雷达成像技术保铮word版 第一章 概论.docx

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雷达成像技术保铮word版第一章概论

前　　言

雷达成像技术是上个世纪50年代发展起来的，它是雷达发展的一个重要里程碑。

从此，雷达不仅仅是将所观测的对象视为“点”目标，来测定它的位置与运动参数，而是能获得目标和场景的图像。

同时，由于雷达具有全天候、全天时、远距离和宽广观测带，以及易于从固定背景中区分运动目标的能力，雷达成像技术受到广泛重视。

雷达成像技术应用最广的方面是合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，简称SAR）。

当前，机载和星载SAR的应用已十分广泛，已可得到亚米级的分辨率，场景图像的质量可与同类用途的光学图像相媲美。

利用SAR的高分辨能力，并结合其它雷达技术，SAR还可完成场景的高程测量，以及在场景中显示地面运动目标（GMTI）。

SAR的高分辨，在径向距离上依靠宽带带信号，几百兆赫的频带可将距离分辨单元缩小到亚米级；方向上则依靠雷达平台运动，等效地在空间形成很长的线性阵列，并将各次回波存贮作合成的阵列处理，这正是合成孔径雷达名称的来源。

合成孔径可达几百米或更长，因而可获得高的方位分辨率。

雷达平台相对于固定地面运动形成合成孔径，实现SAR成像。

反过来，若雷达平台固定，而目标运动，则以目标为基准，雷达在发射信号过程中，也等效地反向运动而形成阵列，据此也可对目标成像，通称为逆合成孔径雷达（ISAR）。

ISAR显然可以获取更多的目标信息。

最简单的雷达成像是只利用高距离分辨（HRR）的一维距离像。

当距离分辨率达米级，甚至亚米级时，对飞机、车辆等一般目标，单次回波已是沿距离分布的一维距离像，它相当目标三维像以向量和方式在雷达射线上的投影，其分布与目标相对于雷达的径向结构状况有关。

同时，高距离分辨率有利于分辨距离接近的目标，以及目标回波的直达波和多径信号。

本书将对当前已经广泛应用和具有应用潜力的内容作较为全面的介绍。

本书是《雷达技术丛书》中的一册，主要对象为从事雷达研制工作的技术人员，因此，本书编著时考虑到读者已有《雷达原理》和《雷达系统》方面的基础，对雷达各部件的基本情况也已比较熟悉，与上述内容有关的部分，本书均作了省略。

对这些内容不熟悉的读者，可以从本丛书的其它各册里找到。

国内外有关雷达成像的专著和专籍已经不少，一般着重于原理的叙述和分析，其中有许多学术性很强的佳作。

本书作为《雷达技术丛书》中的一册，力求写出自己的特色。

由于本书的主要对象为雷达技术人员，而雷达成像又为雷达技术中较新的内容，为便于他们易掌握雷达成像的内容，我们的设想是用雷达技术工作者熟悉的概念、方法和术语对新的问题进行研究；而且根据雷达的实用性来安排本书的体系结构，例如雷达的高分辨一维距离像，在原理方面比较简单，但在雷达里很实用，并有许多实际问题需要研究，本书将其专门列为一章。

又如与合成孔径雷达相结合的地面动目标显示（GMTI），严格说在原理上不属于雷达成像，但对军用雷达来说，是不可或缺的重要内容，本书也将它列为介绍的重点。

编著本书时，还考虑到雷达成像技术的迅速发展，成像技术已不仅用于专门的成像雷达，而成像已作一种新的功能用于各种雷达，如在机载对地警戒雷达，以及对地火控和轰炸雷达里加装合成孔径和/或逆合成孔径成像功能，而在对空警戒和跟踪的地基雷达中加装逆合成孔径成像功能。

可以说，成像已成为一般雷达工程技术人员所必须掌握的一门技术。

为此，本书编写时，力求做到能概念清晰地把工作原理、设计原则、设计方法，以及有关的实际问题交待清楚，力求使读者能通过对本书的学习掌握问题的本质，并能用本书提供的原理和方法，灵活地解决实际问题。

