彈載合成孔徑雷達(dá)成像處理算法綜述

陳　勇，趙惠昌，陳　思，張淑寧

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京　210094)

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彈載合成孔徑雷達(dá)成像處理算法綜述

陳勇，趙惠昌，陳思，張淑寧

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210094)

0引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種具有高分辨率的微波成像雷達(dá)，其原理是利用雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到大孔徑天線，從而獲得方位向的高分辨率雷達(dá)圖像。與光學(xué)、紅外傳感器相比，SAR具有全天候、全天時(shí)工作能力的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[1]。將SAR技術(shù)應(yīng)用于主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭，既可用于中制導(dǎo)的彈道修正，又可用于末制導(dǎo)階段的精確打擊，特別是在強(qiáng)雜波背景下，SAR導(dǎo)引頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面固定目標(biāo)、偽裝或隱蔽目標(biāo)、地面和海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)群等的檢測(cè)、識(shí)別與跟蹤等，并能進(jìn)一步提高雷達(dá)導(dǎo)引頭識(shí)別目標(biāo)要害部位的能力[2]。隨著SAR信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，大容量、高速并行計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，成像雷達(dá)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性得到很大提高，制約彈載SAR制導(dǎo)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題正逐步得到解決，彈載SAR已成為當(dāng)前雷達(dá)導(dǎo)引頭研制的熱點(diǎn)之一。以SAR作為精確制導(dǎo)手段的目的是為了利用SAR獲取地面高分辨率圖像，然后經(jīng)彈上計(jì)算機(jī)和已存儲(chǔ)的參考圖像進(jìn)行景象匹配，根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算得到彈體位置，進(jìn)而修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS, Inertial Navigation System)誤差，與機(jī)載SAR不同，彈載SAR具有高機(jī)動(dòng)性、大斜視角和實(shí)時(shí)處理的特性，因此如何根據(jù)彈道設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)來(lái)研究成像算法是彈載SAR 技術(shù)研究的核心內(nèi)容[3-4]。因此，對(duì)于彈載SAR技術(shù)來(lái)說(shuō)，首先要解決的就是成像算法的問(wèn)題。本文根據(jù)彈載SAR運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，總結(jié)和分析了彈載SAR成像算法，并討論了各種不同彈載SAR成像算法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1彈載SAR成像特點(diǎn)及傳統(tǒng)SAR成像算法

1.1彈載SAR成像特點(diǎn)

如圖1所示，彈載SAR成像與機(jī)載、星載SAR成像最明顯的不同在于雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式[5]，SAR的成像原理要求雷達(dá)平臺(tái)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，機(jī)載和星載SAR的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)形式可以近似滿足這一要求，但對(duì)于彈載SAR來(lái)說(shuō)，由于導(dǎo)彈飛行的目的是突破防御攻擊目標(biāo)，飛行途中飛行姿態(tài)變化較大，在成像時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)彈垂直方向的速度使得彈載SAR在成像過(guò)程中不能滿足載體勻速直線運(yùn)動(dòng)的條件，航跡的非線性導(dǎo)致彈載SAR的距離徙動(dòng)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，距離向與方位向信號(hào)存在耦合，造成目標(biāo)斜距方程較為復(fù)雜，此時(shí)常規(guī)的SAR成像算法已經(jīng)難以完成目標(biāo)的精確聚焦，必須研究能夠適應(yīng)彈載環(huán)境的新成像算法。

圖1　彈載SAR運(yùn)動(dòng)幾何模型Fig.1　Missile-borne SARmotion geometry

1.2傳統(tǒng)SAR成像算法

合成孔徑雷達(dá)要完成對(duì)目標(biāo)散射點(diǎn)的聚焦，必須解決雷達(dá)按理想幾何模型飛行時(shí)散射點(diǎn)聚焦的計(jì)算問(wèn)題，即成像算法問(wèn)題。成像算法就是針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，精度滿足要求，而又便于運(yùn)算的方法來(lái)完成回波信號(hào)在距離和方位的解耦合，以及多普勒信號(hào)的相干積累。在SAR成像處理中常用的算法有RD算法、CS算法、PF算法和ωK算法。

1)RD算法

距離多普勒(RD, Range Dopple)算法是一種比較早而且廣泛使用的SAR成像算法[6]，這種算法物理概念很直觀，它是通過(guò)對(duì)兩維濾波器的近似，將SAR成像中的距離和方位的兩維處理分離為兩個(gè)級(jí)聯(lián)的一維處理，采用分維處理，即先距離壓縮后方位壓縮，即可完成SAR成像過(guò)程。RD算法的主要特點(diǎn)在于RCMC的距離多普勒域?qū)崿F(xiàn)以及每次都基于一維的運(yùn)算操作。但是當(dāng)距離徙動(dòng)較大時(shí)，其運(yùn)算量迅速增加，成像精度降低，不適合彈載SAR的實(shí)時(shí)成像。帶有二次距離壓縮的改進(jìn)RD算法可以完成距離徙動(dòng)較大時(shí)的成像處理，但其采用了插值運(yùn)算，也不適用于彈載SAR的實(shí)時(shí)成像。

