彈載合成孔徑雷達成像處理算法綜述

陳　勇，趙惠昌，陳　思，張淑寧

(南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京　210094)

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彈載合成孔徑雷達成像處理算法綜述

陳勇，趙惠昌，陳思，張淑寧

(南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京210094)

0引言

合成孔徑雷達(SAR)是一種具有高分辨率的微波成像雷達，其原理是利用雷達平臺的運動來達到大孔徑天線，從而獲得方位向的高分辨率雷達圖像。與光學、紅外傳感器相比，SAR具有全天候、全天時工作能力的獨特優(yōu)點[1]。將SAR技術應用于主動雷達導引頭，既可用于中制導的彈道修正，又可用于末制導階段的精確打擊，特別是在強雜波背景下，SAR導引頭可實現(xiàn)對地面固定目標、偽裝或隱蔽目標、地面和海上運動目標群等的檢測、識別與跟蹤等，并能進一步提高雷達導引頭識別目標要害部位的能力[2]。隨著SAR信號處理技術的進步，大容量、高速并行計算技術的迅速發(fā)展，成像雷達信號處理的實時性得到很大提高，制約彈載SAR制導應用的瓶頸問題正逐步得到解決，彈載SAR已成為當前雷達導引頭研制的熱點之一。以SAR作為精確制導手段的目的是為了利用SAR獲取地面高分辨率圖像，然后經彈上計算機和已存儲的參考圖像進行景象匹配，根據匹配結果計算得到彈體位置，進而修正慣性導航系統(tǒng)(INS, Inertial Navigation System)誤差，與機載SAR不同，彈載SAR具有高機動性、大斜視角和實時處理的特性，因此如何根據彈道設計和運動的狀態(tài)來研究成像算法是彈載SAR 技術研究的核心內容[3-4]。因此，對于彈載SAR技術來說，首先要解決的就是成像算法的問題。本文根據彈載SAR運動特點，總結和分析了彈載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。

1彈載SAR成像特點及傳統(tǒng)SAR成像算法

1.1彈載SAR成像特點

如圖1所示，彈載SAR成像與機載、星載SAR成像最明顯的不同在于雷達平臺的運動方式[5]，SAR的成像原理要求雷達平臺保持勻速直線運動，機載和星載SAR的平臺運動形式可以近似滿足這一要求，但對于彈載SAR來說，由于導彈飛行的目的是突破防御攻擊目標，飛行途中飛行姿態(tài)變化較大，在成像時間內，導彈垂直方向的速度使得彈載SAR在成像過程中不能滿足載體勻速直線運動的條件，航跡的非線性導致彈載SAR的距離徙動現(xiàn)象十分嚴重，距離向與方位向信號存在耦合，造成目標斜距方程較為復雜，此時常規(guī)的SAR成像算法已經難以完成目標的精確聚焦，必須研究能夠適應彈載環(huán)境的新成像算法。

圖1　彈載SAR運動幾何模型Fig.1　Missile-borne SARmotion geometry

1.2傳統(tǒng)SAR成像算法

合成孔徑雷達要完成對目標散射點的聚焦，必須解決雷達按理想幾何模型飛行時散射點聚焦的計算問題，即成像算法問題。成像算法就是針對實際應用，精度滿足要求，而又便于運算的方法來完成回波信號在距離和方位的解耦合，以及多普勒信號的相干積累。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，它是通過對兩維濾波器的近似，將SAR成像中的距離和方位的兩維處理分離為兩個級聯(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成像過程。RD算法的主要特點在于RCMC的距離多普勒域實現(xiàn)以及每次都基于一維的運算操作。但是當距離徙動較大時，其運算量迅速增加，成像精度降低，不適合彈載SAR的實時成像。帶有二次距離壓縮的改進RD算法可以完成距離徙動較大時的成像處理，但其采用了插值運算，也不適用于彈載SAR的實時成像。