雷达成像及其有关问题现在仍在迅速发展中，本书力求将最新的内容介绍给读者。

可以肯定说，本书出版后还会不断有新的内容发表。

因此，我们力求把新概念、新原理、新方法在其基础层面介绍清楚，力求做到能与现在发展中的新内容接轨，便于读者今后能用新的知识不断充实自己。

虽然我们在编著本书时做了努力，但由于水平限制和经验不足，缺点一定不少，甚至还有错误，希望读者批评指正。

第一章　概　　论

1.1雷达成像及其发展概况

雷达的发明是无线电发展史上的重要里程碑，它可以全天候、全天时、远距离对目标进行检测和定位，在第二次世界大战中发挥了重大作用，至今仍然是军用和许多民用领域的重要传感器。

早期雷达的分辨能力很低，其分辨单元通常远大于目标，因而雷达是将观测对象（如飞机、车辆等）视为“点”目标来测定它的位置和运动参数。

为了获取目标更多的信息，雷达科技工作者做了许多研究工作，设法从回波中提取目标特性。

实际上，提高雷达的分辨能力应当是最有效的方法之一，当分辨单元远小于目标的尺寸时，就有可能对目标成像，从图像来识别目标显然要比“点”回波识别可靠得多。

雷达的距离分辨率受制于信号频带，提高距离分辨率相对容易一些，例如信号频带为300兆赫，则通过匹配滤波输出的脉冲宽度为纳秒，相当距离长度为米（考虑到脉压时为降低距离副瓣所引起的脉冲主瓣展宽，距离分辨率为米多）。

在微波波段，现在要产生300兆赫或更宽频带的信号是不困难的。

提高横向分辨率，要依靠减小波束宽度，即要采用大孔径的天线。

举个实际例子，若天线孔径为300个波长（在X波段约为10米），其波束宽度约为º，则在30公里处的横向距离分辨率约为100米。

因此，要将上述横向距离分辨率提高到1米，则天线孔径长度还要加大到100倍，即约为1000米，实际上是难以做到的，特别是在飞行平台上。

如果只是为了提高方位分辨率，原理上用小天线（称为阵元）排成很长的线性阵列是可行的，为了避免方向模糊（即不出现波束栅瓣），阵元间距应不超过二分之一波长。

若目标是固定的，为了简化设备可以将阵元同时接收改为逐个收发，并铺一条直轨，将小雷达放在轨道上的小车上，步进式地推动小车，而将每一步得到的回波记录下来，这些回波含有接收处回波的相位、幅度信息，将它们按阵列回波作合成处理，显然能得到与实际阵列相类似的结果①，即可以得到很高的方位分辨率。

由此类推，将雷达安装在飞机或卫星上，在飞行过程中发射和接收宽频带的信号对固定的地面场景作观测，则将接收存贮的信号作合成阵列处理，便得到径向距离率和横向距离分辨率均很高的地面场景图像，合成孔径雷达正是由此得名的。

利用飞行的雷达平台对地面场景获得高的方位分辨率还可用多普勒效应来解释，当雷达载机以一定速度水平飞行，地面的固定目标方位不同，其视线与雷达（载机）的速度向量的夹角也不相同，即它们有不同的相对径向速度和多普勒。

因此，对同一波束里的固定目标回波作多普勒分析，只要多普勒分辨率足够高，仍然可将波束无法分辨的目标加以分辨。

1951年，美国Goodyear公司在这种特定条件下，利用多普勒分析提高方位分辨率，他们把这种方法称为“多普勒锐化”，即通过多普勒分析将同一波束内的回波按方位不同分成一组“多普勒波束”，而将原波束宽度与“多普勒波束”宽度的比值称为“锐化比”。