2)CS算法

線性調(diào)頻變標(biāo)(CS，Chirp Scaling)算法[7-10]常用于雷達(dá)信號(hào)波長(zhǎng)較長(zhǎng)或分辨率要求較高、距離和方位存在耦合的場(chǎng)合，且距離徙動(dòng)是空變的，即由距離彎曲引起的耦合部分在條帶場(chǎng)景內(nèi)是變化的，這時(shí)的多普勒域解耦合算法要具有位移修正量隨縱向距離而改變的功能。CS算法對(duì)距離徙動(dòng)的處理采用CS操作與平移結(jié)合的方法，利用CS操作消除距離的空變特性，然后利用平移對(duì)所有散射點(diǎn)剩余的距離徙動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)一校正。CS操作的本質(zhì)對(duì)線性調(diào)頻回波乘上一個(gè)小調(diào)頻率的線性調(diào)頻信號(hào)，使回波的相位發(fā)生改變，經(jīng)過(guò)壓縮后使散射點(diǎn)包絡(luò)位置發(fā)生改變，這種操作對(duì)離參考距離越遠(yuǎn)的散射點(diǎn)的位置移動(dòng)越大，對(duì)離參考點(diǎn)越近的散射點(diǎn)的位置移動(dòng)越小，從而滿足距離徙動(dòng)校正的空變性。但是該算法沒(méi)有考慮SRC隨目標(biāo)距離的變化，仍然無(wú)法解決SRC隨距離變化的問(wèn)題。非線性CS(Nonlinear Chirp Scaling，NCS)算法[11-14]通過(guò)對(duì)更高次相位的補(bǔ)償，解決了測(cè)繪帶內(nèi)SRC隨距離變化的問(wèn)題，但其處理方法過(guò)于復(fù)雜而實(shí)際應(yīng)用較少。

3)PF算法

極坐標(biāo)格式(Polar Format, PF)算法[15]是一種典型的聚束SAR成像算法。該算法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行Dechirp接收，在時(shí)域?qū)⒖键c(diǎn)回波信號(hào)作為參考解調(diào)信號(hào)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)二維插值，再做二維FFT得到圖像。該算法通過(guò)對(duì)信號(hào)用極坐標(biāo)格式記錄來(lái)消除距離徙動(dòng)的影響，解決了聚束模式回波信號(hào)穿越分辨單元的問(wèn)題，但其主要缺點(diǎn)也是需要二維插值運(yùn)算，成像處理時(shí)間長(zhǎng)，不適合彈載SAR的實(shí)時(shí)成像。

4)ωK算法

波數(shù)域(ωK)算法[16]是在二維頻域通過(guò)與選定距離參考函數(shù)相乘，并通過(guò)Stolt插值來(lái)校正距離方位耦合與距離時(shí)間和方位頻率的依賴關(guān)系的一種算法。由于ωK算法采用的是完全精確的表達(dá)形式，因此ωK算法具有對(duì)寬孔徑或大斜視角數(shù)據(jù)的處理能力。但由于該算法是在假設(shè)等效速度不隨距離發(fā)生變化情況下推導(dǎo)的，限制了對(duì)寬測(cè)繪帶SAR數(shù)據(jù)的處理能力，其次由于需要在二維頻域進(jìn)行插值處理，成像處理時(shí)間長(zhǎng)，難以做到實(shí)時(shí)成像。

2彈載SAR成像算法研究現(xiàn)狀

在SAR成像算法的研究過(guò)程中，推導(dǎo)回波信號(hào)的二維頻譜表達(dá)式是首要的一步[17]。由于彈載SAR目標(biāo)斜距方程中根號(hào)下存在慢時(shí)間的四次項(xiàng)，直接使用POSP(駐相點(diǎn)法)推導(dǎo)信號(hào)二維頻譜表達(dá)式需要解六次方程，而根據(jù)阿貝耳定理，六次方程沒(méi)有一般的代數(shù)解法，因此，如何獲得信號(hào)二維頻譜表達(dá)式，成為彈載SAR成像算法研究的一個(gè)難點(diǎn)。彈載SAR成像算法是針對(duì)彈載SAR平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的一類算法，不同的運(yùn)動(dòng)模式，選擇相應(yīng)的成像算法。按不同工作模式分類，主要包括大斜視成像算法、大場(chǎng)景成像算法、非勻直彈道成像算法和前視成像算法。

