淺議《雷達(dá)成像技術(shù)》課程教學(xué)改革

摘 要 雷達(dá)成像是當(dāng)前雷達(dá)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，國(guó)家對(duì)該專業(yè)專門(mén)人才的需求很大。論文結(jié)合作者多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)雷達(dá)成像技術(shù)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，分析了其存在的根源，并提出了若干針對(duì)性的課程改革意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞 雷達(dá)成像 課程教學(xué) 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

雷達(dá)，作為國(guó)家軍工電子的標(biāo)志產(chǎn)品，在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。在國(guó)家強(qiáng)大經(jīng)濟(jì)實(shí)力的支持和廣大科研人員的努力下，近年來(lái)雷達(dá)的各個(gè)領(lǐng)域都取得了一些標(biāo)志性的成果。成像雷達(dá)，使雷達(dá)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的兩維高分辨觀察，極大地?cái)U(kuò)展了雷達(dá)的功能，是當(dāng)前雷達(dá)發(fā)展的重點(diǎn)方向。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)雷達(dá)成像技術(shù)逐漸成熟。特別是“高分辨率對(duì)地觀察系統(tǒng)”國(guó)家重大科技專項(xiàng)啟動(dòng)以來(lái)，國(guó)內(nèi)各雷達(dá)主機(jī)所都加大了對(duì)雷達(dá)成像技術(shù)的研究。

國(guó)家雷達(dá)成像技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對(duì)高校在雷達(dá)成像領(lǐng)域人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量提出了更高的要求，為了適應(yīng)這一要求，目前國(guó)內(nèi)多所高校均開(kāi)設(shè)了《雷達(dá)成像技術(shù)》這一個(gè)課程。作者所在單位是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)設(shè)《雷達(dá)成像技術(shù)》課程的高校，作者從事該課程的教學(xué)工作也已經(jīng)8年。下面，首先分析當(dāng)前在《雷達(dá)成像技術(shù)》教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，然后提出幾點(diǎn)針對(duì)性的改進(jìn)意見(jiàn)。

2教學(xué)過(guò)程中目前存在的主要問(wèn)題

2.1成像原理復(fù)雜，基礎(chǔ)要求高

雷達(dá)成像，核心在于信號(hào)的相參處理。精確的相參處理要求雷達(dá)按勻速直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上往往很難保證這種理想的假設(shè)，為此必須增加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。而且，實(shí)際上這種精確的補(bǔ)償又要求雷達(dá)必須配備高精度的運(yùn)動(dòng)傳感器，按目前國(guó)內(nèi)實(shí)際傳感器精度很難滿足這一要求，因此精確高效的成像處理往往還需要從雷達(dá)回波中估計(jì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。因此，雷達(dá)成像處理被公認(rèn)是雷達(dá)信號(hào)處理中最復(fù)雜的。這樣復(fù)雜的處理，一方面要求學(xué)生要有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備，尤其是雷達(dá)和信號(hào)處理方面的基礎(chǔ)知識(shí)，另一方面，必須要有足夠的學(xué)時(shí)才能夠把雷達(dá)成像的核心原理講透。但實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，這兩方面往往都很難滿足。

2.2缺乏感性認(rèn)識(shí)，難接地氣

高校學(xué)生，沒(méi)有實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，更沒(méi)有見(jiàn)過(guò)雷達(dá)，講《雷達(dá)原理》已經(jīng)屬于對(duì)牛彈琴，更別說(shuō)更為復(fù)雜的《雷達(dá)成像》。雖然現(xiàn)在通過(guò)多媒體等手段可以一定程度上增加學(xué)生對(duì)雷達(dá)的感性認(rèn)識(shí)，但終究只是視覺(jué)上的感官。如果學(xué)生能夠?qū)嶋H接觸雷達(dá)、操作雷達(dá)，無(wú)論從認(rèn)知角度還是對(duì)學(xué)生興趣的提升都是有極大的正面作用。但雷達(dá)在每個(gè)國(guó)家都屬于保密產(chǎn)品，而且由于雷達(dá)成本昂貴，高校又很難有實(shí)力擁有自己的雷達(dá)系統(tǒng)，因此現(xiàn)有的雷達(dá)成像教學(xué)基本上都是理論教學(xué)。

2.3學(xué)生積極性不高

雷達(dá)屬于國(guó)防高精尖技術(shù)，理論上對(duì)學(xué)生是有吸引力的。事實(shí)上學(xué)生對(duì)第一次課往往也充滿期待。但經(jīng)過(guò)幾次課程后，一方面學(xué)生很難將書(shū)本知識(shí)跟實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，另一方面，由于受知識(shí)結(jié)構(gòu)限制，往往越往后越難聽(tīng)懂，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性會(huì)急劇下降。還有就是現(xiàn)在還有相當(dāng)一部分學(xué)生本身對(duì)學(xué)習(xí)興趣就不高，如果老師不能將課程講的生動(dòng)有趣，確實(shí)很難調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性。

2.4教材內(nèi)容陳舊，不能反映技術(shù)前沿

目前主流雷達(dá)成像技術(shù)方面的教材，國(guó)外的主要是上世界90年代、國(guó)內(nèi)主要是本世紀(jì)初出版的。而且主要內(nèi)容大都局限于基本雷達(dá)成像算法，對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和自聚焦等內(nèi)容的介紹較少。隨著雷達(dá)成像技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了多基、多極化、多通道和視頻SAR等許多新的技術(shù)，教學(xué)中如果不能讓學(xué)生對(duì)學(xué)科前沿技術(shù)充分了解，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不能站在前人的高度上，難于獲得創(chuàng)新性的成果。

