雷達(dá)成像技術(shù)保錚整編概論

1、、乙 刖 百雷達(dá)成像技術(shù)是上個(gè)世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的，它是雷達(dá)發(fā)展的一個(gè)重要里 程碑。從此，雷達(dá)不僅僅是將所觀測(cè)的對(duì)象視為“點(diǎn)”目標(biāo)，來(lái)測(cè)定它的位置與 運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而是能獲得目標(biāo)和場(chǎng)景的圖像。同時(shí)，由于雷達(dá)具有全天候、全天時(shí)、 遠(yuǎn)距離和寬廣觀測(cè)帶，以及易于從固定背景中區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力，雷達(dá)成像技術(shù)受到廣泛重視。雷達(dá)成像 技術(shù)應(yīng)用最 廣的方面 是合成孔徑 雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar,簡(jiǎn)稱SAR）。當(dāng)前，機(jī)載和星載SAR的應(yīng)用已十分廣泛，已可得到亞米 級(jí)的分辨率，場(chǎng)景圖像的質(zhì)量可與同類用途的光學(xué)圖像相媲美。利用 SAR的高 分辨能力，并結(jié)合其它雷達(dá)技術(shù)，SAR還可完成場(chǎng)

2、景的高程測(cè)量，以及在場(chǎng)景 中顯小地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（GMTI ）。SAR的高分辨，在徑向距離上依靠寬帶帶信號(hào)，幾百兆赫的頻帶可將距離分 辨單元縮小到亞米級(jí)；方向上則依靠雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，等效地在空間形成很長(zhǎng)的線 性陣列，并將各次回波存貯作合成的陣列處理，這正是合成孔徑雷達(dá)名稱的來(lái)源。 合成孔徑可達(dá)幾百米或更長(zhǎng)，因而可獲得高的方位分辨率。雷達(dá)平臺(tái)相對(duì)于固定地面運(yùn)動(dòng)形成合成孔徑，實(shí)現(xiàn)SAR成像。反過來(lái)，若雷達(dá)平臺(tái)固定，而目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，則以目標(biāo)為基準(zhǔn)，雷達(dá)在發(fā)射信號(hào)過程中，也等效 地反向運(yùn)動(dòng)而形成陣列，據(jù)此也可對(duì)目標(biāo)成像，通稱為逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）。 ISAR顯然可以獲取更多的目標(biāo)信息。最簡(jiǎn)單的雷達(dá)成像是只

3、利用高距離分辨（HRR）的一維距離像。當(dāng)距離分辨 率達(dá)米級(jí)，甚至亞米級(jí)時(shí)，對(duì)飛機(jī)、車輛等一般目標(biāo)，單次回波已是沿距離分布 的一維距離像，它相當(dāng)目標(biāo)三維像以向量和方式在雷達(dá)射線上的投影，其分布與 目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向結(jié)構(gòu)狀況有關(guān)。同時(shí)，高距離分辨率有利于分辨距離接近 的目標(biāo)，以及目標(biāo)回波的直達(dá)波和多徑信號(hào)。本書將對(duì)當(dāng)前已經(jīng)廣泛應(yīng)用和具有應(yīng)用潛力的內(nèi)容作較為全面的介紹。本書是雷達(dá)技術(shù)叢書中的一冊(cè)，主要對(duì)象為從事雷達(dá)研制工作的技術(shù)人 員，因此，本書編著時(shí)考慮到讀者已有 雷達(dá)原理和雷達(dá)系統(tǒng)方面的基礎(chǔ)， 對(duì)雷達(dá)各部件的基本情況也已比較熟悉， 與上述內(nèi)容有關(guān)的部分，本書均作了省 略。對(duì)這些內(nèi)容不熟悉的讀者