2.1大斜視成像算法

大斜視成像算法[18-19]主要用于彈道處于平飛巡航段，彈載SAR對(duì)飛行方向前方區(qū)域進(jìn)行成像，根據(jù)指定的地面目標(biāo)區(qū)間，搜索有價(jià)值目標(biāo)，對(duì)確定的地面目標(biāo)區(qū)間進(jìn)行高分辨率成像，確定要攻擊的地面目標(biāo)。對(duì)斜視SAR，一般將斜視角小于45°的情形稱為小斜視SAR，而斜視角大于45°的情形稱為大斜視SAR。但是，大斜視SAR存在較為復(fù)雜的成像幾何模型，回波數(shù)據(jù)的方位向和距離向的耦合較為嚴(yán)重，因此，大斜視SAR成像是雷達(dá)信號(hào)處理中一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。彈載大斜視成像算法主要以CS算法和FS算法改進(jìn)為主。

1)CS算法的改進(jìn)

CS算法將場(chǎng)景各處的距離徙動(dòng)量先變換成一樣，再作統(tǒng)一校正，解決了空變性的問(wèn)題，為了在彈載大斜視情況下得到更好的成像結(jié)果，各種算法通過(guò)不斷提高回波模型近似的精度，獲得更好的成像效果。針對(duì)大斜視SAR回波信號(hào)的大距離走動(dòng)、小距離彎曲的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[20]提出了一種將時(shí)域去走動(dòng)和CS算法相結(jié)合的成像算法，該算法首先通過(guò)校正距離走動(dòng)減小二維耦合項(xiàng)，然后通過(guò)CS操作校正距離彎曲，最后再通過(guò)幾何校正將場(chǎng)景中的目標(biāo)恢復(fù)至正確的位置，完成目標(biāo)成像，經(jīng)過(guò)時(shí)域去走動(dòng)處理后，距離向和方位向的耦合大大降低，該算法可滿足大斜視角和較大測(cè)繪帶寬度的成像要求。針對(duì)彈載SAR大斜視所造成的頻譜混疊問(wèn)題，文獻(xiàn)[21]建立了大斜視加速運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)引入新的CS因子，補(bǔ)償了導(dǎo)彈在三方向速度和加速度的影響，有效解決了距離頻譜混疊問(wèn)題，并通過(guò)引入方位deramp處理方法，有效解決了方位多普勒頻譜混疊問(wèn)題，提高了點(diǎn)目標(biāo)圖像的聚焦效果。CS操作會(huì)使距離向頻譜隨斜視角的增大而產(chǎn)生偏移，擴(kuò)展的CS合成孔徑雷達(dá)大斜視模式成像研究算法克服了這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[22]提出了一種采用距離向變標(biāo)處理的擴(kuò)展CS算法，研究了彈載SAR大斜視工作模式和成像匹配過(guò)程中遇到的問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的圖像配準(zhǔn)方法，但仍然無(wú)法解決SRC隨距離變化的問(wèn)題。文獻(xiàn)[23]提出了采用一種改進(jìn)的非線性調(diào)頻變標(biāo)(Nonlinear Chirp Scaling, NCS)算法，非線性CS算法通過(guò)對(duì)更高次的相位補(bǔ)償，解決了測(cè)繪帶內(nèi)SRC隨距離變化的問(wèn)題，該算法通過(guò)二維頻域中補(bǔ)償參考距離處二階以上的相位耦合項(xiàng)，減小了整個(gè)測(cè)繪帶高階耦合項(xiàng)，其次，采用兩次調(diào)頻變標(biāo)來(lái)完成聚焦，在第一次變標(biāo)過(guò)程中采用四次多項(xiàng)式模型，同時(shí)引入常量因子消除常規(guī)NCS中多普勒參考頻率須在頻帶范圍外的限制，在第二次變標(biāo)過(guò)程中，消除常量因子的影響，該算法具有較高的精度，能夠滿足大斜視角的SAR成像要求，但其處理方法過(guò)于復(fù)雜而實(shí)際應(yīng)用較少。

2)FS算法的改進(jìn)