2)CS算法

線性調頻變標(CS，Chirp Scaling)算法[7-10]常用于雷達信號波長較長或分辨率要求較高、距離和方位存在耦合的場合，且距離徙動是空變的，即由距離彎曲引起的耦合部分在條帶場景內是變化的，這時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算法對距離徙動的處理采用CS操作與平移結合的方法，利用CS操作消除距離的空變特性，然后利用平移對所有散射點剩余的距離徙動進行統(tǒng)一校正。CS操作的本質對線性調頻回波乘上一個小調頻率的線性調頻信號，使回波的相位發(fā)生改變，經過壓縮后使散射點包絡位置發(fā)生改變，這種操作對離參考距離越遠的散射點的位置移動越大，對離參考點越近的散射點的位置移動越小，從而滿足距離徙動校正的空變性。但是該算法沒有考慮SRC隨目標距離的變化，仍然無法解決SRC隨距離變化的問題。非線性CS(Nonlinear Chirp Scaling，NCS)算法[11-14]通過對更高次相位的補償，解決了測繪帶內SRC隨距離變化的問題，但其處理方法過于復雜而實際應用較少。

3)PF算法

極坐標格式(Polar Format, PF)算法[15]是一種典型的聚束SAR成像算法。該算法對回波信號進行Dechirp接收，在時域將參考點回波信號作為參考解調信號對回波信號進行解調，解調后的信號經二維插值，再做二維FFT得到圖像。該算法通過對信號用極坐標格式記錄來消除距離徙動的影響，解決了聚束模式回波信號穿越分辨單元的問題，但其主要缺點也是需要二維插值運算，成像處理時間長，不適合彈載SAR的實時成像。

4)ωK算法

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

2彈載SAR成像算法研究現(xiàn)狀

在SAR成像算法的研究過程中，推導回波信號的二維頻譜表達式是首要的一步[17]。由于彈載SAR目標斜距方程中根號下存在慢時間的四次項，直接使用POSP(駐相點法)推導信號二維頻譜表達式需要解六次方程，而根據阿貝耳定理，六次方程沒有一般的代數(shù)解法，因此，如何獲得信號二維頻譜表達式，成為彈載SAR成像算法研究的一個難點。彈載SAR成像算法是針對彈載SAR平臺運動特點的一類算法，不同的運動模式，選擇相應的成像算法。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對飛行方向前方區(qū)域進行成像，根據指定的地面目標區(qū)間，搜索有價值目標，對確定的地面目標區(qū)間進行高分辨率成像，確定要攻擊的地面目標。對斜視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存在較為復雜的成像幾何模型，回波數(shù)據的方位向和距離向的耦合較為嚴重，因此，大斜視SAR成像是雷達信號處理中一個重大的挑戰(zhàn)。彈載大斜視成像算法主要以CS算法和FS算法改進為主。

1)CS算法的改進

CS算法將場景各處的距離徙動量先變換成一樣，再作統(tǒng)一校正，解決了空變性的問題，為了在彈載大斜視情況下得到更好的成像結果，各種算法通過不斷提高回波模型近似的精度，獲得更好的成像效果。針對大斜視SAR回波信號的大距離走動、小距離彎曲的特點，文獻[20]提出了一種將時域去走動和CS算法相結合的成像算法，該算法首先通過校正距離走動減小二維耦合項，然后通過CS操作校正距離彎曲，最后再通過幾何校正將場景中的目標恢復至正確的位置，完成目標成像，經過時域去走動處理后，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繪帶寬度的成像要求。針對彈載SAR大斜視所造成的頻譜混疊問題，文獻[21]建立了大斜視加速運動模型，通過引入新的CS因子，補償了導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題，并通過引入方位deramp處理方法，有效解決了方位多普勒頻譜混疊問題，提高了點目標圖像的聚焦效果。CS操作會使距離向頻譜隨斜視角的增大而產生偏移，擴展的CS合成孔徑雷達大斜視模式成像研究算法克服了這個問題，文獻[22]提出了一種采用距離向變標處理的擴展CS算法，研究了彈載SAR大斜視工作模式和成像匹配過程中遇到的問題，并給出了相應的圖像配準方法，但仍然無法解決SRC隨距離變化的問題。文獻[23]提出了采用一種改進的非線性調頻變標(Nonlinear Chirp Scaling, NCS)算法，非線性CS算法通過對更高次的相位補償，解決了測繪帶內SRC隨距離變化的問題，該算法通過二維頻域中補償參考距離處二階以上的相位耦合項，減小了整個測繪帶高階耦合項，其次，采用兩次調頻變標來完成聚焦，在第一次變標過程中采用四次多項式模型，同時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，在第二次變標過程中，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，但其處理方法過于復雜而實際應用較少。