4、，可以從本叢書的其它各冊(cè)里找到。國(guó)內(nèi)外有關(guān)雷達(dá)成像的專著和專籍已經(jīng)不少，一般著重于原理的敘述和分析，其中有許多學(xué)術(shù)性很強(qiáng)的佳作。本書作為雷達(dá)技術(shù)叢書中的一冊(cè)，力求 寫出自己的特色。由于本書的主要對(duì)象為雷達(dá)技術(shù)人員， 而雷達(dá)成像又為雷達(dá)技 術(shù)中較新的內(nèi)容，為便于他們易掌握雷達(dá)成像的內(nèi)容，我們的設(shè)想是用雷達(dá)技術(shù) 工作者熟悉的概念、方法和術(shù)語(yǔ)對(duì)新的問題進(jìn)行研究；而且根據(jù)雷達(dá)的實(shí)用性來(lái) 安排本書的體系結(jié)構(gòu)，例如雷達(dá)的高分辨一維距離像，在原理方面比較簡(jiǎn)單，但 在雷達(dá)里很實(shí)用，并有許多實(shí)際問題需要研究，本書將其專門列為一章。又如與 合成孔徑雷達(dá)相結(jié)合的地面動(dòng)目標(biāo)顯示 （GMTI ）,嚴(yán)格說在原理上不屬于雷

5、達(dá)成 像，但對(duì)軍用雷達(dá)來(lái)說，是不可或缺的重要內(nèi)容，本書也將它列為介紹的重點(diǎn)。編著本書時(shí)，還考慮到雷達(dá)成像技術(shù)的迅速發(fā)展，成像技術(shù)已不僅用于專門 的成像雷達(dá)，而成像已作一種新的功能用于各種雷達(dá)，如在機(jī)載對(duì)地警戒雷達(dá)， 以及對(duì)地火控和轟炸雷達(dá)里加裝合成孔徑和 /或逆合成孔徑成像功能，而在對(duì)空 警戒和跟蹤的地基雷達(dá)中加裝逆合成孔徑成像功能?？梢哉f，成像已成為一股雷 達(dá)工程技術(shù)人員所必須掌握的一門技術(shù)。 為此，本書編寫時(shí)，力求做到能概念清 晰地把工作原理、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法，以及有關(guān)的實(shí)際問題交待清楚，力求使 讀者能通過對(duì)本書的學(xué)習(xí)掌握問題的本質(zhì)， 并能用本書提供的原理和方法，靈活 地解決實(shí)際問題。雷

6、達(dá)成像及其有關(guān)問題現(xiàn)在仍在迅速發(fā)展中，本書力求將最新的內(nèi)容介紹給 讀者。可以肯定說，本書出版后還會(huì)不斷有新的內(nèi)容發(fā)表。因此，我們力求把新 概念、新原理、新方法在其基礎(chǔ)層面介紹清楚，力求做到能與現(xiàn)在發(fā)展中的新內(nèi) 容接軌，便于讀者今后能用新的知識(shí)不斷充實(shí)自己。雖然我們?cè)诰幹緯鴷r(shí)做了努力，但由于水平限制和經(jīng)驗(yàn)不足，缺點(diǎn)一定不少，甚至還有錯(cuò)誤，希望讀者批評(píng)指正。第一章概 論雷達(dá)成像及其發(fā)展概況雷達(dá)的發(fā)明是無(wú)線電發(fā)展史上的重要里程碑， 它可以全天候、全天時(shí)、遠(yuǎn)距 離對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和定位，在第二次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮了重大作用， 至今仍然是軍 用和許多民用領(lǐng)域的重要傳感器。早期雷達(dá)的分辨能力很低，其分辨單元通

7、常遠(yuǎn)大于目標(biāo)，因而雷達(dá)是將觀測(cè) 對(duì)象（如飛機(jī)、車輛等）視為“點(diǎn)”目標(biāo)來(lái)測(cè)定它的位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。為了獲取 目標(biāo)更多的信息，雷達(dá)科技工作者做了許多研究工作，設(shè)法從回波中提取目標(biāo)特 性。實(shí)際上，提高雷達(dá)的分辨能力應(yīng)當(dāng)是最有效的方法之一，當(dāng)分辨單元遠(yuǎn)小于目標(biāo)的尺寸時(shí)，就有可能對(duì)目標(biāo)成像，從圖像來(lái)識(shí)別目標(biāo)顯然要比“點(diǎn)”回波識(shí) 別可靠得多。雷達(dá)的距離分辨率受制于信號(hào)頻帶，提高距離分辨率相對(duì)容易一些，例如信 號(hào)頻帶為300兆赫，則通過匹配濾波輸出的脈沖寬度為 3.3納秒，相當(dāng)距離長(zhǎng) 度為0.5米（考慮到脈壓時(shí)為降低距離副瓣所引起的脈沖主瓣展寬， 距離分辨率 為0.6米多）。在微波波段，現(xiàn)在要產(chǎn)生300兆赫或

