR成像技术,得到了货轮的伪双基地雷达像[2,3]。

挪威防御技术研究院使用一部空中交通管制雷达（ATC和一个全向天线组成“搭乘雷达系统”,获得了民航客机ISAR图像和连续航迹[4]。

国内对双基地ISAR的研究与单基地ISAR几乎同时起步,北京理工大学在20世纪80年代末较为系统地研究了双基地逆合成孔径雷达成像的基本理论并进行了仿真[5]。

受双基地雷达及单基地ISAR研究水平的制约,此后可见的研究报道较少。

2006年开始,哈尔滨工业大学、海军工程大学和国防科技大学先后报道了各自双基地ISAR的研究成果[6-8]。

这些研究假定了理想的目标运动情况,对双基地雷达转台成像原理、分辨率、目标尺寸限制、采样率要求等方面进行了较为系统的研究,具有较强的指导意义。

成像平面分析是雷达成像中的基本问题。

由于收发分置带来的几何关系变化,双基地SAR中的成像平面发生了较大变化,成像的方位轴与距离轴在许多情况下并不正交[9]。

在双基地SAR中,成像面的变化,尤其是距离轴、方位轴夹角的变化在不同成像算法下有不同影响:

使用BP等算法成像时,图像不会发生畸变,但旁瓣伸展方向将由于分别垂直方位轴、距离轴而歪斜;而使用RD算法进行二维压缩时,目标二维压缩结果将发生畸变,需要通过计算距离轴、方位轴夹角校正。

双基地雷达的时间同步是双基地成像雷达的关键技术,受该技术的制约,在早期双基地SAR的试验中,大量采用了独立时钟源同步或大时窗连续采样不同步的方式实现收发双站时间同步[10]。

在这些方式下,对时钟较为敏感的BP等算法将受到较大制约甚至失效,只能使用RD等对同步要求不高的算法。

因此,使用RD等算法以降低对收发双站同步精度的要求不失为一种较好的选择。

本文以空间目标双基地ISAR监视与成像的需求为背景进行研究。

ISAR与SAR有着天然的联系,可以预计双基地ISAR中成像平面也会发生较大变化。

空间目标监视双基地雷达基线较长,目前条件下实施高精度时间同步较困难,对时钟敏感的BP等算法将失效,必须使用RD等对时间同步要求略低的算法,以降低同步精度要求,但必须解决图像畸变校正问题。

空间目标运动较平稳,可以通过计算运动参数得到成像平面,并估计图像畸变。

因此,双基地ISAR成像平面研究,既是ISAR图像畸变校正的需要,1　基于双基地SAR的双基地ISAR成像面分析

　　在双基地SAR中,雷达的成像平面是这样确定的:

如图1所示,设Vt,Vr分别为发射机和接收机的运动速度矢量;Wt为发射机LOS方向;Wr为接收机LOS方向;V′t为发射机的有效运动矢量,即Vt在Wt正交平面上的投影;V′r为接收机有效运动矢量;Vs为V′t与V′r的合成矢量,即有效速度合成矢量,为该方向上的单位矢量;为双基地角平分线矢量;则为距离向方向,为方位向方向。

根据运动的相对性原理,可以分析双基地ISAR的情况。

如图2所示,在双基地ISAR中,发射站与接收站固定,目标在空间以速度V运动,这可以看作目标不动,而发射站与接收站分别以速度-V反方向运动。

图1　双基地SAR成像几

何关系与成像平面

模型

图2　空间目标双基地ISAR成像几何关系与成像平面

　　设Wt为发射机到目标的位置矢量,即发射机LOS方向;Wr为接收机到目标的位置矢量,也是接收机LOS方向;V′t为目标相对发射机的有效运动矢量,即Vt在Wt正交平面上的投影;V′r为目标相对接收机的有效运动矢量;V→s为V→′t与V′r的合成矢量,也称为有效速度合成矢量,为该方向上的单位矢量;为双基地角平分线矢量。

由相对性原理,在双基地ISAR中,为距离向方向,为方位向方向,双基地角平分线与等效速度矢量构成的基本面（BasicPlane就是双基地ISAR成像的投影面。

为方便叙述,以下称该成像平面模型为模型I。

2　基于矢量合成的双基地ISAR成像平面分析

　　对于单基地ISAR,其成像平面通常通过矢量分析确定。

该分析认为:

在小视角旋转的时间间隔内,目标回波数据所成的图像位于图像投影面,该平面,

・63・

董　健,等:

双基地逆合成孔径雷达成像平面分析（总第36-455　　　　

图3　单基地雷达成像平面及

几何关系[11]量是实际旋转矢量在雷达视线正交平面上的投影[11]。

图3显示了单基地情况下目标成像平面构成,O为目标散射中

心,x轴指向雷达,Oxyz构成右手系,R为雷达LOS方向上的

单位矢量。

目标的总旋转矢量为

（t,

是

的有

效旋转矢量,R×（t就是成像面方位向,R就是成像面距离向。

如果A为目标上的一个散射点,该点由目标旋

转产生的速度矢量为V

（t,目标平动对成横向像没有贡献,这里不考虑,则散射点A由目标旋转产生的瞬时多普勒fd（t满足:

fd（t=cr（t・[R×

（t]

（1