2)FS算法的改進

頻率變標(Frequency Scaling)算法不需要信號在距離上是線性調頻的，它直接對解線調后的信號進行處理，應用頻率變標技術，在消除信號剩余相位項的同時校正距離徙動。針對聚束SAR回波信號方位向頻譜混疊和大斜視時距離向和方位的嚴重耦合的問題，文獻[24]提出了采用結合方位向deramp和非線性頻率變標(NFS)的斜視聚束SAR成像算法，由于該算法在方位向進行deramp操作，消除了方位頻譜混疊，然后又通過非線性頻率變標并考慮距離向時頻變換的標度變化補償方位相位，實現(xiàn)的場景成像，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。針對大斜視導致的成像效果不佳的問題，文獻[25] 提出一種基于嚴格解析雙基頻譜的大斜視頻率變標(FS)成像算法，該算法首先通過回波信號變換到二維頻率域，利用由嚴格解析雙基頻譜推導出的頻率變標函數(shù)校正距離彎曲差，然后進行剩余視頻相位校正完成包絡去斜，再進行逆頻率變標操作消除二次相位誤差，經過距離徙動校正后，再進行非線性變標操作消除由大斜視導致的隨距離變化的二次距離壓縮項，最后經過距離壓縮和方位壓縮完成整個成像過程，該算法成像效果良好，點目標沖激響應的主副瓣可清晰分辨。

2.2大場景成像算法

對于彈載SAR成像來說，其目的是獲取目標或目標附近典型地物地貌特征信息，形成實時圖，并與預先準備好且存儲在導彈中的基準圖進行圖像匹配，根據圖像匹配處理結果以及SAR工作的幾何關系推算出導彈當前較精確的位置信息，這時需要對較大場景目標進行成像。SAR成像過程中，相同距離單元的散射點，其距離徙動軌跡的形狀相同，而不同距離單元的散射點距離徙動的軌跡不同，即距離的彎曲的曲率差不同，也就是說距離徙動在距離上是空變的。對于大場景成像時，由于成像范圍較大，加之導彈的非勻速直線運動，彈載SAR與目標之間的距離在合成孔徑時間內發(fā)生變化，導致回波信號中距離向和方位向信號發(fā)生耦合，使得成像成為一個復雜的二維處理過程。