直至今日，多普勒锐化技术仍在机载雷达里应用，其锐化比通常可做到32~64，以2º的波束宽度为例，多普勒锐化波可窄到约~º。

图1-1是X波段雷达（信号频带为5兆赫），波束宽度为º，通过锐化比约为64的多普勒锐化，多普勒波束约为°。

图1-1的纵向分辨率约为30米，横向分辨率为20米。

这样的分辨率是较低的，只能得到地面场景的轮廓图。

图1-1　多普勒波束锐化的地面场景图

为了提高图像的纵向和横向分辨率，前者相对简单一些，只须加宽信号频带，而横向则决定于多普勒分辨，因而需要加长相干积累时间，也就是要加大前面提到的合成孔径。

为了得到米级的分辨率，合成孔径长度一般应为百米的数量级，即飞机要飞行几百米后才能得到所需的分辨率。

前面提到，相对于雷达不同方位角的地面固定目标，多普勒值是不同的。

对某一地面固定目标，在飞机飞行过程中，由于其视角不断变化，回波多普勒也随之变化。

在前面所说的多普勒锐化里，只是由于相干时间不长（即合成孔径不大），多普勒的变化可以忽略。

现在为提高横向分辨采用了大的合成孔径，这时多普勒锐化波束不能再用简单的傅立叶变化，而须要特殊处理（后面还要详细讨论），习惯上用非聚焦和聚焦来区分两者（这两个名词也将在后面说明）。

实际上，上面介绍的多普勒波束锐化也就是非聚焦方法。

1953年夏在美国Michigan大学的暑期讨论会上，明确了非聚焦和聚焦方法，“合成孔径”的概念也是在这次会上提出的。

有了清晰的概念、严格的理论分析和部分原理性试验成功后，接下来就是工程实现的研制。

当时，高相干的宽频带信号产生、发射和接收，信号的存贮和处理都还是难题。

1958年Michigan大学雷达和光学实验室研制出第一部合成孔径雷达，并得到清晰的地面场景图像。

当时的数字处理技术还比较落后，而是用光学设备实现复杂的二维处理成像。

对横向分辨率的要求越高，所需合成孔径长度就越长，即要有长的相干积累时间。

所谓聚焦处理就是将在相干时间内由于雷达至目标长度变化而引起的相位非线性变化和包络平移通过补偿作处理，分辨率越高，相干积累时间就越长，对补偿精度的要求也越高，从而处理也越复杂。

因此，合成孔径雷达能够达到的分辨率是逐年提高的，早期的分辨率可达10~20米，不久就到了米的数量级；近年来，国外已有分辨率达米的报道。

当然，在应用中并不都要求最高的分辨率，而是根据实际要求确定，图1-2为与图1-1同一地区的合成孔径雷达场景图像，分辨率为3米。

可见作为广域的普查，3米分辨率已可满足要求。

如果要求观察清楚其中一小部分特定区域，则要求更高的分辨率。

图1-2　分辨率为3米的合成孔径雷达场景图像

合成孔径雷达发展中的一个新的里程碑是高程测量，前面提到过，为了在方位向得到高的横向率需要大的横向合成孔径。

因此，如果要在高度方向得到高的分辨率，同样需要在高度向有大的天线孔径，这是难以做到的。

但是，对合成孔径雷达图像作高程测量只是对已经在距离-方位平分离开的点测高，这时可用高低两付接收天线，各自作合成孔径成像，将两幅图像加以配准，则图像中的每一点均有上、下天线的两路输出，对它们作比相单脉冲处理（这是雷达技术里用的术语，在物理学里叫干涉法），就可得到该点的仰角值，从而根据该点相对于雷达的几何位置计算出它的高程。

可以想象，所测高程的精度与上下天线之间的基线长度有关，无论是在飞机还是卫星上安装两付天线，上述基线不可能很长，其测高精度一般比较低，如果要提高测高精度则要采取另外的措施。

能测量高程的合成孔径雷达通称干涉式合成孔径雷达（IFSAR），双天线的IFSAR是在1974年发明的，后面还要详细介绍。

合成孔径雷达另一个新发展是合成孔径雷达的地面动目标显示（SAR-GMTI），它在军事上是战场感知的重要手段，它也用两付接收天线和两个通道，只是这时的两付接收天线沿平台运动方向前后放置。