頻率變標(biāo)(Frequency Scaling)算法不需要信號(hào)在距離上是線性調(diào)頻的，它直接對(duì)解線調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行處理，應(yīng)用頻率變標(biāo)技術(shù)，在消除信號(hào)剩余相位項(xiàng)的同時(shí)校正距離徙動(dòng)。針對(duì)聚束SAR回波信號(hào)方位向頻譜混疊和大斜視時(shí)距離向和方位的嚴(yán)重耦合的問(wèn)題，文獻(xiàn)[24]提出了采用結(jié)合方位向deramp和非線性頻率變標(biāo)(NFS)的斜視聚束SAR成像算法，由于該算法在方位向進(jìn)行deramp操作，消除了方位頻譜混疊，然后又通過(guò)非線性頻率變標(biāo)并考慮距離向時(shí)頻變換的標(biāo)度變化補(bǔ)償方位相位，實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景成像，因此該算法可有效消除方位頻譜混疊，具有較高的精度，能滿足大斜視聚束SAR的成像要求。針對(duì)大斜視導(dǎo)致的成像效果不佳的問(wèn)題，文獻(xiàn)[25] 提出一種基于嚴(yán)格解析雙基頻譜的大斜視頻率變標(biāo)(FS)成像算法，該算法首先通過(guò)回波信號(hào)變換到二維頻率域，利用由嚴(yán)格解析雙基頻譜推導(dǎo)出的頻率變標(biāo)函數(shù)校正距離彎曲差，然后進(jìn)行剩余視頻相位校正完成包絡(luò)去斜，再進(jìn)行逆頻率變標(biāo)操作消除二次相位誤差，經(jīng)過(guò)距離徙動(dòng)校正后，再進(jìn)行非線性變標(biāo)操作消除由大斜視導(dǎo)致的隨距離變化的二次距離壓縮項(xiàng)，最后經(jīng)過(guò)距離壓縮和方位壓縮完成整個(gè)成像過(guò)程，該算法成像效果良好，點(diǎn)目標(biāo)沖激響應(yīng)的主副瓣可清晰分辨。

2.2大場(chǎng)景成像算法

對(duì)于彈載SAR成像來(lái)說(shuō)，其目的是獲取目標(biāo)或目標(biāo)附近典型地物地貌特征信息，形成實(shí)時(shí)圖，并與預(yù)先準(zhǔn)備好且存儲(chǔ)在導(dǎo)彈中的基準(zhǔn)圖進(jìn)行圖像匹配，根據(jù)圖像匹配處理結(jié)果以及SAR工作的幾何關(guān)系推算出導(dǎo)彈當(dāng)前較精確的位置信息，這時(shí)需要對(duì)較大場(chǎng)景目標(biāo)進(jìn)行成像。SAR成像過(guò)程中，相同距離單元的散射點(diǎn)，其距離徙動(dòng)軌跡的形狀相同，而不同距離單元的散射點(diǎn)距離徙動(dòng)的軌跡不同，即距離的彎曲的曲率差不同，也就是說(shuō)距離徙動(dòng)在距離上是空變的。對(duì)于大場(chǎng)景成像時(shí)，由于成像范圍較大，加之導(dǎo)彈的非勻速直線運(yùn)動(dòng)，彈載SAR與目標(biāo)之間的距離在合成孔徑時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，導(dǎo)致回波信號(hào)中距離向和方位向信號(hào)發(fā)生耦合，使得成像成為一個(gè)復(fù)雜的二維處理過(guò)程。

適合于大場(chǎng)景成像的處理方法[26]有極坐標(biāo)格式(Polar Fomation，PF)算法、距離徙動(dòng)(Range Migration，RM)算法和CS算法等數(shù)種。PF算法的主要過(guò)程包括：去調(diào)頻完成距離壓縮處理，之后通過(guò)傅里葉變換把信號(hào)變換到頻率域，進(jìn)行匹配濾波，變量置換，把極坐標(biāo)格式記錄的數(shù)據(jù)插值為直角坐標(biāo)系數(shù)，最后通過(guò)二維逆傅里葉變換回到時(shí)域重建圖像。采用極坐標(biāo)格式對(duì)回波數(shù)據(jù)重新記錄的方法可以在整個(gè)成像范圍內(nèi)基本消除彈載SAR與目標(biāo)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)造成的距離徙動(dòng)現(xiàn)象，從而獲得高質(zhì)量的聚焦圖像，但是，PF算法的二維插值運(yùn)算的計(jì)算量很大，還必須對(duì)距離去調(diào)頻處理引起的殘余視頻相差進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)超高分辨率成像時(shí)，算法忽略波前彎曲影響的近似性使成像質(zhì)量變差。RM算法是基于散射模式進(jìn)行推導(dǎo)的，無(wú)需假定照射波前是平面的，因而不存在PF算法中波前彎曲導(dǎo)致的散焦和幾何失真等問(wèn)題，RM算法也是經(jīng)過(guò)一維方位傅里葉變換將信號(hào)變換到距離-多普勒域，通過(guò)二維信號(hào)相位調(diào)整，距離向一維插值，然后進(jìn)行二維逆傅里葉變換完成成像處理，RM算法需要比PF算法更高的方位采樣率，并且必須應(yīng)用插值計(jì)算，這不僅增加了計(jì)算量，也會(huì)降低成像質(zhì)量。極坐標(biāo)格式算法和距離徙動(dòng)算法雖然能夠在二維頻率域進(jìn)行距離和方位的解耦合，但共同的缺點(diǎn)是需要插值來(lái)完成，這需要很大的運(yùn)算量。CS算法是一種適用于大距離徙動(dòng)的精密成像處理算法，與RM成像算法不同的是該算法只需要傅里葉運(yùn)算，無(wú)需插值操作，效率更高。