3課程改革的幾點(diǎn)建議

針對(duì)課程教學(xué)過(guò)程中存在的上述問(wèn)題，下面提出幾點(diǎn)針對(duì)性的改進(jìn)建議。

3.1尊重學(xué)生已有知識(shí)結(jié)構(gòu)

雷達(dá)成像，顧名思義，就是利用雷達(dá)來(lái)進(jìn)行成像。因此學(xué)習(xí)雷達(dá)成像既需要雷達(dá)的基本知識(shí)，也需要成像的基礎(chǔ)知識(shí)。目前開(kāi)設(shè)雷達(dá)成像課程的基本都是電子信息類專業(yè)，學(xué)生對(duì)成像以及信號(hào)處理知識(shí)比較熟悉，對(duì)雷達(dá)卻比較陌生，而目前幾乎所有雷達(dá)成像的書(shū)幾乎都是從雷達(dá)角度來(lái)介紹的。這導(dǎo)致學(xué)生由于基礎(chǔ)知識(shí)缺乏而很難跟上教學(xué)的進(jìn)度。如果能夠從信號(hào)處理成像這種已有知識(shí)結(jié)構(gòu)的角度來(lái)介紹合成孔徑原理，學(xué)生相對(duì)更容易接受。作者近年來(lái)從傅里葉重構(gòu)角度給學(xué)生解釋合成孔徑雷達(dá)提高分辨率的本質(zhì)，通過(guò)從學(xué)生已知的基本原理出發(fā)，無(wú)需引入新的知識(shí)點(diǎn)，就能夠?qū)⒑铣煽讖嚼走_(dá)成像的本質(zhì)講清楚，學(xué)生普遍反映容易接受，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐取得了很好的教學(xué)效果。

3.2多角度解釋雷達(dá)成像本質(zhì)

介紹雷達(dá)成像的本質(zhì)，目前絕大部分教材都是從雷達(dá)天線孔徑合成的方式來(lái)介紹，而對(duì)雷達(dá)成像算法的講解，也主要專注于公式的推導(dǎo)。這樣雖然可以使學(xué)生很快掌握算法的步驟并編程實(shí)現(xiàn)，但學(xué)生缺乏對(duì)算法本質(zhì)的理解，學(xué)生對(duì)于為什么要這樣處理還是一知半解。筆者在十多年的合成孔徑雷達(dá)研究和教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)至少可以從如下幾個(gè)方面來(lái)理解合成孔徑雷達(dá)。首先，我們可以基于初中數(shù)學(xué)解方程組的原理來(lái)解釋高分辨率雷達(dá)成像，雷達(dá)每個(gè)脈沖一個(gè)距離延遲上的測(cè)量實(shí)際上對(duì)應(yīng)一條弧線上（到雷達(dá)距離相等）的所有目標(biāo)的累加，也就是我們每次可以測(cè)量多個(gè)代求量的和（一個(gè)包含多個(gè)未知數(shù)的方程），為了提取每個(gè)代求量，我們需要更多獨(dú)立的方程，為此，雷達(dá)需要從不同角度對(duì)目標(biāo)測(cè)量，只有這樣，重新獲得的測(cè)量才是獨(dú)立的。有了多個(gè)獨(dú)立測(cè)量（下轉(zhuǎn)第96頁(yè)）（上接第94頁(yè)），就有可能解出每一個(gè)未知數(shù)。其次，我們也可以從傅里葉重構(gòu)的角度來(lái)理解，要重構(gòu)一個(gè)圖像，可以先得到它的兩維頻譜，利用中心切片投影定理，我們可以得到雷達(dá)每個(gè)脈沖回波信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后可以表示為目標(biāo)兩維頻譜在對(duì)應(yīng)視角的一個(gè)切片，為了獲得一定的頻譜支撐區(qū)，需要改變雷達(dá)觀察目標(biāo)的視角，也就是為什么雷達(dá)需要運(yùn)動(dòng)的原因。這樣多角度解釋合成孔徑成像原理，能夠讓學(xué)生更充分地了解到成像分辨率提高的本質(zhì)。

3.3微型無(wú)人機(jī)SAR演示

近年來(lái)，隨著微波技術(shù)的進(jìn)步，雷達(dá)小型化、低成本化成為現(xiàn)實(shí)，國(guó)內(nèi)多個(gè)高校都已開(kāi)發(fā)了微型SAR系統(tǒng)，同時(shí)，由于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)迅猛發(fā)展，給微型SAR提供了方便的搭載平臺(tái)，使得高校自主組織試飛驗(yàn)證工作成為可能。筆者所在課題組目前就已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一套微型SAR系統(tǒng)，通過(guò)搭載在多旋翼無(wú)人機(jī)上進(jìn)行了多次掛飛實(shí)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)首次獲得了多旋翼無(wú)人機(jī)SAR分米級(jí)高分辨率對(duì)地成像能力。在雷達(dá)成像教學(xué)過(guò)程中，我們完全可以利用該系統(tǒng)，供學(xué)生參觀了解，甚至讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)參與雷達(dá)掛飛實(shí)驗(yàn)。相信這會(huì)極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合筆者多年《雷達(dá)成像技術(shù)》教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)當(dāng)前雷達(dá)成像技術(shù)教學(xué)過(guò)程中存在的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了幾點(diǎn)改進(jìn)建議。后期，我們擬搭建一個(gè)專門(mén)用于教學(xué)的微型SAR演示驗(yàn)證平臺(tái)。希望通過(guò)這種教學(xué)模式的改進(jìn)，讓學(xué)生不僅學(xué)到知識(shí)，更重要的是獲得學(xué)習(xí)能力的提升。

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