8、更寬頻帶的信號(hào)是不困難的。提高橫向分辨率，要依靠減小波束寬度，即要采用大孔徑的天線。舉個(gè)實(shí)際 例子，若天線孔徑為300個(gè)波長(zhǎng)（在X波段約為10米），其波束寬度約為0.2o, 則在30公里處的橫向距離分辨率約為100米。因此，要將上述橫向距離分辨率 提高到1米，則天線孔徑長(zhǎng)度還要加大到 100倍，即約為1000米，實(shí)際上是 難以做到的，特別是在飛行平臺(tái)上。如果只是為了提高方位分辨率，原理上用小天線（稱為陣元）排成很長(zhǎng)的線 性陣列是可行的，為了避免方向模糊（即不出現(xiàn)波束柵瓣），陣元間距應(yīng)不超過二分之一波長(zhǎng)。若目標(biāo)是固定的，為了簡(jiǎn)化設(shè)備可以將陣元同時(shí)接收改為逐個(gè)收 發(fā)，并鋪一條直軌，將小雷達(dá)放在軌道

9、上的小車上，步進(jìn)式地推動(dòng)小車，而將每 一步得到的回波記錄下來(lái)，這些回波含有接收處回波的相位、 幅度信息，將它們 按陣列回波作合成處理，顯然能得到與實(shí)際陣列相類似的結(jié)果，即可以得到很高的方位分辨率。由此類推，將雷達(dá)安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上，在飛行過程中發(fā)射和 接收寬頻帶的信號(hào)對(duì)固定的地面場(chǎng)景作觀測(cè)，則將接收存貯的信號(hào)作合成陣列處 理，便得到徑向距離率和橫向距離分辨率均很高的地面場(chǎng)景圖像，合成孔徑雷達(dá)正是由此得名的。利用飛行的雷達(dá)平臺(tái)對(duì)地面場(chǎng)景獲得高的方位分辨率還可用多普勒效應(yīng)來(lái) 解釋，當(dāng)雷達(dá)載機(jī)以一定速度水平飛行， 地面的固定目標(biāo)方位不同，其視線與雷 達(dá)（載機(jī)）的速度向量的夾角也不相同，即它們有不同的

10、相對(duì)徑向速度和多普勒。 因此，對(duì)同一波束里的固定目標(biāo)回波作多普勒分析，只要多普勒分辨率足夠高， 仍然可將波束無(wú)法分辨的目標(biāo)加以分辨。1951年，美國(guó)Goodyear公司在這種 特定條件下，利用多普勒分析提高方位分辨率， 他們把這種方法稱為“多普勒銳 化”，即通過多普勒分析將同一波束內(nèi)的回波按方位不同分成一組 “多普勒波束”， 而將原波束寬度與“多普勒波束”寬度的比值稱為“銳化比”。直至今日，多普勒銳化技術(shù)仍在機(jī)載雷達(dá)里應(yīng)用，具銳化比通常可做到3264 ,以2o的波束寬度為例，多普勒銳化波可窄到約 0.060.03 o。圖1-1是X波段雷達(dá)（信號(hào)頻帶 為5兆赫），波束寬度為1.5o,通過銳化比約