2.3非勻直彈道成像算法

非勻直彈道成像算法主要用于導(dǎo)彈做俯沖加速運(yùn)動(dòng)，彈道不是理想的勻速直線運(yùn)動(dòng)的成像算法。導(dǎo)彈垂直方向的速度使得彈載SAR在成像過(guò)程中不能滿足其載體勻速直線運(yùn)動(dòng)的條件，航跡的非線性帶來(lái)距離走動(dòng)、幾何畸變、多普勒參數(shù)變化等一系列問(wèn)題。該運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)導(dǎo)致彈載SAR的距離徙動(dòng)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，距離向信號(hào)與方位向信號(hào)存在耦合，在合成孔徑時(shí)間內(nèi)距離徙動(dòng)可能跨越上百個(gè)距離門(mén)，導(dǎo)致一些適用于機(jī)載、星載SAR勻速直線運(yùn)動(dòng)下的成像算法成像精度降低甚至無(wú)法成像。彈載飛行條件下出現(xiàn)的SAR圖像散焦現(xiàn)象是主要由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)偏離理想航跡和非勻速運(yùn)動(dòng)引起的非均勻采樣間隔造成的，有關(guān)非理想航跡的SAR成像算法主要采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

1)子孔徑處理

子孔徑處理方法[27]是基于相位近似的時(shí)域算法，對(duì)于線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)，其二次相位在一定誤差范圍內(nèi)可以分段近似成線性相位，按線性相位的特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而使處理過(guò)程得到簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)[28—29]將導(dǎo)彈飛行模型近似為直線，從而轉(zhuǎn)化為斜視成像，該算法對(duì)于導(dǎo)彈水平方向速度較大的情況下是適用的，當(dāng)垂直方向速度較大時(shí)此算法近似很難成立。文獻(xiàn)[30]采用子孔徑處理的方法探討了彈載SAR在導(dǎo)彈下降過(guò)程中信號(hào)的特性和成像的可能性,該算法克服了多普勒參數(shù)變化大的問(wèn)題，能夠得到聚焦良好的子孔徑圖像，但由于沒(méi)有利用全部回波信號(hào)，方位向的分辨率降低。文獻(xiàn)[31]通過(guò)引入了等效成像平面概念，分析了彈載SAR在導(dǎo)彈下降飛行過(guò)程中的成像及圖像的幾何校正的問(wèn)題，并根據(jù)SAR成像期間內(nèi)導(dǎo)彈下降飛行的特點(diǎn)，建立了SAR工作的空間幾何模型和目標(biāo)距離表達(dá)式及幾何失真校正的數(shù)學(xué)模型,但是在實(shí)際工作中，由于成像的子孔徑中心時(shí)刻的高度和速度等均存在誤差，子孔徑時(shí)間內(nèi)雷達(dá)所運(yùn)動(dòng)的路徑并非嚴(yán)格的直線以及其他一些因素的影響，經(jīng)幾何校正的圖像和實(shí)際的場(chǎng)景之間會(huì)存在一定的誤差。