我们知道，合成孔径图像的横坐标实际上是多普勒，只是由于雷达平台相对于地面固定场景的相对速度和几何位置已知，从上述多普勒值可以换算出横向位置。

当然这只是对固定目标，如果场景里有运动目标（如车辆等），它还有额外的多普勒，因而动目标显示的横向位置会“错位”。

当用前后放置的两付接收天线的信号各自成像，两幅复图像只是有一段时间差，如果将时间差加以补偿（主要是相位校正，在后面还要详细介绍），则两天线相当在同一地点成像，两幅固定场景的复数像会完全相同，两者相减原理上可完全抵消。

动目标则不一样，因为两幅复数像实际是在不同时间得到的，两者的相位不同，因而在两幅复数像相减会留下动目标。

不过动目标的横向位置是“错位”的，要得到动目标的真实横向位置还要另想办法，这也将在后面介绍。

合成孔径雷达的应用领域越来越广，上世纪五、六十年代只用于飞机。

人造卫星发成功后，很快有人研究星载合成孔径雷达，并于1978年试验成功。

现在机载、星载合成孔径雷达的应用已十分广泛，在军用方向有战场侦察、目标识别、对地攻击等，而在民用方面有地形测绘、海洋观测、灾情预报、农作物评估、天体观测等，在国民经济和国防建设方面发挥了重要作用。

图1-3　C波段频带为400MHz

的ISAR成像

逆合成孔径雷达（ISAR）是又一个发展方面。

实际上，合成孔径是利用雷达与目标之间的相对运动形成的，这里是目标不动，而雷达平台作直线运动。

如果反过来，雷达平台不动，而飞机运动，当以飞机为基准时，也可将雷达视为反向运动，并在虚拟的运动中不断发射和接收信号，而用合成孔径技术得到飞机图像。

其实两者在原理上是相同的，不存在原理上的“逆”问题，只不过是运动方倒置，而在雷达界习惯称为逆合成孔径雷达。

在上世纪80年代初，就实现了非合作目标的逆合成孔径雷达成像，现已得到较广泛的应用，图1-3是一种ISAR的飞机图像。

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型。

对机动目标的逆合成孔径成像现在仍然是研究的热点。

应当说，合成孔径技术发展到今天，不仅有专用的合成孔径雷达，而应用该技术的雷达成像已成为一种新的功能用于各种雷达。

在许多现代雷达里都配备有宽带信号，并根据需要加成像处理，使雷达具有对场景的合成孔径成像（对运动平台的雷达）和对目标的逆合成孔径成像（对运动或固定平台的雷达）。

1.2雷达成像的基本原理

在上一小节里，我们介绍了合成孔径雷达和逆合成孔径雷达成像方方面面的情况，详细情况将在本书的各章里讨论。

雷达成像有别于一般雷达的最主要点是用合成孔径技术（也可用多普勒效应来解释）得到高的横向分辨率。

为了使读者在阅读后面的各章时，能集中精力去掌握各种具体情况下的特殊方法，先在这里对雷达成像的基本概念和基本原理作简单介绍。

为了便于理解，先从介绍逆合成孔径技术开始。

1.2.1逆合成孔径技术

逆合成孔径的一般情况是雷达不动，而目标（如飞机）运动。

为简化分析，暂假设雷达和目标位于一个平面，且目标作匀速直线飞行。

（a）（b）

图1-4　转台目标成像的示意图

我们可以将目标的运动分解成平动和转动两个分量。

设目标上有一个参考点，目标平动是指该参考点沿目标运动轨迹移动，而目标相对于雷达射线的姿态（可用目标轴向与雷达射线的夹角表示）保持不变；转动分量是指目标围绕该参考点转动。

不难看出，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，在只有平动分量的情况下，目标上各散射点回波的多普勒完全相同，对雷达成像没有贡献。

