一種ISAR成像方法

文/趙為偉 郝文欣

立足于實(shí)際應(yīng)用角度而言，逆合成孔徑雷達(dá)的功能較為全面，并且適應(yīng)性良好，可以實(shí)現(xiàn)全時段監(jiān)測與遠(yuǎn)距離成像，不僅可以在雷達(dá)當(dāng)中捕捉既定目標(biāo)，而且可以知曉既定目標(biāo)的具體信息，這對于我國軍事科技發(fā)展以及民生建設(shè)有著重要意義，隨著技術(shù)的不斷革新，ISAR成像技術(shù)仍然在不斷完善。因此，對ISAR成像技術(shù)的研究有著鮮明現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究背景與意義

ISAR成像技術(shù)主要應(yīng)用了高分辨微波技術(shù)，通過對傳統(tǒng)雷達(dá)進(jìn)行改造，促使雷達(dá)效用提升，可以在任何時間、任何天氣下正常發(fā)揮監(jiān)控作用，并且可以應(yīng)用微波實(shí)現(xiàn)成像。ISAR的成像原理和合成孔徑雷達(dá)的成像原理是相同的，一般假設(shè)目標(biāo)運(yùn)動而雷達(dá)不動。

通過對ISAR的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，可以將該類技術(shù)設(shè)備成像過程進(jìn)行如下總結(jié)：實(shí)際應(yīng)用時，ISAR將會發(fā)射寬帶線性調(diào)頻信號，然后在距離維的不斷作用，應(yīng)用脈沖壓縮得到高分辨圖像?；蛘呤前l(fā)射調(diào)頻步進(jìn)信號也可以達(dá)到成像目的，因?yàn)檎{(diào)頻步進(jìn)信號可以在處理之后合成寬帶信號。要注意，如果檢測距離維是一種異向相干信號，則需要對檢測回波進(jìn)行必要處理，通常情況下會采用回波補(bǔ)償?shù)姆椒ǐ@得準(zhǔn)確的相干信號。而檢測與成像過程中涉及到的方位分辨率，則是相干信號作用之下所形成的結(jié)果。

實(shí)際檢測時，因?yàn)闄z測物體具有一定特殊性，通常情況下物體一直處于運(yùn)動狀態(tài)，所以最終檢測的信號基本上為非相干信號，這就證明運(yùn)動補(bǔ)償是一種必要行為，也只有這樣才能進(jìn)一步提升ISAR檢測效果。

圖1：機(jī)載Ocean Master 400雷達(dá)

立足于現(xiàn)階段技術(shù)應(yīng)用情況而言，ISAR技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用較為廣泛，尤其是機(jī)載雷達(dá)，基本上全部融合了ISAR技術(shù)。目前，市面上流通最為廣泛的ISAR機(jī)載雷達(dá)型號為“Ocean Master 400”，由法國和德國共同開發(fā)（如圖1所示）。設(shè)備具體參數(shù)可以總結(jié)為以下內(nèi)容：雷達(dá)中心頻率為9GHz；測試最大探測距離為30千米；測試最大分辨范圍為3米；分機(jī)組件實(shí)際重量大約為85kg；信號帶寬可以達(dá)到600MHz；檢測范圍為全方位檢測。從上述分析結(jié)果中可以知曉該類型雷達(dá)的性能較為優(yōu)越。并且，實(shí)際應(yīng)用時，雷達(dá)最大檢測目標(biāo)數(shù)量為20個，可以為使用者提供戰(zhàn)術(shù)指引、戰(zhàn)術(shù)制定以及氣候檢測。不僅可以探測飛機(jī)等大型設(shè)備，而且檢測救生艇，甚至是潛望鏡等小型設(shè)備。