2)全孔徑處理

文獻(xiàn)[32—33]研究了基于ECS算法的等速俯沖、等加速度俯沖以及高速俯沖條件下的距離徙動(dòng)校正和相位補(bǔ)償因子，提出了一種等效正側(cè)視的工作模式，在這種模式下場(chǎng)景中心處目標(biāo)的距離徙動(dòng)較小，可以實(shí)現(xiàn)成像功能，但由于實(shí)際條件的限制，一般情況下會(huì)偏離這種等效正側(cè)視工作模式，因而該算法的使用也受到一定的限制。文獻(xiàn)[34]利用改進(jìn)的CS成像算法進(jìn)行成像處理，該算法考慮了變加速運(yùn)動(dòng)的影響并采用譜選擇技術(shù)解決了方位向非均勻采樣的問(wèn)題，但在距離徙動(dòng)校正時(shí)采用了插值處理，一方面增加了運(yùn)算量，另一方面校正的精度取決于插值的精度。文獻(xiàn)[35]通過(guò)級(jí)數(shù)反演法將斜距表達(dá)式展開(kāi)為慢時(shí)間的泰勒級(jí)數(shù)后反演得到二維頻譜的高階近似式，提出了一種適用于彈載SAR俯沖加速運(yùn)動(dòng)的成像算法，該算法采用了全孔徑處理并能夠精確地校正距離徙動(dòng)從而提高了方位向的分辨率，但是實(shí)際彈載SAR在水平方向和垂直方向均具有較大的速度和加速度，因而在距離向和方位向均不具有平移不變性，因而該算法只適用于單點(diǎn)目標(biāo)或者場(chǎng)景中心附近小范圍區(qū)域的成像。 文獻(xiàn)[36] 在級(jí)數(shù)反演推導(dǎo)二維頻譜的基礎(chǔ)上采用CZT(Chirp-Z Transform)成像算法進(jìn)行成像處理，該算法利用CZT變換校正空變的距離徙動(dòng)，可用FFT高速實(shí)現(xiàn)，提高了成像的效率和精度。文獻(xiàn)[37—38] 提出了彈載SAR的方位NCS(Nonlinear Chirp Scaling)成像算法，該算法在距離徙動(dòng)校正和距離壓縮處理之后，通過(guò)引入方位非線性變標(biāo)操作，補(bǔ)償變化的多普勒調(diào)頻率，并校正圖像方位畸變，從而改善了方位聚焦深度和聚焦質(zhì)量。

2.4前視成像算法

根據(jù)前階段的成像結(jié)果，SAR導(dǎo)引頭在二維圖像域維持對(duì)目標(biāo)的鎖定跟蹤并利用成像處理結(jié)果對(duì)導(dǎo)彈的飛行方向不斷調(diào)整和控制，使其逐步轉(zhuǎn)入攻擊方向(前視)，在該階段，導(dǎo)彈轉(zhuǎn)為對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊，由于攻擊目標(biāo)的需要，導(dǎo)彈在飛行末段時(shí)處于前視工作狀態(tài)。此時(shí)如能采用具有前視成像功能的合成孔徑雷達(dá)導(dǎo)引頭則可以提高目標(biāo)命中精度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)偵察與打擊。對(duì)于彈載前視SAR來(lái)說(shuō)，由于導(dǎo)彈的飛行方向和雷達(dá)的照射方向一致，距離向和方位向存在嚴(yán)重耦合[39-40]，因而現(xiàn)有的SAR成像方法無(wú)法覆蓋飛行路線正前方目標(biāo)，也就是說(shuō)現(xiàn)有的單站SAR系統(tǒng)不具備前視高分辨率能力，在成像區(qū)域上存在固有盲區(qū)。

前視SAR成像系統(tǒng)的研究在國(guó)外和國(guó)內(nèi)都剛處于起步階段，幾乎沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)和資料。近年來(lái)，國(guó)外提出了一種能對(duì)飛行路線正前方扇形區(qū)域進(jìn)行成像的新型機(jī)載前視SAR系統(tǒng)——用于視景增強(qiáng)的新型區(qū)域成像雷達(dá)(SIREV)，文獻(xiàn)[41—42]介紹了該前視SAR系統(tǒng)的基本參數(shù)及工作原理，該系統(tǒng)采用“收發(fā)分置”的工作方式，載機(jī)前部剛性安裝了一個(gè)陣列天線，天線收發(fā)單元等間隔排列，發(fā)射單元以高脈沖重復(fù)頻率(PRF)發(fā)射大時(shí)寬帶寬積信號(hào)，各接收單元依次接收回波信號(hào)，通過(guò)相參數(shù)據(jù)采集與處理，等效于在方位向(陣列天線方向)形成一個(gè)長(zhǎng)的合成孔徑。文獻(xiàn)[43]針對(duì)彈載SAR存在前視盲區(qū)的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)曲線飛行軌跡將導(dǎo)彈前視成像轉(zhuǎn)換為前斜視的RD成像算法。首先利用距離方程的高階近似表達(dá)式，在時(shí)域作距離徙動(dòng)校正，并通過(guò)級(jí)數(shù)反演法獲得二維頻率域表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上給出了成像算法，最后通過(guò)二維匹配濾波獲得成像結(jié)果。

3結(jié)束語(yǔ)

彈載SAR技術(shù)作為SAR技術(shù)在精確制導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用，可有效提高導(dǎo)引頭的制導(dǎo)精度、目標(biāo)識(shí)別能力和抗干擾性能，其研究具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿Α１疚脑趶V泛查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從非勻直彈道成像、大斜視成像、大場(chǎng)景成像和前視成像不同階段，對(duì)彈載SAR成像算法進(jìn)行了較為全面的綜述。彈載SAR技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)決定了成像算法的發(fā)展趨勢(shì)，在工程應(yīng)用方面，盡可能對(duì)成熟的算法進(jìn)行改進(jìn)，使其具備更廣泛的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn):

[1]李春升，楊威，王鵬波. 星載SAR成像處理算法綜述[J].雷達(dá)學(xué)報(bào),2012(1):111-122.