11、為64的多普勒銳化，多普勒波束合成孔徑陣列與實(shí)際陣列稍有差別，實(shí)際陣列只能用同一個(gè)發(fā)射源，各陣元回波的波程差是單程的，而 合成陣列的發(fā)射與接收同時(shí)移動(dòng)，波程差是雙程的。約為0.023 。圖1-1的縱向分辨率約為30米，橫向分辨率為20米。這樣的分辨率是較低的，只能得到地面場(chǎng)景的輪廓圖。圖1-1 多普勒波束銳化的地面場(chǎng)景圖為了提高圖像的縱向和橫向分辨率，前者相對(duì)簡(jiǎn)單一些，只須加寬信號(hào)頻帶， 而橫向則決定于多普勒分辨，因而需要加長(zhǎng)相干積累時(shí)間，也就是要加大前面提 到的合成孔徑。為了得到米級(jí)的分辨率，合成孔徑長(zhǎng)度一般應(yīng)為百米的數(shù)量級(jí)， 即飛機(jī)要飛行幾百米后才能得到所需的分辨率。前面提到，相對(duì)于雷達(dá)不

12、同方位 角的地面固定目標(biāo)，多普勒值是不同的。對(duì)某一地面固定目標(biāo)，在飛機(jī)飛行過程 中，由于其視角不斷變化，回波多普勒也隨之變化。在前面所說的多普勒銳化里， 只是由于相干時(shí)間不長(zhǎng)（即合成孔徑不大），多普勒的變化可以忽略。現(xiàn)在為提 高橫向分辨采用了大的合成孔徑，這時(shí)多普勒銳化波束不能再用簡(jiǎn)單的傅立葉變 化，而須要特殊處理（后面還要詳細(xì)討論），習(xí)慣上用非聚焦和聚焦來(lái)區(qū)分兩者 （這兩個(gè)名詞也將在后面說明）。實(shí)際上，上面介紹的多普勒波束銳化也就是非 聚焦方法。1953年夏在美國(guó)Michigan大學(xué)的暑期討論會(huì)上，明確了非聚焦和 聚焦方法，“合成孔徑”的概念也是在這次會(huì)上提出的。有了清晰的概念、嚴(yán)格的理論分

13、析和部分原理性試驗(yàn)成功后，接下來(lái)就是工 程實(shí)現(xiàn)的研制。當(dāng)時(shí)，高相干的寬頻帶信號(hào)產(chǎn)生、發(fā)射和接收，信號(hào)的存貯和處 理都還是難題。1958年Michigan大學(xué)雷達(dá)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)室研制出第一部合成孔 徑雷達(dá)，并得到清晰的地面場(chǎng)景圖像。當(dāng)時(shí)的數(shù)字處理技術(shù)還比較落后， 而是用 光學(xué)設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的二維處理成像。對(duì)橫向分辨率的要求越高，所需合成孔徑長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，即要有長(zhǎng)的相干積累 時(shí)間。所謂聚焦處理就是將在相干時(shí)間內(nèi)由于雷達(dá)至目標(biāo)長(zhǎng)度變化而引起的相位 非線性變化和包絡(luò)平移通過補(bǔ)償作處理，分辨率越高，相干積累時(shí)間就越長(zhǎng)，對(duì)補(bǔ)償精度的要求也越高，從而處理也越復(fù)雜。因此，合成孔徑雷達(dá)能夠達(dá)到的分 辨率是逐年提高的，早

14、期的分辨率可達(dá) 1020米，不久就到了米的數(shù)量級(jí)；近 年來(lái)，國(guó)外已有分辨率達(dá)0.1米的報(bào)道。當(dāng)然，在應(yīng)用中并不都要求最高的分辨 率，而是根據(jù)實(shí)際要求確定，圖1-2為與圖1-1同一地區(qū)的合成孔徑雷達(dá)場(chǎng)景 圖像，分辨率為3米?？梢娮鳛閺V域的普查，3米分辨率已可滿足要求。如果要 求觀察清楚其中一小部分特定區(qū)域，則要求更高的分辨率。圖1-2 分辨率為3米的合成孔徑雷達(dá)場(chǎng)景圖像合成孔徑雷達(dá)發(fā)展中的一個(gè)新的里程碑是高程測(cè)量，前面提到過，為了在方位向得到高的橫向率需要大的橫向合成孔徑。 因此，如果要在高度方向得到高的 分辨率，同樣需要在高度向有大的天線孔徑，這是難以做到的。但是，對(duì)合成孔 徑雷達(dá)圖像作高程測(cè)

