雷達(dá)成像技術(shù)發(fā)展簡述

劉玉春，樊 宇，豆桂平

（1.周口師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，河南 周口466001；2.周口師范學(xué)院 教育科學(xué)學(xué)院，河南 周口466001）

雷達(dá)成像技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，是20世紀(jì)雷達(dá)技術(shù)一個里程碑式的發(fā)明［1］.相比于光學(xué)成像系統(tǒng)，成像雷達(dá)無光照條件要求、能夠穿透云霧，因此可以全天候、全天時工作，特別適用于軍事偵察領(lǐng)域.雷達(dá)成像技術(shù)一經(jīng)問世，就得到了各軍事大國的高度重視，對其投入極大熱情和精力，新技術(shù)和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn).

60多年來，雷達(dá)成像技術(shù)得到了長足發(fā)展，理論體系已經(jīng)基本完善.其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，既能用于戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)分類與識別等軍事領(lǐng)域，也能用于地形測繪、震區(qū)災(zāi)情評估、農(nóng)作物長勢調(diào)查等民用領(lǐng)域，甚至可以測量出每年1mm的陸地沉降，能夠發(fā)現(xiàn)撒哈拉沙漠下的地下古河道.正是因為在諸多有關(guān)國計民生領(lǐng)域內(nèi)的大量應(yīng)用，雷達(dá)成像技術(shù)發(fā)展程度在某些方面代表了一個國家的綜合國力水平.

1 雷達(dá)成像技術(shù)發(fā)展歷程和發(fā)展?fàn)顩r

按成像方式來劃分，雷達(dá)成像技術(shù)可以分為實孔徑雷達(dá)成像和合成孔徑雷達(dá)成像（SAR，Synthetic Aperture Radar）兩種.

在展開具體敘述之前，首先明晰兩個概念：分辨率和分辨力.分辨率是指能夠區(qū)分兩個點目標(biāo)的最小距離，所以分辨率越小則成像效果越好；分辨力指的是成像的分辨能力，一般分辨力越高則成像效果越好.

實孔徑雷達(dá)在距離上的高分辨主要靠發(fā)射大帶寬信號，然后通過距離壓縮得到，其距離分辨率為C／2B，其中C為光速，B為信號帶寬，因此若要提高其分辨力，只需增加信號帶寬即可，比較常見的是采用chirp信號.其方位分辨率為Rλ／D，其中R為目標(biāo)到雷達(dá)距離，λ為信號波長，D為天線孔徑.可見，在目標(biāo)距離不變的情況下，若要提高分辨精度，可以采用增加信號頻率或增大天線孔徑的方式.實際上，一般情況下，雷達(dá)信號頻率根據(jù)其工作要求有特定的波段，比如機(jī)載SAR一般用X波段（8～12GHz）信號，所以提高實孔徑成像雷達(dá)方位分辨率的主要手段是增大天線孔徑.因此實孔徑雷達(dá)成像技術(shù)有兩個致命缺陷：（1）對遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像時，所需天線孔徑過大.例如，如果信號頻率為10GHz，對20km外目標(biāo)成像，如果要達(dá)到1m的方位分辨率，則所需的天線孔徑為600m，這就使得系統(tǒng)制造難度和設(shè)備成本大大提高，而且成像系統(tǒng)極易受到敵方攻擊.另外，在某些情況下（比如星載或機(jī)載），成像雷達(dá)攜帶這么大的天線是不可想象的.（2）其分辨率與距離成正比，換言之，離雷達(dá)越遠(yuǎn)，其分辨力越差，使最后結(jié)果的可讀性變差.這兩個問題嚴(yán)重制約了實孔徑雷達(dá)成像技術(shù)的應(yīng)用.

1951年，美國Goodyear Aerospace公司的Carl Wiley提出了多普勒波束銳化的概念，即通過多普勒頻移分析提高波束垂直方向上的分辨力.實際上，如果將其用于雷達(dá)成像技術(shù)上，通過多普勒波束銳化就可以提高方位分辨力，就構(gòu)成SAR成像的理論基礎(chǔ).1952年，Illinois大學(xué)研究人員提出了SAR的概念.Carl Wiley總結(jié)認(rèn)為，多普勒波束銳化和SAR這兩個概念只不過是分別從頻域和時域是對自己所提理論的解釋而已.

