雷达成像技术(保铮word版)-第二章-距离高分辨和一维距离像.docx

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1、第二章距离高分辨和一维距离像雷达采用了宽频带信号后，距离分辨率可大大提高，这时从一般目标（如飞机等）接收到的已不再是“点”回波，而是沿距离分布开的i维距离像。雷达阿波的性质可以用线性系统来描述，输入是发射脉冲，通过系统（目标的作用，输出宙达回波。系统的特性通常用冲激响应（或称分布函数）表示，从发射波形与冲激响应的卷积可得到雷达回波的波形。严格分析和计算目标的冲激响应是比较曳杂的，要用到较深的电感场理论，不属本节的范围。简单地说，雷达电波作用的目标的一些部件对波前会有后向散射，当一喳平板部分而向雷达时还会有后向镜面反射：这些是雷达回波的主要部分：此外还有谐振波和爬行波等。因此，目标的冲激响应（分

2、布函数）可以用散射点模型近似，即目标可用一系列面向雷达的散射点表示，这些散射点位于后向散射较强的部位。由于谐振波和爬行波的滞后效应，有时也公有少数散射点在目标本体之外。如上所述，目标的散射点模型显然与宙达的视线向有关,例如当飞机的平板机身与雷达射线垂直时有很强的后向镜面反射，而在偏离不大的角度后，镜向反射射向它方,不为雷达所接收。目标的雷达散射点模型随视角的变化而缓慢改变，旦与宙达波长有关,分析和实验结果表明，在视角变化约10的范围里，可认为散射点在目标上的位置和强度近似不变。顺便提一卜.，前面曾提到微波雷达对目标作ISAR成像，目标须转动3左右，在分析时用散射点模型是合适的。时，两者到雷达的

3、径向距离差米,它们子回波的相位差改变240!y标一维距离像中尖峰的位置随视角-I于放射点模型线变），而尖峰的振幅H的（当相应距离单元中有多个散射1.l是c波段宙达实测的飞机一维距离A中将视角变化约3。的回波重合画在离像随视角变化而具有的峰值位置图2值幅度快变性可作为目标特性识别变化为I厘由此可见，目缓慢变化（由1|可能是快变Ill点）。图2-1IlMil像的例子，图_起.一维距EWW缓变性和峰I飞机回波的一维距离像八l的基础。本章将用上述散射点模里对高分辨的一维距离像进行讨论,2.1 宽带值号的逆诩归匹心!波和脉冲压缩根据散射点模型，设散射点为理想的几何点，若发射信号为P),对不同距离多个放射

4、点目标，其回波可写成：s,(r)=gAlp(-手)e，1*(2.I)A和K(J)分别为第i个散射点回波的幅度和某时刻的即离：/，()为归一化的阿波包络；。为载波频率，C为光速.若以单频脉冲发射，脉冲越窄，信号频带越宽。但发射很窄的脉冲，要有很高的峰值功率，实际困琲较大,通常都采用大时宽的宽频带信号，接收后通过处理得到窄脉冲。为此，我们将(2.1)式的回波信号换到嫌域来讨论如何处理，这时有：2rPSr(f)=A,P(f)e-=AlP(f)Pf)e,(2.4)=Acpsf(r-TC这里()为P()的豆共捌，而PSfa)=WwSH(2.5)在时域上看，滤波相当于信号与滤波器冲激响应的卷积,对已知波形

5、的信号作匹配滤波，其冲激响应为该波形的共挽倒巴。当波形的时间长度为7则卷积输出信号为2,0实际上，匹配戏波可实现脉冲压缩，输出主瓣的宽度为1/似8为信号的频带宽度，为降低副瓣而作加权，主部要展宽一些)，即距离分辨率为c(28),脉压信号的8通常较大(871),输出主瓣是很窄的，时宽为2,的输出中，绝大部分区域为幅度很低的副瓣。当反射体是静止的离散点时，回波为一系列不同延时和复振幅的已知波形之和，对这样的信号用发射波形作匹配滤波时，由于滤波是线性过程,可分别处理后迭加。如果目标长度相应的回波距探段为r,其相当的时间段为A7(=2A，c),考虑到发射信号时宽为7则目标所对应的回波时间长度为A7+7