適合于大場景成像的處理方法[26]有極坐標格式(Polar Fomation，PF)算法、距離徙動(Range Migration，RM)算法和CS算法等數(shù)種。PF算法的主要過程包括：去調頻完成距離壓縮處理，之后通過傅里葉變換把信號變換到頻率域，進行匹配濾波，變量置換，把極坐標格式記錄的數(shù)據插值為直角坐標系數(shù)，最后通過二維逆傅里葉變換回到時域重建圖像。采用極坐標格式對回波數(shù)據重新記錄的方法可以在整個成像范圍內基本消除彈載SAR與目標之間的相對轉動造成的距離徙動現(xiàn)象，從而獲得高質量的聚焦圖像，但是，PF算法的二維插值運算的計算量很大，還必須對距離去調頻處理引起的殘余視頻相差進行補償，當超高分辨率成像時，算法忽略波前彎曲影響的近似性使成像質量變差。RM算法是基于散射模式進行推導的，無需假定照射波前是平面的，因而不存在PF算法中波前彎曲導致的散焦和幾何失真等問題，RM算法也是經過一維方位傅里葉變換將信號變換到距離-多普勒域，通過二維信號相位調整，距離向一維插值，然后進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，并且必須應用插值計算，這不僅增加了計算量，也會降低成像質量。極坐標格式算法和距離徙動算法雖然能夠在二維頻率域進行距離和方位的解耦合，但共同的缺點是需要插值來完成，這需要很大的運算量。CS算法是一種適用于大距離徙動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算，無需插值操作，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彈做俯沖加速運動，彈道不是理想的勻速直線運動的成像算法。導彈垂直方向的速度使得彈載SAR在成像過程中不能滿足其載體勻速直線運動的條件，航跡的非線性帶來距離走動、幾何畸變、多普勒參數(shù)變化等一系列問題。該運動特點導致彈載SAR的距離徙動現(xiàn)象十分嚴重，距離向信號與方位向信號存在耦合，在合成孔徑時間內距離徙動可能跨越上百個距離門，導致一些適用于機載、星載SAR勻速直線運動下的成像算法成像精度降低甚至無法成像。彈載飛行條件下出現(xiàn)的SAR圖像散焦現(xiàn)象是主要由平臺運動偏離理想航跡和非勻速運動引起的非均勻采樣間隔造成的，有關非理想航跡的SAR成像算法主要采用運動補償。

1)子孔徑處理

子孔徑處理方法[27]是基于相位近似的時域算法，對于線性調頻(LFM)信號，其二次相位在一定誤差范圍內可以分段近似成線性相位，按線性相位的特點對數(shù)據進行處理從而使處理過程得到簡化。文獻[28—29]將導彈飛行模型近似為直線，從而轉化為斜視成像，該算法對于導彈水平方向速度較大的情況下是適用的，當垂直方向速度較大時此算法近似很難成立。文獻[30]采用子孔徑處理的方法探討了彈載SAR在導彈下降過程中信號的特性和成像的可能性,該算法克服了多普勒參數(shù)變化大的問題，能夠得到聚焦良好的子孔徑圖像，但由于沒有利用全部回波信號，方位向的分辨率降低。文獻[31]通過引入了等效成像平面概念，分析了彈載SAR在導彈下降飛行過程中的成像及圖像的幾何校正的問題，并根據SAR成像期間內導彈下降飛行的特點，建立了SAR工作的空間幾何模型和目標距離表達式及幾何失真校正的數(shù)學模型,但是在實際工作中，由于成像的子孔徑中心時刻的高度和速度等均存在誤差，子孔徑時間內雷達所運動的路徑并非嚴格的直線以及其他一些因素的影響，經幾何校正的圖像和實際的場景之間會存在一定的誤差。

2)全孔徑處理

文獻[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校正和相位補償因子，提出了一種等效正側視的工作模式，在這種模式下場景中心處目標的距離徙動較小，可以實現(xiàn)成像功能，但由于實際條件的限制，一般情況下會偏離這種等效正側視工作模式，因而該算法的使用也受到一定的限制。文獻[34]利用改進的CS成像算法進行成像處理，該算法考慮了變加速運動的影響并采用譜選擇技術解決了方位向非均勻采樣的問題，但在距離徙動校正時采用了插值處理，一方面增加了運算量，另一方面校正的精度取決于插值的精度。文獻[35]通過級數(shù)反演法將斜距表達式展開為慢時間的泰勒級數(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俯沖加速運動的成像算法，該算法采用了全孔徑處理并能夠精確地校正距離徙動從而提高了方位向的分辨率，但是實際彈載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目標或者場景中心附近小范圍區(qū)域的成像。 文獻[36] 在級數(shù)反演推導二維頻譜的基礎上采用CZT(Chirp-Z Transform)成像算法進行成像處理，該算法利用CZT變換校正空變的距離徙動，可用FFT高速實現(xiàn)，提高了成像的效率和精度。文獻[37—38] 提出了彈載SAR的方位NCS(Nonlinear Chirp Scaling)成像算法，該算法在距離徙動校正和距離壓縮處理之后，通過引入方位非線性變標操作，補償變化的多普勒調頻率，并校正圖像方位畸變，從而改善了方位聚焦深度和聚焦質量。