15、量只是對(duì)已經(jīng)在距離-方位平分離開的點(diǎn)測(cè)高，這時(shí)可用高 低兩付接收天線，各自作合成孔徑成像，將兩幅圖像加以配準(zhǔn)，則圖像中的每一 點(diǎn)均有上、下天線的兩路輸出，對(duì)它們作比相單脈沖處理（這是雷達(dá)技術(shù)里用的 術(shù)語(yǔ)，在物理學(xué)里叫干涉法），就可得到該點(diǎn)的仰角值，從而根據(jù)該點(diǎn)相對(duì)于雷 達(dá)的幾何位置計(jì)算出它的高程。可以想象，所測(cè)高程的精度與上下天線之間的基 線長(zhǎng)度有關(guān)，無(wú)論是在飛機(jī)還是衛(wèi)星上安裝兩付天線， 上述基線不可能很長(zhǎng)，其 測(cè)高精度一般比較低，如果要提高測(cè)高精度則要采取另外的措施。能測(cè)量高程的 合成孔徑雷達(dá)通稱干涉式合成孔徑雷達(dá)（IFSAR）,雙天線的IFSAR是在1974 年發(fā)明的，后面還要詳細(xì)介紹。合

16、成孔徑雷達(dá)另一個(gè)新發(fā)展是合成孔徑雷達(dá)的地面動(dòng)目標(biāo)顯示 （SAR-GMTI）,它在軍事上是戰(zhàn)場(chǎng)感知的重要手段，它也用兩付接收天線和兩個(gè)通道，只是這時(shí)的兩付接收天線沿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向前后放置。我們知道，合成孔徑圖像的橫坐標(biāo)實(shí)際上是多普勒，只是由于雷達(dá)平臺(tái)相對(duì)于地面固定場(chǎng)景的相對(duì) 速度和幾何位置已知，從上述多普勒值可以換算出橫向位置。 當(dāng)然這只是對(duì)固定 目標(biāo)，如果場(chǎng)景里有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（如車輛等），它還有額外的多普勒，因而動(dòng)目標(biāo) 顯示的橫向位置會(huì)“錯(cuò)位”。當(dāng)用前后放置的兩付接收天線的信號(hào)各自成像，兩幅復(fù)圖像只是有一段時(shí)間差，如果將時(shí)間差加以補(bǔ)償（主要是相位校正，在后面還要詳細(xì)介紹） ，則兩天 線相當(dāng)在同一地點(diǎn)

17、成像，兩幅固定場(chǎng)景的復(fù)數(shù)像會(huì)完全相同，兩者相減原理上可完全抵消。動(dòng)目標(biāo)則不一樣，因?yàn)閮煞鶑?fù)數(shù)像實(shí)際是在不同時(shí)間得到的， 兩者的 相位不同，因而在兩幅復(fù)數(shù)像相減會(huì)留下動(dòng)目標(biāo)。 不過動(dòng)目標(biāo)的橫向位置是“錯(cuò) 位”的，要得到動(dòng)目標(biāo)的真實(shí)橫向位置還要另想辦法，這也將在后面介紹。合成孔徑雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，上世紀(jì)五、六十年代只用于飛機(jī)。人造衛(wèi)星發(fā)成功后，很快有人研究星載合成孔徑雷達(dá)，并于 1978年試驗(yàn)成功。現(xiàn)在 機(jī)載、星載合成孔徑雷達(dá)的應(yīng)用已十分廣泛，在軍用方向有戰(zhàn)場(chǎng)偵察、目標(biāo)識(shí)別、 對(duì)地攻擊等，而在民用方面有地形測(cè)繪、海洋觀測(cè)、災(zāi)情預(yù)報(bào)、農(nóng)作物評(píng)估、大 體觀測(cè)等，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)方面發(fā)揮了重要