6、；,而匹配潴波后的输出信号长度为AT+2。虽然如此，具有离散点主瓣的时间段仍只有丁，两端的部分只是副瓣区，没有目标位置信息。应当指出，通过卷枳直接作匹配滤波脉压的运.兑量相对较大，可以在频率域通过共担相乘再作IF卜T求得。需要注意的是两离散信号频率域相乘相当它们在时域作例I卷枳，为使恻卷积与线性卷枳等价，待处理的信号须加零延伸，避免圆卷枳时发生混接。实际处理中，为了压低副雄,通常是将匹配函数加窗，然后加零延伸为AT+0的时间长度，作傅立叶变换后并作共担，和接收信号的傅立叶变换相乘后，作傅立叶逆变换，取前丁时间段的有效数据段。为了便于采用快速傅立叶变换，可能对匹配函数要补更多的零，对接收信号也要

7、补零。脉用处理过程的如图2-2所示，其中虚框部分可事先计算好，以减小运算量。接收信号图2-2八配沌波脓压示意图距离匹配波波压缩后，不管是否补零，其距离分辨率为c(28),距离采样率为c(2J,其中卜;为采样须率，7；=/为采样周期，距离采样周期要求小于等于距离分辨单元长度。2.2 线性MHll值号和解调员以大时宽宽频带信号可以有许多形式，如脉冲编码等，但用得最多的是线性调频(1.FM)脉冲信号。由于线性调频信号的特殊性质，对它的处理不仅可用般的匹配滤波方式，还可用特殊的解线频调（Dcchirping）方式来处理。解线频调脉压方式是针对线性谢频信号提出的，对不同延迟时间信号进行脉冲压缩，在一些特

8、殊场合，它不仅运算简单，而且可以简化设备，己广泛应用丁SAR和ISAR中作脉冲压缩。应当指出，解线频调处理和匹配漉波虽然基本原理相同，但两者还是有些差别的，为了能正确利用解线频调方式作脉冲压缩，我们对它作些详细的说明。假设发射信号为NQe)=rect(*+、(2.6)其中rec1(“)=:A为中心频率，7；为脉宽，丫为调菽率，,=，-，/为快时间，m为IMIE整数，7脉冲重复周期,乙=为慢时间。解线频调是用一时间固定，而频率、调频率相同的1.FM信号作为参考信号,用它和回波作差频处理。设参考距褥为RM,则参考信号为SP(E,)=rccIRcJcH4M)1(2.7)式中7为参考信号的脉宽，它比丁

9、要大一些（参见图23）,某点目标到雷达的距离为此，宙达接收到的该目标信号S,（，.入）为(2.8)s,(EJ=ArCC解线频调的示意图如图2-3,若&=凡-R”，则其差频输出为=ArCC-J子Z*品aH叼(fO=Sr&J)$：/(“)(2.9)若暂将讨论限制在一个周期里（即小为常数），则上式为频率与此成正比的单频脉冲.如果所需观测的范围为,-r2.Kw+Ar2,图2-3中画出了范围两健边缘处的回波.我们再结合，图2.3是解线频调的差频处理示意图作些说明,图中纵坐标均为频率，图2.3（八）中除参考信号外，有远、近的两个回波.参考信号与回波作其共轨相乘，即作差频处理，回波变成雎频信号，且其频率与回

10、波和参考信号的距离差成正比，因而也叫解线频调处理。由图2-3(b可知=-y驾。因此，对解线频调后的信号作俾立叶变换，便可在领域得到对C应的各回波的SinC状的窄脉冲,脉冲宽度为1/7；,而脉冲位置与&成正比(-y平),如图2-3(b)的左制所示。如上所述，变换到频域窄脉冲信号的分辨率为1/9，利用=-7半，可得相应的距离分辨率为2=F相应的时间分辨率为I/?,这与匹配港波脉冲压缩的结果是一致27rp2B的。由于用解线频调作脉冲压缩的结果表现在频域里，而不像匹配滤波是在时域里完成，有些书籍里乂把这种方法叫“时频变换脉冲压缩”。从频率域变换到距离(相对于参考点的)，应乘以系数一2/应当指出，如r定

