一種ISAR成像方法

文/趙為偉 郝文欣

立足于實際應用角度而言，逆合成孔徑雷達的功能較為全面，并且適應性良好，可以實現全時段監測與遠距離成像，不僅可以在雷達當中捕捉既定目標，而且可以知曉既定目標的具體信息，這對于我國軍事科技發展以及民生建設有著重要意義，隨著技術的不斷革新，ISAR成像技術仍然在不斷完善。因此，對ISAR成像技術的研究有著鮮明現實意義。

1 研究背景與意義

ISAR成像技術主要應用了高分辨微波技術，通過對傳統雷達進行改造，促使雷達效用提升，可以在任何時間、任何天氣下正常發揮監控作用，并且可以應用微波實現成像。ISAR的成像原理和合成孔徑雷達的成像原理是相同的，一般假設目標運動而雷達不動。

通過對ISAR的應用情況進行分析，可以將該類技術設備成像過程進行如下總結：實際應用時，ISAR將會發射寬帶線性調頻信號，然后在距離維的不斷作用，應用脈沖壓縮得到高分辨圖像。或者是發射調頻步進信號也可以達到成像目的，因為調頻步進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行必要處理，通常情況下會采用回波補償的方法獲得準確的相干信號。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果。

實際檢測時，因為檢測物體具有一定特殊性，通常情況下物體一直處于運動狀態，所以最終檢測的信號基本上為非相干信號，這就證明運動補償是一種必要行為，也只有這樣才能進一步提升ISAR檢測效果。

圖1：機載Ocean Master 400雷達

立足于現階段技術應用情況而言，ISAR技術在軍事領域中的應用較為廣泛，尤其是機載雷達，基本上全部融合了ISAR技術。目前，市面上流通最為廣泛的ISAR機載雷達型號為“Ocean Master 400”，由法國和德國共同開發（如圖1所示）。設備具體參數可以總結為以下內容：雷達中心頻率為9GHz；測試最大探測距離為30千米；測試最大分辨范圍為3米；分機組件實際重量大約為85kg；信號帶寬可以達到600MHz；檢測范圍為全方位檢測。從上述分析結果中可以知曉該類型雷達的性能較為優越。并且，實際應用時，雷達最大檢測目標數量為20個，可以為使用者提供戰術指引、戰術制定以及氣候檢測。不僅可以探測飛機等大型設備，而且檢測救生艇，甚至是潛望鏡等小型設備。

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行論證，本文主要采取定點雷達檢測方法進行模型分析。

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

圖2：目標轉動時散射點的移動

圖3：目標運動的分解圖

因為檢測目標物實際尺寸要遠遠小于自身與雷達之間的距離，所以檢測過程中目標物所具有的雷達檢測點之間差異性會被無限縮小。而這也是造成檢測目標平動分量不具備多普勒差異效應的基本原因。簡單而言，目標物上存在的所有檢測點都具有多普勒效應，但是所有效應全部相同。此時檢測回波在距離維上的運動情況就是包絡平移。從相位角度來說，也僅僅是增加了一個新的相位項。

圖4：ISAR處理算法流程

立足于多普勒效應而言，目標物的運行其實就是圖像的平移，所以平動分量無法為成像提供必要幫助。為保證此種狀態下雷達仍然可以正常發揮作用，會采用補償處理方將平動效應消除，此時目標物運動狀態就可以應用模型進行表示（如圖2所示）。

2.2 包絡對齊和自聚焦

從圖3圖形中可以總結出：當目標物從1號位置運動到2號位置時，其本身相對于雷達的運行情況可以分為兩種，也就是上文中提到的平動以及轉動分量。如果限定電磁波為平面照射，則目標物的平動分量運動狀態其實是從1號位置到3號位置的過程，此時目標物的所有檢測點都具有相同的多普勒效應，因此ISAR成像無法發揮正常作用。

對于目標轉動分量的分析可以從以下角度進行論述：目標物以目標點為中心進行圓周運動，也就是下圖中目標點在3號位置的運動形式。此種情況下，目標物上的參考點具有不同多普勒效應，并且隨著參考點與雷達之間距離的增加，多普勒效應會逐漸提升，這樣雷達就可以通過不同參考點之間的多普勒差異完成圖像確定，繼而完成精準成像目的。

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

上述論述中提出了兩種補償行為，第一種是包絡對齊補償，第二種是相位補償，但是因為二者的補償行為并非在同一量級，所以必須要對兩個補償進行合理處理，才能保證成像質量。通常情況下，針對以上補償問題可以采用以下方法進行處理：一方面進行包絡對其，將各個散射點拉回到同一單元；另一方面，進行初相校正，采用自聚焦方法，將回波相位進行線性處理。

具體而言，包絡對齊補償可以總結為以下內容：回波包絡在產生過程中將會存在一定的時間延遲，通過補償方法將存在的時間延遲消除，這樣就可以認為所有參考點可以處于同一距離單元，這就為目標信號的相干積累打下了堅實基礎。需要注意，在進行包絡對齊的過程中，對齊依據為距離分辨率，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。

立足于實際檢測角度而言，雷達不同回波脈沖之間的相關性較強，造成此種現象的主要原因在于目標檢測時，相鄰兩個檢測回波距離較短，同時雷達視線轉角較小。為了保證最終成像質量，需要對相關性補償進行深入研究。通常情況下，應用到的對齊算法可以發揮重要作用，并且只要回波信號強度符合要求，可以滿足各種程度的包絡對齊要求。而初相校正在實際應用過程中主要是通過參考點的確定，達到校正目的。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，另一種是參數估計方法，前者應用較為廣泛，但是總的來說，目前初相校正方法理論以及實踐研究已經步入成熟階段，可以取得良好的應用效果。

3 ISAR成像算法

立足于ISAR成像基本特點而言，因為目標物本身具有一定不確定性，無論是運行姿態還是速度、方向等都會發生改變，所以在相對運動之下所產生的陣列流型并不能達到理想狀態，也就是通常所說的均勻陣列，基于此種現狀，運動補償的存在也十分必要。

由于我們沒有任何運動目標的基礎信息，比如目標的形狀、尺寸、運動速度、加速度和運動軌跡等等，這樣就導致ISAR的運動補償必須立足于數據進行考慮，這也是與SAR運動補償的主要不同點，這也加大了ISAR成像的難度。而在另一方面，由于ISAR成像目標的尺寸相比成像目標與觀測距雷達的距離而言是極其小的，此時雷達發射的電磁波在照射到的目標區域可以近似認為是平面波，即同一條直線上的散射點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 結論

本文先介紹了逆合成孔徑雷達成像的研究意義與發展情況。第三節通過對目標運動的分解，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，并總結了經典的ISAR成像算法流程。