[2]尹德成.彈載合成孔徑雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá),2009, 31(11): 20-24.

[3]秦玉亮，王建濤，王宏強(qiáng)，等.彈載合成孔徑雷達(dá)技術(shù)研究綜述[J].信號(hào)處理,2009, 25(4): 630-635.

[4]陳勇，趙惠昌，陳思，等.基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的彈載SAR成像算法[J].物理學(xué)報(bào),2014(11): 118401-118403.

[5]周鵬.彈載SAR多種工作模式的成像算法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué), 2011.

[6]雷萬(wàn)明，劉光炎，黃順吉.基于RD算法的星載SAR斜視成像[J].信號(hào)處理，2002, 18(2): 172-176, 140.

[7]Moreira A, Yonghong H.Airborne SAR processing of highly squinted data using a chirp scaling approach with integrated motion compensation[J].Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on，1994, 32(5): 1029-1040.

[8]Davidson G W, Cumming I G, Ito M R.A chirp scaling approach for processing squint mode SAR data[J].Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on，1996, 32(1): 121-133.

[9]王小青，朱敏慧，盛新慶.一種應(yīng)用在多孔徑寬測(cè)繪帶SAR中的CS算法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2005, 27(12): 1861-1866.

[10]周強(qiáng)，曲長(zhǎng)文，王穎.彈載SAR大斜視擴(kuò)展CS成像算法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009, 29(3): 26-29, 32.

[11]Zeng, T. A Modified Nonlinear Chirp Scaling Algorithm for Spaceborne/Stationary Bistatic SAR Based on Series Reversion[J].Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 2013,51(5): 3108-3118.

[12]邵鵬，周松，徐剛，等.一種基于譜分析與改進(jìn)方位非線性變標(biāo)的大斜視聚束成像算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2013(10): 2445-2452.

[13]Daoxiang A. Extended Nonlinear Chirp Scaling Algorithm for High-Resolution Highly Squint SAR Data Focusing[J].Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, 2012,50(9): 3595-3609.

[14]Wang Kaizhi, Liu Xingzhao.Improvement of non-linear chirp scaling algorithm [C]// Computational Electromagnetics and Its Applications, 3rd International Conference.Beijing, 2004:391-394.

[15]李超，劉暢，高鑫.基于距離向Scaling原理的聚束SAR極坐標(biāo)格式成像算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2011, 33(6): 1434-1439.

[16]劉利國(guó)，周蔭清.基于等效斜視距離模型的高分辨率星載SAR波數(shù)域成像算法[J].電子學(xué)報(bào),2003, 31(z1): 1998-2001.

[17]Yew L N, Wong F, Cumming I G.A Two-Dimensional Spectrum for Bistatic SAR Processing Using Series Reversion[J].Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE,2007, 4(1): 93-96.

[18]胡學(xué)成，于文震，雷萬(wàn)明，等.機(jī)載大斜視SAR實(shí)時(shí)成像處理[J].現(xiàn)代雷達(dá),2005, 27(7): 42-44, 57.

[19]汪亮，禹衛(wèi)東.機(jī)載SAR大斜視角成像算法及其性能分析[J].電子與信息學(xué)報(bào),2006, 28(3): 502-506.

[20]吳勇，宋紅軍，彭靳.基于時(shí)域去走動(dòng)的SAR大斜視CS成像算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2010, 32(3): 593-598.

[21]張冬磊，王蜂，李亞超.彈載SAR大斜視改進(jìn)CS成像算法[J].宇航學(xué)報(bào),2011, 32(6): 1359-1364.

[22]Clemente C, Soraghan J J. Range Doppler and chirp scaling processing of synthetic aperture radar data using the fractional Fourier transform[J].Signal Processing, IET, 2012，6(5): 503-510.

[23]吳勇，宋紅軍，鄭經(jīng)波，等.大斜視SAR的改進(jìn)NCS算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2010, 32(4): 749-753.

[24]吳勇，宋紅軍，彭靳，等.基于方位deramp和NFS大斜視聚束SAR成像算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2010, 32(9): 2184-2190.

[25]陳士超，武其松，吳玉峰，等.一種大斜視雙基地合成孔徑雷達(dá)的頻率變標(biāo)成像算法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011, 45(10): 82-87.

[26]易予生，張林讓，劉昕，等.一種彈載側(cè)視SAR大場(chǎng)景成像算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2010, 32(3): 587-592.

[27]周松，周鵬，李亞超，等.彈載SAR下降段成像算法研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011, 38(3): 90-98.