SAR將雷達(dá)置于運動平臺上（比如機(jī)載或星載），在成像過程中，運動平臺相對于目標(biāo)的位置不斷發(fā)生變化，通過記錄和處理不同位置目標(biāo)的回波信號，可以得到其多普勒頻移，進(jìn)而實現(xiàn)其方位高分辨.其理論方位分辨率為D／2，其中D為天線孔徑.可見SAR可以用一個小孔徑天線實現(xiàn)方位高分辨，而且在成像區(qū)域內(nèi)不同距離上目標(biāo)的分辨率是相同的，剛好克服了實孔徑雷達(dá)成像技術(shù)的兩大缺陷.在距離分辨率上，SAR成像技術(shù)采用的方法與實孔徑雷達(dá)成像相同，靠通過大帶寬回波信號的距離壓縮得到距離高分辨.

SAR成像技術(shù)的發(fā)明是雷達(dá)成像技術(shù)的一個標(biāo)志性事件，大大促進(jìn)了雷達(dá)成像技術(shù)的發(fā)展.從此之后，SAR成為成像雷達(dá)的主要形式，所以一般認(rèn)為雷達(dá)成像技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代.20世紀(jì)60年代，科研人員提出了逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR，Inverse Synthetic Aperture Radar）的概念，即固定雷達(dá)對運動目標(biāo)進(jìn)行成像，其基本成像原理與SAR一致，靠分析由于雷達(dá)和目標(biāo)之間的相對運動而產(chǎn)生的多普勒頻移得到方位高分辨.20世紀(jì)50、60年代，SAR／ISAR成像要利用激光波束和透鏡組來完成聚焦，設(shè)備復(fù)雜，并且成像結(jié)果與操作員水平有很大關(guān)系，無法進(jìn)行自動化處理.20世紀(jì)70年代，軍用SAR成像技術(shù)開始對民用領(lǐng)域開放.在1978年，開始用數(shù)字處理器來處理SAR數(shù)據(jù).同年，MacDonald Dettwiler和Jet Propulsion Lab同時獨立推出了精確數(shù)據(jù)處理算法：距離多普勒 （RD，Range Doppler）算法.之后，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化方法開始成為SAR成像的主流處理方法.30多年來，在數(shù)字化處理范疇內(nèi)，又提出了線性調(diào)頻變標(biāo)（CS，Chirp Scaling）算法和OMEGA－K算法等經(jīng)典算法，并且對RD算法、CS算法和OMEGA－K算法進(jìn)行了多次改進(jìn).

目前單基（收發(fā)公用同一天線）雷達(dá)成像技術(shù)已經(jīng)比較成熟.SAR成像可以細(xì)分為條帶、掃描和聚束等多種模式，分辨率可以達(dá)到亞米級，大場景成像效果可與光學(xué)圖像媲美.相比SAR而言，ISAR要對非合作運動目標(biāo)成像，目標(biāo)運動姿態(tài)和路徑無法控制，其過程更為復(fù)雜，但是現(xiàn)在已經(jīng)能夠獲取大部分運動目標(biāo)的精細(xì)圖像，比如能分辨出飛機(jī)上的螺旋槳.ISAR成像算法更多一些，根據(jù)其成像方式大致可以分為三類［2］：（1）基于傅里葉變化的成像方法，比如RD算法、Keystone走動校正算法、極坐標(biāo)算法等；（2）基于現(xiàn)代信號譜估計的超分辨成像，比如Capon算法、最大似然算法、MUSIC算法、ESPRIT算法等；（3）基于非平穩(wěn)信號處理的成像方法，比如基于Radon－Wigner方法的濾波反投影算法、基于自適應(yīng)chirplet分解的成像算法等.

2 雙基雷達(dá)成像技術(shù)與無源雷達(dá)成像技術(shù)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著制電磁權(quán)的競爭加劇，傳統(tǒng)的單基雷達(dá)（即收發(fā)公用同一天線的雷達(dá)）面對著反輻射導(dǎo)彈、電磁干擾、隱身技術(shù)、低空突防等四大威脅，其生存環(huán)境日益惡化，成像雷達(dá)亦是如此.因此，為提高成像雷達(dá)系統(tǒng)的生存能力，在單基雷達(dá)成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究人員對雙基雷達(dá)成像技術(shù)和無源雷達(dá)成像技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣.