2 ISAR成像原理

2.1 ISAR成像的幾何模型

幾何模型的分析可以從多個角度進(jìn)行論證，本文主要采取定點(diǎn)雷達(dá)檢測方法進(jìn)行模型分析。

在檢測過程中，要求雷達(dá)位置固定，檢測物體自行運(yùn)動，此種背景下被檢測目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)可以分為兩種情況：第一種情況，目標(biāo)與電磁波平面直線相同，這時對于雷達(dá)而言，目標(biāo)物不存在任何變化情況，針對此種狀態(tài)，將其定義為凈平動分量。第二種情況，間檢測目標(biāo)限定為檢測目標(biāo)物上的某一個點(diǎn)，此時目標(biāo)物相對于雷達(dá)的運(yùn)行姿態(tài)，可以看做是在進(jìn)行圓周運(yùn)動。針對此種狀態(tài)，可以將其定義為轉(zhuǎn)動分量。

圖2：目標(biāo)轉(zhuǎn)動時散射點(diǎn)的移動

圖3：目標(biāo)運(yùn)動的分解圖

因?yàn)闄z測目標(biāo)物實(shí)際尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自身與雷達(dá)之間的距離，所以檢測過程中目標(biāo)物所具有的雷達(dá)檢測點(diǎn)之間差異性會被無限縮小。而這也是造成檢測目標(biāo)平動分量不具備多普勒差異效應(yīng)的基本原因。簡單而言，目標(biāo)物上存在的所有檢測點(diǎn)都具有多普勒效應(yīng)，但是所有效應(yīng)全部相同。此時檢測回波在距離維上的運(yùn)動情況就是包絡(luò)平移。從相位角度來說，也僅僅是增加了一個新的相位項(xiàng)。

圖4：ISAR處理算法流程

立足于多普勒效應(yīng)而言，目標(biāo)物的運(yùn)行其實(shí)就是圖像的平移，所以平動分量無法為成像提供必要幫助。為保證此種狀態(tài)下雷達(dá)仍然可以正常發(fā)揮作用，會采用補(bǔ)償處理方將平動效應(yīng)消除，此時目標(biāo)物運(yùn)動狀態(tài)就可以應(yīng)用模型進(jìn)行表示（如圖2所示）。

2.2 包絡(luò)對齊和自聚焦

從圖3圖形中可以總結(jié)出：當(dāng)目標(biāo)物從1號位置運(yùn)動到2號位置時，其本身相對于雷達(dá)的運(yùn)行情況可以分為兩種，也就是上文中提到的平動以及轉(zhuǎn)動分量。如果限定電磁波為平面照射，則目標(biāo)物的平動分量運(yùn)動狀態(tài)其實(shí)是從1號位置到3號位置的過程，此時目標(biāo)物的所有檢測點(diǎn)都具有相同的多普勒效應(yīng)，因此ISAR成像無法發(fā)揮正常作用。

對于目標(biāo)轉(zhuǎn)動分量的分析可以從以下角度進(jìn)行論述：目標(biāo)物以目標(biāo)點(diǎn)為中心進(jìn)行圓周運(yùn)動，也就是下圖中目標(biāo)點(diǎn)在3號位置的運(yùn)動形式。此種情況下，目標(biāo)物上的參考點(diǎn)具有不同多普勒效應(yīng)，并且隨著參考點(diǎn)與雷達(dá)之間距離的增加，多普勒效應(yīng)會逐漸提升，這樣雷達(dá)就可以通過不同參考點(diǎn)之間的多普勒差異完成圖像確定，繼而完成精準(zhǔn)成像目的。

上述分析過程中提出，平動分量的目標(biāo)物運(yùn)動其實(shí)就是進(jìn)行包絡(luò)平移，僅僅是位置與相位發(fā)生了變化。此種情況下，如果限定目標(biāo)運(yùn)動形式為勻速，則可以通過對齊補(bǔ)償達(dá)到成像目的。但是對其補(bǔ)償之后會多出一個相位項(xiàng)，此項(xiàng)最終會影響圖像成像。針對此種問題，需要對初相進(jìn)行校正，通常情況下會采用自聚焦方法達(dá)到上述目的。