设法将平动分量补偿掉（如何补偿后面会详细讨论），则相当把目标上的参考点移到转台轴上，而成为对转台目标成像。

[1-4（a）]。

转台目标成像的原理是容易理解的。

为了成像，必须有高的二维分辨率。

在平面波照射下，纵向分辨率主要依靠信号的宽频带（B），在对回波作匹配滤波的条件下，纵向距离分辨率

　　　　　　　　　　　　　（）

式中C为光速。

如信号频带B为400兆赫，则

为米，考虑到脉压过程中为了降低距离副瓣而作的加权，

会展宽到约为米。

横向高分辨主要靠多普勒效应，如图1-4（a）所示，当目标以顺时钟方向转动时，目标上各散射点的多普勒值是不同的。

位于轴线（轴心至雷达的连线）上的散射点没有相对于雷达的径向运动，其子回波的多普勒为0，而在其右或左两侧的多普勒为正或负，且离轴线越远，多普勒的值也越大。

于是，将各个距离单元的回波序列分别通过傅立叶分析变换到多普勒域，只要多普勒分辨率足够高，就能将各单元的横向分布表示出来。

如图1-4（b）所示，设在相邻两次观测中目标对于雷达视线转过了一个很小的角度

，它上面的某一散射点则从

点移到了

点，其纵向位移为

　　（）

式中

，

为散射点

相对于转台轴心的坐标。

纵向位移

引起子回波的相位变化为

　　　　　（）

若

很小，则上式可近似写成：

　　　　　　　　　　　　　（）

上式表明，两次回波的相位差正比于横距

。

该散射点相邻两个周期的回波相差一个相位旋转因子

，当转台连续转动时，子回波的相位变化表现为多普勒，

越大，则该散射点子回波的多普勒频率也越高。

目标均匀转动，并在观测过程中接收到M次回波，即总转角

，当两散射点的横向距离差为

时，两散射点子回波总的相位差为

　　　　　　　　（）

用傅立叶变换作为多普勒分析时，只要

，两点即可分辨，即这时的横距分辨率

为

　　　　　　　　　　　　（）

上面是以某瞬间的散射点位置和子回波多普勒值的关系来说明横向高分辨的，但是多普勒分辨越高，所需的相干积累时间就越长，散射点是否会移动而改变位置了呢移动肯定存在，但在一般情况下影响不大，可以举一个数字例子。

若

厘米，

º，则

米。

可见对于厘米波雷达，为得到零点几米的横距分辨率，所需的总的转角是很小的，一般为3º左右。

虽然很小的转角就能实现转台目标成像，但在转动过程中，散射点还是要有纵向移动的，偏离轴线越远，则移动也越大。

设目标横向尺寸为10米，当总转角为弧度时，两侧散射点的相对纵向移动为米；若横向尺寸为40米，则相对纵向移动为2米。

这已经超过了一般逆合成孔径雷达距离分辨单元的长度，即在此期间产生了越距离单元徙动。

前面提到过，在一般的成像算法中，是按距离单元将许多周期的数据序列作多普勒分析得到高分辨的，若在此期间产生了越距离单元徙动，则该散射点的子回波序列将分段分布在两个或更多个距离单元里，且在每个距离单元的驻留时间要缩短。

实际上，由于受到系统分辨率的限制，从雷达回波数据重建图像的形状和原物体是有区别的，以理想的点目标为例，重建图像的纵向由于信号有一定的频带（B）而时间展宽为1/B，其横向（多普勒）由于相干积累时间T的限制，而多普勒展宽为1/T。

还可以在距离-多普勒平面画出上述重建图像的形状，该图像的数学表示式称为点散布函数，信号频带越宽、相干时间越长，则点散布函数就越集中，表明该系统具有高的分辨率。

当散射点产生了越距离单元徙动时，点散布函数会在纵向展宽，同时由于在几个距离单元里的驻留时间缩短，其横向（多普勒向）也会展宽，其结果是使转台目标的重建图像具有不同的点散布函数：

离转轴越远，点散布函数就越差。

不过，在实际应用中，上述现象通常可以容忍。

但我们也有方法来消除越距离单元徙动产生的不良影响，这将在后面介绍。

上面我们是将运动目标通过平动补偿成为匀速转动的平面转台目标，当飞机作直线平稳飞行时，一般满足或近似满足上述条件。

如果飞机作加速或减速的直线飞行，仍可补偿成平面转台目标，只是转速是非均匀的。

更有甚者，如果飞机作变向的机动飞行，则平动补偿后的转台目标是三维转动的。

这些问题也将在后面讨论。

1.2.2合成孔径技术

前面提到，当用飞机平台上的雷达观测固定的地面场景时，可以用多普勒效应来说明其横向高分辨，如图1-5（a）所示与飞机航线平行的一条地面线上，在某一时刻O，线上各点到雷达天线相位中心连线与运动平台速度向量的夹角是不同的，因而具有不同的瞬时多普勒。