2.1 雙基雷達(dá)成像技術(shù)

雙基雷達(dá)是指將收發(fā)天線在物理上分置兩處的雷達(dá)，系統(tǒng)可以將發(fā)射機(jī)放在離目標(biāo)較遠(yuǎn)的安全區(qū)域，而將接收機(jī)靠近目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視［3］.由于收發(fā)分置，雙基成像雷達(dá)相比于單基成像雷達(dá)的突出優(yōu)勢在于：接收機(jī)靜默，抗干擾能力和生存能力大大提升；系統(tǒng)構(gòu)型靈活，可以獲取更豐富信息，并且能夠構(gòu)成一發(fā)多收的成像網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；有一定的反隱身能力.當(dāng)然，從另一方面看，系統(tǒng)復(fù)雜度提高也增大了成像難度：成像過程中運動誤差增大，運動補償難度增加；由于信號斜距歷程在雙基模式表現(xiàn)為雙平方根形式，使得信號頻譜的推導(dǎo)和聚焦過程均變得復(fù)雜，加大了成像算法設(shè)計難度.

嚴(yán)格地說，雙基雷達(dá)并不是一種新體制雷達(dá)，在1937年第一次將雙工器用在雷達(dá)上之前，雷達(dá)都是采取雙基形式.雙工器發(fā)明后，單基雷達(dá)成為雷達(dá)的主要形式.20世紀(jì)70年代，人們開始了雙基SAR成像研究.在1983年得到了雙基SAR圖像.由于單基SAR成像技術(shù)簡單易行，80年代雙基SAR成像技術(shù)并沒有得到廣泛重視.90年代，雙基SAR成像技術(shù)成為微波遙感領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點.目前一系列星載、機(jī)載、星載／機(jī)載混合和接收機(jī)固定等構(gòu)型的雙基SAR系統(tǒng)的成像理論與實驗平臺開始陸續(xù)出現(xiàn).2000年后，國內(nèi)一些科研單位開始對雙基SAR成像理論做深入研究.中國張直中院士2005年撰文指出 “雙基地SAR的優(yōu)越性使之成為今后10年發(fā)展的重點”［4］，事實證明這是很有前瞻性的論斷.2007年，電子科技大學(xué)進(jìn)行了機(jī)載雙基SAR非同步條件下的外場試驗，取得較好結(jié)果［5］.西安電子科技大學(xué)對成像算法方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了基于雙基幾何關(guān)系的波數(shù)域算法［6－7］.總體上，國內(nèi)雙基SAR研究還處于試驗探索階段，存在較大的研究空間.

2.2 無源雷達(dá)成像技術(shù)

無源雷達(dá)成像技術(shù)中的成像系統(tǒng)自身不帶發(fā)射機(jī)，不對外輻射電磁信號，借助外部非協(xié)同式的輻射源來進(jìn)行成像.從本質(zhì)上講，無源雷達(dá)成像技術(shù)屬于雙基雷達(dá)成像技術(shù)的范疇.由于無源雷達(dá)成像系統(tǒng)不帶發(fā)射機(jī)，所以無源雷達(dá)成像系統(tǒng)的生存能力更強，其成本也更低，有較強的軍事應(yīng)用潛力，近年來得到了廣泛的研究.根據(jù)其外輻射源信號的帶寬，外輻射源雷達(dá)成像技術(shù)可以分為兩類：第一類外輻射源帶寬較大，比如將GPS的P碼和M碼合成可獲得帶寬為20MHz的信號，將GALILEO系統(tǒng)E5載頻（E5a＋E5b）合成可獲得帶寬為20～50MHz的信號［8］，對于此類外輻射源信號，可以借鑒常用的雷達(dá)成像算法進(jìn)行處理，比如RD、CS、OMEGA－K等成像算法，其處理原理仍然是通過距離壓縮實現(xiàn)距離高分辨，通過方位壓縮實現(xiàn)方位高分辨；第二類外輻射源信號帶寬較小，比如調(diào)頻廣播信號的帶寬僅為15kHz，在常規(guī)的成像算法中其距離分辨率為10km，顯然對于此類外輻射源信號必須研究新的成像算法才能實現(xiàn)高分辨成像.

