雷达成像技术保铮整编概论

1、、乙 刖 百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（Synthetic Aperture Radar,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

2、景的高程测量，以及在场景 中显小地面运动目标（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

3、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

4、，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

5、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，成像已成为一股雷 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

6、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

7、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 3.3纳秒，相当距离长 度为0.5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0.6米多）。在微波波段，现在要产生300兆赫或

8、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0.2o, 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

9、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，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

10、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，具锐化比通常可做到3264 ,以2o的波束宽度为例，多普勒锐化波可窄到约 0.060.03 o。图1-1是X波段雷达（信号频带 为5兆赫），波束宽度为1.5o,通过锐化比约

11、为64的多普勒锐化，多普勒波束合成孔径阵列与实际阵列稍有差别，实际阵列只能用同一个发射源，各阵元回波的波程差是单程的，而 合成阵列的发射与接收同时移动，波程差是双程的。约为0.023 。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

12、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

13、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

14、期的分辨率可达 1020米，不久就到了米的数量级；近 年来，国外已有分辨率达0.1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

15、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

16、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

17、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、大 体观测等，在国民经济和国防建设方面发挥了重要

18、作用。图1-3 C波段频带为400MHz 的图1-3 C波段频带为400MHz 的ISAR成像倒置，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

19、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） 。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。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

20、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。Y平面波(a)(b)Y平面波(a)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

21、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r C/2B（1.1）式中C为光速。如信号频带B为400兆赫，则为0.375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0.5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

22、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P点移到了 Pi点，其纵向位移为 TOC o 1-5 h z yp rpsin() rp sinxp sinyp(1 cos )(1.2)式中xp, yp为散射点P相对于转台轴心的坐标。纵向位移yp引起子回波的相位变化为 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 44 . HYPERLINK l bookmark6 o Cu

23、rrent Document p - yp Xpsinyp(1 cos )(1.3)若 很小，则上式可近似写成：(1.4)4 xp(1.4)上式表明，两次回波的相位差正比于横距Xp。该散射点相邻两个周期的回波4相差一个相包就转因子exp(j 一 Xp),当转台连续转动时，子回波的相包变化表现为多普勒，xp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 x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(1.5)M 用傅立叶变换作为多普勒分析时，只要(1.5)M 2 ,两点即可分辨，即这时的横距分辨率a为(

24、1.6)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 3厘米，0.05弧度 3o,则a= 0.3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0.05弧度时，两侧散射点的相对纵向移动为 0.5米；若横向尺寸为40米, 则相对纵向移动为2米。这已经超过

25、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

26、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

27、，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

28、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)(a)(b)图1-5 SAR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