但是，为了得到高的多普勒分辨率，必须有长的相干积累时间，也就是说飞机要飞一段距离，它对某一点目标的视角是不断变化的。

图1-5（b）的上图用直角坐标表示飞行过程中点目标O的雷达回波相位变化图，当O点位于飞机的正侧方时，目标O到雷达的距离最近，设这时回波相位为零，而在此前后的相应距离要长一些，即回波相位要加大，而如图1-5（b）的上图所示。

不难从距离变化计算出相位变化的表示式，它近似为抛物线。

上述相位变化的时间导数即多普勒，如图1-5（b）的下图所示，这时的多普勒近似为线性变化，图中画出了水平线上多个点目标回波的多普勒变化图，它们均近似为线性调频信号，只是时间上有平移。

（a）（b）

图1-5SAR成像几何关系以及SAR信号的相位和多普勒图

在多普勒为常数的情况下，我们用傅立叶变换作相干积累，也就是脉冲压缩。

现在是线性调频信号，只要线性调频率已知，对它作脉冲压缩是不困难的。

从图1-5（b）也可以看出，在与飞行航线平行线上的点目标具有相同的冲激响应，而当该平行线与航线的垂直距离不同，冲激响应也不相同，主要是调频率发生了变化。

冲激响应的空变性，给图像重建的计算带来一定的复杂性。

在上面的讨论中，我们还只考虑了目标到天线相位中心距离变化引起的相位变化。

如果上述距离变化是波长级的，只考虑相位变化就可以了；若距离变化与径向距离分辨单元的长度可以相比拟，甚至长达多个距离单元，这时就要考虑越距离单元徙动的问题，这在上一小节讨论逆合成孔径成像时已经提到过，不过合成孔径雷达观测的场景通常比逆合成孔径雷达的目标大得多，只要分辨率高一些就可能发生。

有关问题将在后面详细讨论。

上面是用多普勒效应对合成孔径技术的横向高分辨问题作了说明。

用合成孔径的概念同样也可作出解释，这里不再重复。

只是用合成孔径来说明聚焦和非聚焦，可以得到更清晰的概念。

图1-6　合成孔径排列

在图1-6里画出了飞行航线和点目标O，合成孔径沿航线排列。

如果合成孔径较长，应考虑目标O回波的波前为球面波。

从图中可见，若波前为平面波，则合成孔径阵列上各阵元的相位相同，将它们直接相加就可重建目标O的形状（横向）。

但实际波前为球面波，从而造成不同阵元的信号有不同的相差，只有补偿相差后相加才能正确重建，这相当于光学系统里的聚焦。

实际上，这里的聚焦相差补偿也就是前面所说的多普勒调频率补偿，只是解释方法不同而已。

如果合成孔径长度不大，可用图1-6中与球面波相切的一小段直线近似球面波的弧线，这时可用平面波时的直接相加来近似重建目标，这称为非聚焦方法。

上面提到非聚焦方法的合成孔径只能用“一小段直线”，这“一小段”允许多长呢下面作一些说明：

设阵列以A为中点、前后对称排列，若波前为平面波，则所有阵元上的信号相位均相同，而在球面波情况下，直线上阵元的信号会有相位差，若仍以A点为基准，则偏离A点越远，相位差就越大，当相位差大到

（考虑到收、发双程，即该阵元与球面波前的距离差为

）时，再加大孔径而得到积累增益已经很小，因此通常以到球面波前的距离差为

来确定有效孔径长度。

通过简单的几何运算，得到非聚焦时的有效孔径长度

，

为目标距离；并可计算得到这时的横向（方位）分辨率

。

举一个数字例子，若波长

厘米，距离

公里。

这时非聚焦的有效孔径长度

米，而横向分辨率

米。

若距离加长，横向分辨率还要下降。

1.3本书的结构与内容安排

暂确