在無源雷達(dá)成像技術(shù)中，研究人員已經(jīng)對上述的第一類（外輻射源為寬帶信號）情況進(jìn)行了較為深入的研究［9－11］.相對于第一類情況，第二類（外輻射源為窄帶信號）情況的研究還處于初步理論探討階段，理論體系并不完善.由于外輻射源為窄帶信號，所以很難通過距離壓縮得到距離高分辨，這導(dǎo)致了處理過程更為復(fù)雜，再加之保密需要（比如美國的“沉默哨兵”系統(tǒng)能夠提供目標(biāo)的2D實時跟蹤，經(jīng)過非實時處理可以得到3D圖像），目前國際上僅有少量相關(guān)學(xué)術(shù)論文出版［12－13］.美國依利諾斯大學(xué)基于FISC（Fast Illinois Sover Code）數(shù)據(jù)建模仿真進(jìn)行研究，考慮了Gaithersburg附近37個電視臺和廣播電臺的分布情況，并選用了其中的22個電視臺和廣播電臺作為照射源，利用仿真數(shù)據(jù)研究了成像方法及發(fā)射臺的位置以及系統(tǒng)配置的選擇對成像質(zhì)量的影響.美國林肯實驗室在美國空軍研究實驗室（AFRL）支持下，通過實驗與電磁建模相結(jié)合的方式，利用電臺及電視信號實現(xiàn)了外輻射源雷達(dá)成像.

在中國基于民用窄帶信號的外輻射源雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，西安電子科技大學(xué)展開了基于調(diào)頻廣播／電視等民用窄帶信號的外輻射源ISAR成像技術(shù)研究，提出了基于極坐標(biāo)的頻域［14］、時域［15］、ESPRIT超分辨［16］等系列成像算法.此外，國內(nèi)一些其他科研單位也開展了卓有成效的工作.從物理波方程角度出發(fā)，文獻(xiàn)［17］建立不需要發(fā)射源波形信息的外輻射源分布式孔徑探測的回波模型.而在多個接收機(jī)情況下，文獻(xiàn)［18］通過對不同接收機(jī)的回波相關(guān)進(jìn)行濾波反投影而重建場景輻射率.文獻(xiàn)［19－20］將壓縮感知技術(shù)引入外輻射源成像，研究了基于壓縮感知的超分辨算法.

3 雷達(dá)成像技術(shù)發(fā)展趨勢

總體看來，雷達(dá)成像技術(shù)的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)下面幾個特點.

（1）高分辨力.分辨力越高，則獲取的信息越豐富，對目標(biāo)的識別能力也就越強，因此高分辨力是雷達(dá)成像性能最重要的指標(biāo)，也是研究人員不斷追求的目標(biāo).一般可以采用兩種途徑得到高分辨像，一是從成像系統(tǒng)入手，比如增大信號帶寬來提高其距離分辨率，采用聚束成像模式得到目標(biāo)更多信息；二是采用現(xiàn)代信號處理技術(shù)進(jìn)行超分辨成像，比如采用壓縮感知［19－20］、ESPRIT［16］等超分辨成像算法.

（2）三維成像.通過對目標(biāo)進(jìn)行三維成像，可以為人們提供更為直觀的信息.目前單／雙基雷達(dá)三維成像的研究已經(jīng)比較深入［21］，而無源雷達(dá)三維成像的研究也已經(jīng)開展［22］.

（3）網(wǎng)絡(luò)化.將不同工作模式下的雷達(dá)成像系統(tǒng)整合為大的成像網(wǎng)絡(luò)，其原因在于：能夠增加整個系統(tǒng)的魯棒性，其中一個節(jié)點出故障或受到攻擊，其他節(jié)點仍然可以有效工作；系統(tǒng)的反隱身能力大大增強，實際上多頻率、多角度照射是目前反隱身的一個有效手段［23］.

4 結(jié)束語

雷達(dá)成像技術(shù)是雷達(dá)理論研究的一個熱點領(lǐng)域.隨著研究的深入，雷達(dá)成像技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，在國計民生中發(fā)揮著不可替代的作用.筆者就雷達(dá)成像技術(shù)的發(fā)展歷程和發(fā)展?fàn)顩r作了論述，對其發(fā)展趨勢作了判斷.總體而言，由于雷達(dá)成像技術(shù)的特殊作用，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，還會不斷有新理論和新方法對其進(jìn)行完善，其研究方興未艾.

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