18、作用。圖1-3 C波段頻帶為400MHz 的圖1-3 C波段頻帶為400MHz 的ISAR成像倒置，而在雷達(dá)界習(xí)慣稱為逆合成孔徑雷達(dá)。在上世紀(jì)80年代初，就實(shí)現(xiàn)了非合作目標(biāo)的逆合成孔徑雷達(dá)成像，現(xiàn)已得到較廣泛的應(yīng)用，圖 1-3是一種ISAR 的飛機(jī)圖像。逆合成孔徑雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中存在的主要問題是目標(biāo) （如飛機(jī)）通 常是非合作的，很難要求它作規(guī)則的直線飛行，因而所形成的逆合成孔徑的陣列 在空間形成復(fù)雜的陣列流型。對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的逆合成孔徑成像現(xiàn)在仍然是研究的熱 點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)說，合成孔徑技術(shù)發(fā)展到今天，不僅有專用的合成孔徑雷達(dá)，而應(yīng)用該 技術(shù)的雷達(dá)成像已成為一種新的功能用于各種雷達(dá)。在許多現(xiàn)代雷達(dá)里都配備

19、有 寬帶信號(hào)，并根據(jù)需要加成像處理，使雷達(dá)具有對(duì)場(chǎng)景的合成孔徑成像 （對(duì)運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)的雷達(dá)）和對(duì)目標(biāo)的逆合成孔徑成像（對(duì)運(yùn)動(dòng)或固定平臺(tái)的雷達(dá)） 。雷達(dá)成像的基本原理在上一小節(jié)里，我們介紹了合成孔徑雷達(dá)和逆合成孔徑雷達(dá)成像方方面面的 情況，詳細(xì)情況將在本書的各章里討論。雷達(dá)成像有別于一般雷達(dá)的最主要點(diǎn)是 用合成孔徑技術(shù)（也可用多普勒效應(yīng)來(lái)解釋）得到高的橫向分辨率。為了使讀者 在閱讀后面的各章時(shí)，能集中精力去掌握各種具體情況下的特殊方法，先在這里 對(duì)雷達(dá)成像的基本概念和基本原理作簡(jiǎn)單介紹。為了便于理解，先從介紹逆合成孔徑技術(shù)開始。逆合成孔徑技術(shù)逆合成孔徑的一般情況是雷達(dá)不動(dòng)，而目標(biāo)（如飛機(jī)）運(yùn)動(dòng)。為

20、簡(jiǎn)化分析， 暫假設(shè)雷達(dá)和目標(biāo)位于一個(gè)平面，且目標(biāo)作勻速直線飛行。Y平面波(a)(b)Y平面波(a)圖1-4 轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)成像的示意圖我們可以將目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)分解成平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)分量。設(shè)目標(biāo)上有一個(gè)參考點(diǎn)，目標(biāo)平動(dòng)是指該參考點(diǎn)沿目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)， 而目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)射線的姿態(tài)（可用目標(biāo)軸向與雷達(dá)射線的夾角表示） 保持不變；轉(zhuǎn)動(dòng)分量是指目標(biāo)圍繞該參考點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。不難看出，當(dāng)目標(biāo)以散射點(diǎn)模型表示時(shí)，若目標(biāo)處于雷達(dá)的遠(yuǎn)場(chǎng)，雷達(dá)電磁波可用平面波表示，在只有平動(dòng)分量的情況下，目標(biāo)上各散射點(diǎn)回波的多 普勒完全相同，對(duì)雷達(dá)成像沒有貢獻(xiàn)。設(shè)法將平動(dòng)分量補(bǔ)償?shù)簦ㄈ绾窝a(bǔ)償后面會(huì) 詳細(xì)討論），則相當(dāng)把目標(biāo)上的參考點(diǎn)移到轉(zhuǎn)臺(tái)軸上，而

21、成為對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)成像。1-4（ a）。轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)成像的原理是容易理解的。為了成像，必須有高的二維分辨率。在平面波照射下，縱向分辨率主要依靠信號(hào)的寬頻帶（ B）,在對(duì)回波作匹配濾波 的條件下，縱向距離分辨率r C/2B（1.1）式中C為光速。如信號(hào)頻帶B為400兆赫，則為0.375米，考慮到脈壓過程中為了降低距離副瓣而作的加權(quán)，會(huì)展寬到約為0.5米。橫向高分辨主要靠多普勒效應(yīng)，如圖1-4( a)所示，當(dāng)目標(biāo)以順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)上各散射點(diǎn)的多普勒值是不同的。位于軸線(軸心至雷達(dá)的連線)上的散射點(diǎn)沒有相對(duì)于雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)，其子回波的多普勒為0 ,而在其右或左兩側(cè)的多普勒為正或負(fù)，且離軸線越遠(yuǎn)，多普勒

