跟蹤雷達(dá)的ISAR成像技術(shù)

高環(huán)

（海軍裝備部）

0 引言

高分辨雷達(dá)成像技術(shù)，能獲得目標(biāo)的二維或三維圖像，獲取更豐富的目標(biāo)信息（如形狀、尺寸等），有利于目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別和分類，是新一代雷達(dá)信號(hào)處理中不可或缺的一部分?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭瞬息萬變，對一場戰(zhàn)爭的任何一方來說，戰(zhàn)斗中來自空中的威脅越來越大，如導(dǎo)彈和飛機(jī)等；因此，對這類目標(biāo)進(jìn)行高分辨ISAR成像和偵察對戰(zhàn)爭防御和進(jìn)攻都有著至關(guān)重要的作用。

獲取高分辨二維圖像首先要實(shí)現(xiàn)高分辨的距離像。除直接產(chǎn)生寬頻帶的信號(hào)外，調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)是現(xiàn)代雷達(dá)中獲得高分辨信號(hào)的一種重要手段，已有廣泛的應(yīng)用[1-2]，它以線性調(diào)頻信號(hào)作為步進(jìn)頻率信號(hào)的子脈沖，兼有線性調(diào)頻信號(hào)和步進(jìn)頻率信號(hào)的特點(diǎn)?？梢越档蛯?shù)字信號(hào)處理機(jī)的瞬時(shí)帶寬的要求，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率，保證信號(hào)較遠(yuǎn)的作用距離。

本文提出利用調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)目標(biāo)的ISAR成像，利用獨(dú)立的兩個(gè)通道，在對目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的基礎(chǔ)上，完成對目標(biāo)的高分辨成像。

1 跟蹤雷達(dá)成像特殊性分析

跟蹤雷達(dá)成像通常采用窄帶跟蹤、寬帶成像的交替工作方式。該方法需要花費(fèi)兩個(gè)雷達(dá)重復(fù)周期才能完成對目標(biāo)的跟蹤和寬帶成像，使得成像時(shí)的多普勒帶寬容限降為原來的一半，成像的數(shù)據(jù)率也降為原來的一半。采用兩個(gè)獨(dú)立通道，解決了多普勒的容限問題和成像的數(shù)據(jù)率問題。

不同于艦船等慢速目標(biāo)，飛機(jī)類快速目標(biāo)在雷達(dá)成像期間經(jīng)?？缭蕉鄠€(gè)距離單元，如果采用固定波門，那么很有可能目標(biāo)就會(huì)飛出波束，而采用調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)作為成像的寬帶信號(hào)，在一個(gè)脈組內(nèi)采樣的波門必須固定，從而為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償創(chuàng)造條件，因此跟蹤成像時(shí)必須利用跟蹤信息，在每一個(gè)脈組的起始確定波門，而在脈組內(nèi)波門不變。

采用調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)作為成像的寬帶信號(hào)，其等效的重頻較低，另一方面如果飛機(jī)目標(biāo)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，其多普勒頻差就比較大，因此跟蹤雷達(dá)的重頻必須高，否則會(huì)產(chǎn)生圖像折疊。

2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

利用一個(gè)脈組的M個(gè)脈沖估計(jì)目標(biāo)的速度。

原始單個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的回波信號(hào)為

其中：fm代表第m個(gè)信號(hào)的載頻，fr為信號(hào)的頻率范圍，B為信號(hào)帶寬，Tr為脈沖重復(fù)時(shí)間，C為光速。

假定目標(biāo)的速度范圍為[VminVmax]，對每一個(gè)速度值構(gòu)造相位補(bǔ)償因子

則補(bǔ)償之后的信號(hào)為

補(bǔ)償之后將信號(hào)變到距離時(shí)域，再沿方位向做FFT，這時(shí)相當(dāng)于得到了頻率步進(jìn)信號(hào)的時(shí)域高分辨圖像。如果v≠v0，那么這個(gè)點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)將會(huì)展寬，另外，其還會(huì)有剩余的包絡(luò)走動(dòng)，這都會(huì)導(dǎo)致其圖像的熵值降低，而如果v=v0，那么此時(shí)，圖像的聚焦性能最好，其熵值也是最小的，因此