11、，则解线调频后的频率范用为一包八包即信号最大频宽为1.CcJ争7=亭8=*8,其中,为7；所对应的距离.因此可见，比值”越小，则信号最大频宽比原调频带宽也小得越多，在聚束式SAR和ISAR里这一比值有时小到几十分之一，甚至几百分之,以ISAR为例，K机类目标的长度般小于100米，对应的时宽为零点几微秒,而大时宽的宽频带信号一般在几十微秒以上，从而可将信号频带从几百兆赫减小到只有几兆林，对后续设备(特别是中放和4。变换)可简化很多。当然，这频带的降低是以时间加长为代价换来的，即用长的时间来处理短时间里的信号。以上只是结合图2-3作定性说明，回过来看看(2.9)式，它还是比较红杂的，特别是它有三个

12、相位项。为简化分析，由于目标般移动相对慢(在ISAR中，雷达不动目标运动：在SAR中，雷达运动场景和目标通常不动，目标相对雷达运动的速度为雷达速度在FI标方向的投影分量)，可设其距离(相对于参考点)&的快时间八限于个周期)是固定，而对慢时间J(跨多个周期)是移动的。上面的定性说明只是讨论一个周期里的脉压，即&为定值，因此(2.9)式中的后两个相位项在所讨论的时间里为常数，所须要注意的只是第一个相位项。该项表明变换后得到的脉冲是单频的，其值为=-y也，这与上面的定性讨论相一致，通常将这一相位c项称为距离项。Rb对于慢时间J是变化的，&的变化会使对应的距离项中的频率即(2.9)式中的第一相位项所对

13、应的/J发生改变，同时也使(2.9)式中其它两个相位项的相位不再是固定的，而会发生变化。下而我们将会看到，第二相位项的相位变化使回波产生多普勒，这是正常的，而第三相位项是解线频调所独有的，称为视频残余相位(RVP),它会使多普勒有少许改变。将(2.9)式后两个相位项的相位单独写出：等用(2.10)在短的时间里，设&的变化近似是线性的(高次项可以忽略)，即K=8+,，而瞪=(%+k)%瞪。+2KAMj将&和代代人(2.10)式，得%=-yZ(&。+k)+*(K+2Vzm)(2.11)由此可得多普勒1 d2V4v2V=-丁工与=一/-%黑=HQ(2.12)11atccc式中8、(I=y7/(而7；

14、。=竺业)，即目标相对于参号点的距离为七。时,解线调频后信号的频率。C其实，上述结果可对(2.9)式的时域信号对快时间(以参考点的时间为基准)作傅立叶变换得到：S0(f,Jj=ATltSmc9(/+2沁)卜乎3*(2.13)式(2.13)表明，解线频调脉冲压缩后，在频域的窄脉冲宽度为1/9，频移为-2：4，另外还有两个与&有关的相位项(多普勒项和RVP项)，这些都和上面的说明是一致的。解线频调方法和匹配滤波脉压相比较，多了RVP项.它是什么原因产生的,是否正常，如果不正常，是否可加以消除呢？答案是肯定的.从图2-3(b)可见，通过解线频调后，矩形脉冲变成通频的，且频率与距离的负数(当对于参考点)成正比，这是我们需要的。但从该图也可看出，各个单频脉冲时间上不对齐，而是有一定的时移(=-Rc=y),即时移与解线频调的频率成正比。我们知道，时域的时移相当于领域添加了线性相位因子，这就是RVP项的来源，我们可以通过对图2.2(b)的波形作色散延时处理，令延时与成正比(=),则可将图2-3(b)中的所有不同距离的回波校正成在时间上完全对齐图2.2(c)l,而RVP项也随之消失。在实际应用中，解线频谢后脉冲在时间上不对齐，主要影响还不是RVP因为(2.式中的，而是脉压后的副黑问题。我