22、的值也越大。于是，將各個(gè)距離單元的回波序列分別通過傅立葉分析變換到多普勒域，只要多普勒分辨率足夠高，就能將各單元的橫向分布表示出來(lái)。如圖1-4(b)所示，設(shè)在相鄰兩次觀測(cè)中目標(biāo)對(duì)于雷達(dá)視線轉(zhuǎn)過了一個(gè)很小的角度 ，它上面的某一散射點(diǎn)則從P點(diǎn)移到了 Pi點(diǎn)，其縱向位移為 TOC o 1-5 h z yp rpsin() rp sinxp sinyp(1 cos )(1.2)式中xp, yp為散射點(diǎn)P相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)軸心的坐標(biāo)。縱向位移yp引起子回波的相位變化為 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，則上式可近似寫成：(1.4)4 xp(1.4)上式表明，兩次回波的相位差正比于橫距Xp。該散射點(diǎn)相鄰兩個(gè)周期的回波4相差一個(gè)相包就轉(zhuǎn)因子exp(j 一 Xp),當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，子回波的相包變化表現(xiàn)為多普勒，xp越大，則該散射點(diǎn)子回波的多普勒頻率也越高。目標(biāo)均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，并在觀測(cè)過程中接收 到M次回波，即總轉(zhuǎn)角當(dāng)兩散射點(diǎn)的橫向距離差為 x時(shí)，兩散射點(diǎn)子回波總的相位差為用傅立葉變換作為多普勒分析時(shí)，只要(1.5)M 用傅立葉變換作為多普勒分析時(shí)，只要(1.5)M 2 ,兩點(diǎn)即可分辨，即這時(shí)的橫距分辨率a為(

24、1.6)上面是以某瞬間的散射點(diǎn)位置和子回波多普勒值的關(guān)系來(lái)說明橫向高分辨的，但是多普勒分辨越高，所需的相干積累時(shí)間就越長(zhǎng)，散射點(diǎn)是否會(huì)移動(dòng)而改 變位置了呢？移動(dòng)肯定存在，但在一般情況下影響不大，可以舉一個(gè)數(shù)字例子。若 3厘米，0.05弧度 3o,則a= 0.3米。可見對(duì)于厘米波雷達(dá)，為得到零點(diǎn)幾米的橫距分辨率，所需的總的轉(zhuǎn)角是很小的，一般為3o左右。雖然很小的轉(zhuǎn)角就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)成像，但在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，散射點(diǎn)還是要有縱向移動(dòng)的，偏離軸線越遠(yuǎn)，則移動(dòng)也越大。設(shè)目標(biāo)橫向尺寸為10米，當(dāng)總轉(zhuǎn)角為0.05弧度時(shí)，兩側(cè)散射點(diǎn)的相對(duì)縱向移動(dòng)為 0.5米；若橫向尺寸為40米, 則相對(duì)縱向移動(dòng)為2米。這已經(jīng)超過

25、了一般逆合成孔徑雷達(dá)距離分辨單元的長(zhǎng) 度，即在此期間產(chǎn)生了越距離單元徙動(dòng)。前面提到過，在一般的成像算法中，是按距離單元將許多周期的數(shù)據(jù)序列作 多普勒分析得到高分辨的，若在此期間產(chǎn)生了越距離單元徙動(dòng)，則該散射點(diǎn)的子 回波序列將分段分布在兩個(gè)或更多個(gè)距離單元里，且在每個(gè)距離單元的駐留時(shí)間 要縮短。實(shí)際上，由于受到系統(tǒng)分辨率的限制，從雷達(dá)回波數(shù)據(jù)重建圖像的形狀和原物體是有區(qū)別的，以理想的點(diǎn)目標(biāo)為例，重建圖像的縱向由于信號(hào)有一定的頻帶 (B)而時(shí)間展寬為1/B,其橫向(多普勒)由于相干積累時(shí)間 T的限制，而多普勒展寬為1/T。還可以在距離-多普勒平面畫出上述重建圖像的形狀，該圖像 的數(shù)學(xué)表示式稱為點(diǎn)散