其中：x代表一個(gè)脈組經(jīng)過速度補(bǔ)償并做了方位FFT的圖像，entropy代表圖像熵。

3 距離走動(dòng)校正

對一個(gè)脈組信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償之后，采用基于帶寬相參化的頻域帶寬合成方法[3]，形成目標(biāo)的高分辨一維距離像。之后采用典型的包絡(luò)對齊、自聚焦方法，補(bǔ)償?shù)羝絼?dòng)分量，將目標(biāo)補(bǔ)償成為典型的轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)，從而可以進(jìn)行方位成像。然而由于雷達(dá)的距離分辨率高，距離走動(dòng)的情況還是時(shí)有發(fā)生的，為了進(jìn)一步校正距離走動(dòng)，消除波形平移及距離和方位耦合的影響；可以在方位時(shí)域做一個(gè)變換，定義一個(gè)虛擬時(shí)間mτ，mτ與tm有如下關(guān)系[4]

其中：fc為信號(hào)的中心頻率，tm為方位采樣時(shí)間，f為距離頻率。

式（5）的意義是：當(dāng)f=0時(shí)，τm與tm相同，當(dāng)f＞0時(shí)，τm大于tm，且與f成線性關(guān)系，即將原來因f不同而增加的相位變化，視之為用加大時(shí)間間隔τm得到的。f＜0時(shí)的情況也類似，只是τm是減小的。于是在f-τm的平面里，對一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的等相位線將是平行的。即以τm為新的時(shí)間來度量，則逐次回波不會(huì)在頻譜里出現(xiàn)線性相位因子，即波形不再有平移。

4 方位成像

在對距離走動(dòng)進(jìn)行校正之后，就可以進(jìn)行目標(biāo)的方位成像處理了。在目標(biāo)平穩(wěn)飛行時(shí)，可以采用簡單的距離-多普勒算法，而在目標(biāo)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，則采用距離-瞬時(shí)多普勒算法可以獲取目標(biāo)的清晰圖像。在不增加成像積累時(shí)間和積累角度的情況下，可以采用超分辨成像算法來提高成像分辨率，其中包括：Burg外推、APES、RELAX等。壓縮感知（Compressed sensing，CS）是近年來發(fā)展起來的一種信號(hào)處理方法，它主要包括對信號(hào)的壓縮采樣和稀疏恢復(fù)兩個(gè)步驟，在成像中我們只是利用后一個(gè)步驟完成稀疏信號(hào)的恢復(fù)，以獲取目標(biāo)的高分辨圖像。

5 數(shù)據(jù)處理

圖1、圖2為某型飛機(jī)的ISAR圖像。圖1(a)為RD算法成像的結(jié)果，圖1(b)為中間時(shí)刻RID算法成像的結(jié)果?？梢钥闯鯮ID算法的成像效果好，尤其是飛機(jī)翅膀附近，而RD算法成像展寬很多。圖1(c)是在RID成像處理時(shí)做了4倍的插值處理，可以看出圖像更加清晰。

圖1 RD與RID成像處理對比

圖 2(a)、2(b)、2(c)分別為利用 1/4、1/8、1/16脈沖成像的結(jié)果，左側(cè)為CS算法成像的結(jié)果，右側(cè)為對應(yīng)的RD算法成像的結(jié)果?？梢钥闯?，即使在脈沖數(shù)比較少的情況下，CS算法成像的效果也是比較好的，而對應(yīng)的RD算法的成像效果已經(jīng)很差了，其多普勒展寬很厲害，分辨率很差。

圖2 RD與CS成像處理對比

6 結(jié)束語

本文對跟蹤雷達(dá)的 ISAR成像技術(shù)進(jìn)行了研究。對跟蹤雷達(dá)的成像特殊性進(jìn)行了分析，并對成像中涉及的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、距離走動(dòng)校正以及方位成像進(jìn)行了深入研究，最后通過數(shù)據(jù)處理對所提方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。對比不同成像算法的成像結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在相同脈沖數(shù)條件下，RID成像算法的適用性要比RD的廣，CS成像效果要比RD成像算法的效果好。

[1]劉錚,步進(jìn)頻率體制雷達(dá)成像技術(shù)[D].博士學(xué)位論文,西安電子科技大學(xué),2000.

[2]D.R.Wehner,High Resolution Radar [M].Aretch House,Inc,1995.

[3]高昭昭.高分辨ISAR成像新技術(shù)研究[D].博士學(xué)位論文,西安電子科技大學(xué),2009.

[4]保錚,邢孟道,王彤著.雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.