上述論述中提出了兩種補(bǔ)償行為，第一種是包絡(luò)對齊補(bǔ)償，第二種是相位補(bǔ)償，但是因?yàn)槎叩难a(bǔ)償行為并非在同一量級，所以必須要對兩個補(bǔ)償進(jìn)行合理處理，才能保證成像質(zhì)量。通常情況下，針對以上補(bǔ)償問題可以采用以下方法進(jìn)行處理：一方面進(jìn)行包絡(luò)對其，將各個散射點(diǎn)拉回到同一單元；另一方面，進(jìn)行初相校正，采用自聚焦方法，將回波相位進(jìn)行線性處理。

具體而言，包絡(luò)對齊補(bǔ)償可以總結(jié)為以下內(nèi)容：回波包絡(luò)在產(chǎn)生過程中將會存在一定的時間延遲，通過補(bǔ)償方法將存在的時間延遲消除，這樣就可以認(rèn)為所有參考點(diǎn)可以處于同一距離單元，這就為目標(biāo)信號的相干積累打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。需要注意，在進(jìn)行包絡(luò)對齊的過程中，對齊依據(jù)為距離分辨率，所以時間延遲并不會超可控范圍，通常情況維持在1/4～1/8脈沖寬度之間。

立足于實(shí)際檢測角度而言，雷達(dá)不同回波脈沖之間的相關(guān)性較強(qiáng)，造成此種現(xiàn)象的主要原因在于目標(biāo)檢測時，相鄰兩個檢測回波距離較短，同時雷達(dá)視線轉(zhuǎn)角較小。為了保證最終成像質(zhì)量，需要對相關(guān)性補(bǔ)償進(jìn)行深入研究。通常情況下，應(yīng)用到的對齊算法可以發(fā)揮重要作用，并且只要回波信號強(qiáng)度符合要求，可以滿足各種程度的包絡(luò)對齊要求。而初相校正在實(shí)際應(yīng)用過程中主要是通過參考點(diǎn)的確定，達(dá)到校正目的。常用的初相校正方法有兩種，第一種是上文提到的自聚焦方法，另一種是參數(shù)估計(jì)方法，前者應(yīng)用較為廣泛，但是總的來說，目前初相校正方法理論以及實(shí)踐研究已經(jīng)步入成熟階段，可以取得良好的應(yīng)用效果。

3 ISAR成像算法

立足于ISAR成像基本特點(diǎn)而言，因?yàn)槟繕?biāo)物本身具有一定不確定性，無論是運(yùn)行姿態(tài)還是速度、方向等都會發(fā)生改變，所以在相對運(yùn)動之下所產(chǎn)生的陣列流型并不能達(dá)到理想狀態(tài)，也就是通常所說的均勻陣列，基于此種現(xiàn)狀，運(yùn)動補(bǔ)償?shù)拇嬖谝彩直匾?/p>

由于我們沒有任何運(yùn)動目標(biāo)的基礎(chǔ)信息，比如目標(biāo)的形狀、尺寸、運(yùn)動速度、加速度和運(yùn)動軌跡等等，這樣就導(dǎo)致ISAR的運(yùn)動補(bǔ)償必須立足于數(shù)據(jù)進(jìn)行考慮，這也是與SAR運(yùn)動補(bǔ)償?shù)闹饕煌c(diǎn)，這也加大了ISAR成像的難度。而在另一方面，由于ISAR成像目標(biāo)的尺寸相比成像目標(biāo)與觀測距雷達(dá)的距離而言是極其小的，此時雷達(dá)發(fā)射的電磁波在照射到的目標(biāo)區(qū)域可以近似認(rèn)為是平面波，即同一條直線上的散射點(diǎn)同時被電磁波照射到，這樣在一定程度上簡化了ISAR成像模型。

ISAR的處理流程一般如圖4所示。

4 結(jié)論

本文先介紹了逆合成孔徑雷達(dá)成像的研究意義與發(fā)展情況。第三節(jié)通過對目標(biāo)運(yùn)動的分解，研究了ISAR成像所需要的幾何模型，分析了ISAR方位成像的具體原理以及各類處理方法，并總結(jié)了經(jīng)典的ISAR成像算法流程。