26、布函數(shù)，信號(hào)頻帶越寬、相干時(shí)間越長(zhǎng)，則點(diǎn)散布函數(shù)就 越集中，表明該系統(tǒng)具有高的分辨率。當(dāng)散射點(diǎn)產(chǎn)生了越距離單元徙動(dòng)時(shí)， 點(diǎn)散 布函數(shù)會(huì)在縱向展寬，同時(shí)由于在幾個(gè)距離單元里的駐留時(shí)間縮短，其橫向(多普勒向)也會(huì)展寬，其結(jié)果是使轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)的重建圖像具有不同的點(diǎn)散布函數(shù)：離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，點(diǎn)散布函數(shù)就越差。不過，在實(shí)際應(yīng)用中，上述現(xiàn)象通常可以容忍。但我們也有方法來(lái)消除越距離單元徙動(dòng)產(chǎn)生的不良影響，這將在后面介紹。上面我們是將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)通過平動(dòng)補(bǔ)償成為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的平面轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)，當(dāng)飛機(jī)作直線平穩(wěn)飛行時(shí)，一般滿足或近似滿足上述條件。如果飛機(jī)作加速或減速的直 線飛行，仍可補(bǔ)償成平面轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)，只是轉(zhuǎn)速是非均勻的。更有甚者

27、，如果飛機(jī) 作變向的機(jī)動(dòng)飛行，則平動(dòng)補(bǔ)償后的轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)是三維轉(zhuǎn)動(dòng)的。 這些問題也將在后 面討論。1.2.2合成孔徑技術(shù)前面提到，當(dāng)用飛機(jī)平臺(tái)上的雷達(dá)觀測(cè)固定的地面場(chǎng)景時(shí)，可以用多普勒效應(yīng)來(lái)說明其橫向高分辨，如圖1-5 (a)所示與飛機(jī)航線平行的一條地面線上， 在某一時(shí)刻O ,線上各點(diǎn)到雷達(dá)天線相位中心連線與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)速度向量的夾角是 不同的，因而具有不同的瞬時(shí)多普勒。但是，為了得到高的多普勒分辨率，必須 有長(zhǎng)的相干積累時(shí)間，也就是說飛機(jī)要飛一段距離，它對(duì)某一點(diǎn)目標(biāo)的視角是不斷變化的。圖1-5 (b)的上圖用直角坐標(biāo)表示飛行過程中點(diǎn)目標(biāo) O的雷達(dá)回波相位變化圖，當(dāng)O點(diǎn)位于飛機(jī)的正側(cè)方時(shí)，目標(biāo) O到雷

28、達(dá)的距離最近，設(shè)這時(shí)回波相位為零，而在此前后的相應(yīng)距離要長(zhǎng)一些，即回波相位要加大，而如圖1-5 (b)的上圖所示。不難從距離變化計(jì)算出相位變化的表示式，它近似為拋 物線。上述相位變化的時(shí)間導(dǎo)數(shù)即多普勒，如圖 1-5 (b)的下圖所示，這時(shí)的 多普勒近似為線性變化，圖中畫出了水平線上多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)回波的多普勒變化圖,它們均近似為線性調(diào)頻信號(hào)，只是時(shí)間上有平移(a)(b)(a)(b)圖1-5 SAR成像幾何關(guān)系以及 SAR信號(hào)的相位和多普勒?qǐng)D在多普勒為常數(shù)的情況下，我們用傅立葉變換作相干積累，也就是脈沖壓縮?，F(xiàn)在是線性調(diào)頻信號(hào)，只要線性調(diào)頻率已知，對(duì)它作脈沖壓縮是不困難的。從圖1-5 (b)也可以看出，在與飛行航線平行線上的點(diǎn)目標(biāo)具有相同的沖激響應(yīng)，而當(dāng)該平行線與航線的垂直距離不同， 沖激響應(yīng)也不相同，主要是調(diào)頻率發(fā)生了變化。沖激響應(yīng)的空變性，給圖像重建的計(jì)算帶來(lái)一定的復(fù)雜性。在上面的討論中