2.4前視成像算法

根據前階段的成像結果，SAR導引頭在二維圖像域維持對目標的鎖定跟蹤并利用成像處理結果對導彈的飛行方向不斷調整和控制，使其逐步轉入攻擊方向(前視)，在該階段，導彈轉為對目標實施攻擊，由于攻擊目標的需要，導彈在飛行末段時處于前視工作狀態(tài)。此時如能采用具有前視成像功能的合成孔徑雷達導引頭則可以提高目標命中精度，實現(xiàn)實時偵察與打擊。對于彈載前視SAR來說，由于導彈的飛行方向和雷達的照射方向一致，距離向和方位向存在嚴重耦合[39-40]，因而現(xiàn)有的SAR成像方法無法覆蓋飛行路線正前方目標，也就是說現(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)的研究在國外和國內都剛處于起步階段，幾乎沒有公開發(fā)表的文獻和資料。近年來，國外提出了一種能對飛行路線正前方扇形區(qū)域進行成像的新型機載前視SAR系統(tǒng)——用于視景增強的新型區(qū)域成像雷達(SIREV)，文獻[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，載機前部剛性安裝了一個陣列天線，天線收發(fā)單元等間隔排列，發(fā)射單元以高脈沖重復頻率(PRF)發(fā)射大時寬帶寬積信號，各接收單元依次接收回波信號，通過相參數(shù)據采集與處理，等效于在方位向(陣列天線方向)形成一個長的合成孔徑。文獻[43]針對彈載SAR存在前視盲區(qū)的問題，通過設計曲線飛行軌跡將導彈前視成像轉換為前斜視的RD成像算法。首先利用距離方程的高階近似表達式，在時域作距離徙動校正，并通過級數(shù)反演法獲得二維頻率域表達式，在此基礎上給出了成像算法，最后通過二維匹配濾波獲得成像結果。

3結束語

彈載SAR技術作為SAR技術在精確制導領域的應用，可有效提高導引頭的制導精度、目標識別能力和抗干擾性能，其研究具有廣泛的應用價值和發(fā)展?jié)摿Α１疚脑趶V泛查閱文獻的基礎上，從非勻直彈道成像、大斜視成像、大場景成像和前視成像不同階段，對彈載SAR成像算法進行了較為全面的綜述。彈載SAR技術的發(fā)展趨勢決定了成像算法的發(fā)展趨勢，在工程應用方面，盡可能對成熟的算法進行改進，使其具備更廣泛的應用范圍。

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摘要:彈載合成孔徑雷達(SAR)成像是近年來雷達成像領域的研究熱點之一。在介紹彈載SAR成像特點和傳統(tǒng)SAR成像算法理論基礎上，根據彈載SAR運動特點，對彈載SAR成像算法進行了總結和分析。通過分析各種彈載SAR成像算法的優(yōu)缺點，討論了彈載SAR技術應用中有待解決的問題，對彈載SAR成像算法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了較為全面的綜述。

關鍵詞:彈載合成孔徑雷達；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:TN957.52

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2015)06-0001-06

作者簡介: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.

基金項目:國家自然科學基金項目資助(61301216)；江蘇省普通高校研究生創(chuàng)新基金項目資助(CXZZ130206)

*收稿日期:2015-07-02