[28]Yi Yusheng, Zhang Linrang, Liu Xin, et al.Study on imaging algorithm for missile-borne side-looking SAR[C]//1st Asian and Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar, Huangshan, China：2007.

[29]燕英，周蔭清，李春升，等.彈載合成孔徑雷達(dá)成像處理及定位誤差分析[J].電子與信息學(xué)報(bào),2002, 24(12): 1932-1938.

[30]俞根苗，尚勇，鄧海濤，等.彈載側(cè)視合成孔徑雷達(dá)信號(hào)分析及成像研究[J].電子學(xué)報(bào),2005, 33(5): 778-782.

[31]孫兵，周蔭清，陳杰，等.基于俯沖模型的SAR成像處理和幾何校正[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006, 32(4): 435-439.

[32]孫兵，周蔭清，陳杰，等.基于恒加速度模型的斜視SAR成像CA-ECS算法[J].電子學(xué)報(bào),2006, 34(9): 1595-1599.

[33]俞根苗，鄧海濤，張長(zhǎng)耀，等.彈載側(cè)視SAR成像及幾何校正研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2006, 28(7): 997-1001.

[34]房麗麗，王巖飛.俯沖加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下SAR信號(hào)分析及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償[J].電子與信息學(xué)報(bào),2008, 30(6): 1316-1320.

[35]易予生，張林讓，劉楠，等.基于級(jí)數(shù)反演的俯沖加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)彈載SAR成像算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2009, 31(12): 2863-2866.

[36]周鵬，周松，熊濤，等.基于級(jí)數(shù)反演的彈載SAR下降段CZT成像算法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2010, 32(12): 2861-2867.

[37]Prats P, Camara De Macedo K A, Reigber A, et al.Comparison of Topography- and Aperture-Dependent Motion Compensation Algorithms for Airborne SAR[J].Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE,2007, 4(3): 349-353.

[38]Zhang S X, Xing M D, Xia X G, et al.Focus Improvement of High-Squint SAR Based on Azimuth Dependence of Quadratic Range Cell Migration Correction[J].Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE,2013, 10(1): 150-154.

[39]Neo Y, Wong F, Cumming I.A Review of Point Target Spectra for Bistatic SAR Processing[J].Synthetic Aperture Radar (EUSAR), 2008 7th European Conference.2008: 1-4.

[40]公岷，劉光炎，黃順吉.前視SAR系統(tǒng)的方位分辨率特性[J].信號(hào)處理,2003, 19(4): 324-328

[41]周其煥.前視探測(cè)和多傳感器綜合視景系統(tǒng)在民機(jī)上的應(yīng)用[J].航空電子技術(shù),2002, 33(3): 1-6.

[42]劉高高，張林讓，易予生，等.一種曲線軌跡下的彈載前斜視成像算法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011, 38(1): 123-130.

[43]侯海平，曲長(zhǎng)文，丁燦，等.陣列天線微動(dòng)對(duì)前視SAR成像影響及補(bǔ)償研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2011, 33(4): 831-837.

摘要:彈載合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像是近年來(lái)雷達(dá)成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在介紹彈載SAR成像特點(diǎn)和傳統(tǒng)SAR成像算法理論基礎(chǔ)上，根據(jù)彈載SAR運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)彈載SAR成像算法進(jìn)行了總結(jié)和分析。通過(guò)分析各種彈載SAR成像算法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論了彈載SAR技術(shù)應(yīng)用中有待解決的問(wèn)題，對(duì)彈載SAR成像算法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了較為全面的綜述。

關(guān)鍵詞:彈載合成孔徑雷達(dá)；成像算法；非勻直彈道

Review on Missile-borne SAR Imaging Algorithm CHEN Yong，ZHAO Huichang，CHEN Si，ZHANG Shuning

(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of science and technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:The missile-borne SAR (Synthetic Aperture Radar) imaging is one of the research hotspots in radar imaging in recent years. The characteristics of the missile-borne SAR imaging and algorithms of the classical SAR imaging was introduced in this article. According to the movement characteristics of the missile-borne SAR, the imaging algorithms was summarized and analyzed. And some unsolved problems in missile-borne SAR technology application by analyzing merits and disadvantages of its imaging algorithm were discussed in this paper, besides, the studies on the imaging algorithm of missile-borne SAR were reviewed.

Key words:missile-borne SAR; imaging algorithm; non-constant ballistic trajectory

中圖分類號(hào):TN957.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-1194(2015)06-0001-06

作者簡(jiǎn)介:陳勇(1979—)，男，江蘇高郵人，博士研究生，講師，研究方向：彈載SAR成像。E-mail：hytccy@hotmail.com.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61301216)；江蘇省普通高校研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(CXZZ130206)

*收稿日期:2015-07-02