雷达成像技术发展简述

刘玉春，樊 宇，豆桂平

（1.周口师范学院 物理与机电工程学院，河南 周口466001；2.周口师范学院 教育科学学院，河南 周口466001）

雷达成像技术起源于20世纪50年代，是20世纪雷达技术一个里程碑式的发明［1］.相比于光学成像系统，成像雷达无光照条件要求、能够穿透云雾，因此可以全天候、全天时工作，特别适用于军事侦察领域.雷达成像技术一经问世，就得到了各军事大国的高度重视，对其投入极大热情和精力，新技术和新应用不断涌现.

60多年来，雷达成像技术得到了长足发展，理论体系已经基本完善.其应用领域非常广泛，既能用于战场侦察、目标分类与识别等军事领域，也能用于地形测绘、震区灾情评估、农作物长势调查等民用领域，甚至可以测量出每年1mm的陆地沉降，能够发现撒哈拉沙漠下的地下古河道.正是因为在诸多有关国计民生领域内的大量应用，雷达成像技术发展程度在某些方面代表了一个国家的综合国力水平.

1 雷达成像技术发展历程和发展状况

按成像方式来划分，雷达成像技术可以分为实孔径雷达成像和合成孔径雷达成像（SAR，Synthetic Aperture Radar）两种.

在展开具体叙述之前，首先明晰两个概念：分辨率和分辨力.分辨率是指能够区分两个点目标的最小距离，所以分辨率越小则成像效果越好；分辨力指的是成像的分辨能力，一般分辨力越高则成像效果越好.

实孔径雷达在距离上的高分辨主要靠发射大带宽信号，然后通过距离压缩得到，其距离分辨率为C／2B，其中C为光速，B为信号带宽，因此若要提高其分辨力，只需增加信号带宽即可，比较常见的是采用chirp信号.其方位分辨率为Rλ／D，其中R为目标到雷达距离，λ为信号波长，D为天线孔径.可见，在目标距离不变的情况下，若要提高分辨精度，可以采用增加信号频率或增大天线孔径的方式.实际上，一般情况下，雷达信号频率根据其工作要求有特定的波段，比如机载SAR一般用X波段（8～12GHz）信号，所以提高实孔径成像雷达方位分辨率的主要手段是增大天线孔径.因此实孔径雷达成像技术有两个致命缺陷：（1）对远距离目标成像时，所需天线孔径过大.例如，如果信号频率为10GHz，对20km外目标成像，如果要达到1m的方位分辨率，则所需的天线孔径为600m，这就使得系统制造难度和设备成本大大提高，而且成像系统极易受到敌方攻击.另外，在某些情况下（比如星载或机载），成像雷达携带这么大的天线是不可想象的.（2）其分辨率与距离成正比，换言之，离雷达越远，其分辨力越差，使最后结果的可读性变差.这两个问题严重制约了实孔径雷达成像技术的应用.

1951年，美国Goodyear Aerospace公司的Carl Wiley提出了多普勒波束锐化的概念，即通过多普勒频移分析提高波束垂直方向上的分辨力.实际上，如果将其用于雷达成像技术上，通过多普勒波束锐化就可以提高方位分辨力，就构成SAR成像的理论基础.1952年，Illinois大学研究人员提出了SAR的概念.Carl Wiley总结认为，多普勒波束锐化和SAR这两个概念只不过是分别从频域和时域是对自己所提理论的解释而已.

SAR将雷达置于运动平台上（比如机载或星载），在成像过程中，运动平台相对于目标的位置不断发生变化，通过记录和处理不同位置目标的回波信号，可以得到其多普勒频移，进而实现其方位高分辨.其理论方位分辨率为D／2，其中D为天线孔径.可见SAR可以用一个小孔径天线实现方位高分辨，而且在成像区域内不同距离上目标的分辨率是相同的，刚好克服了实孔径雷达成像技术的两大缺陷.在距离分辨率上，SAR成像技术采用的方法与实孔径雷达成像相同，靠通过大带宽回波信号的距离压缩得到距离高分辨.

SAR成像技术的发明是雷达成像技术的一个标志性事件，大大促进了雷达成像技术的发展.从此之后，SAR成为成像雷达的主要形式，所以一般认为雷达成像技术起源于20世纪50年代.20世纪60年代，科研人员提出了逆合成孔径雷达（ISAR，Inverse Synthetic Aperture Radar）的概念，即固定雷达对运动目标进行成像，其基本成像原理与SAR一致，靠分析由于雷达和目标之间的相对运动而产生的多普勒频移得到方位高分辨.20世纪50、60年代，SAR／ISAR成像要利用激光波束和透镜组来完成聚焦，设备复杂，并且成像结果与操作员水平有很大关系，无法进行自动化处理.20世纪70年代，军用SAR成像技术开始对民用领域开放.在1978年，开始用数字处理器来处理SAR数据.同年，MacDonald Dettwiler和Jet Propulsion Lab同时独立推出了精确数据处理算法：距离多普勒 （RD，Range Doppler）算法.之后，随着计算机技术的快速发展，数字化方法开始成为SAR成像的主流处理方法.30多年来，在数字化处理范畴内，又提出了线性调频变标（CS，Chirp Scaling）算法和OMEGA－K算法等经典算法，并且对RD算法、CS算法和OMEGA－K算法进行了多次改进.

目前单基（收发公用同一天线）雷达成像技术已经比较成熟.SAR成像可以细分为条带、扫描和聚束等多种模式，分辨率可以达到亚米级，大场景成像效果可与光学图像媲美.相比SAR而言，ISAR要对非合作运动目标成像，目标运动姿态和路径无法控制，其过程更为复杂，但是现在已经能够获取大部分运动目标的精细图像，比如能分辨出飞机上的螺旋桨.ISAR成像算法更多一些，根据其成像方式大致可以分为三类［2］：（1）基于傅里叶变化的成像方法，比如RD算法、Keystone走动校正算法、极坐标算法等；（2）基于现代信号谱估计的超分辨成像，比如Capon算法、最大似然算法、MUSIC算法、ESPRIT算法等；（3）基于非平稳信号处理的成像方法，比如基于Radon－Wigner方法的滤波反投影算法、基于自适应chirplet分解的成像算法等.

2 双基雷达成像技术与无源雷达成像技术

现代战争中，随着制电磁权的竞争加剧，传统的单基雷达（即收发公用同一天线的雷达）面对着反辐射导弹、电磁干扰、隐身技术、低空突防等四大威胁，其生存环境日益恶化，成像雷达亦是如此.因此，为提高成像雷达系统的生存能力，在单基雷达成像技术的基础上，研究人员对双基雷达成像技术和无源雷达成像技术产生了浓厚的兴趣.

2.1 双基雷达成像技术

双基雷达是指将收发天线在物理上分置两处的雷达，系统可以将发射机放在离目标较远的安全区域，而将接收机靠近目标进行监视［3］.由于收发分置，双基成像雷达相比于单基成像雷达的突出优势在于：接收机静默，抗干扰能力和生存能力大大提升；系统构型灵活，可以获取更丰富信息，并且能够构成一发多收的成像网络系统；有一定的反隐身能力.当然，从另一方面看，系统复杂度提高也增大了成像难度：成像过程中运动误差增大，运动补偿难度增加；由于信号斜距历程在双基模式表现为双平方根形式，使得信号频谱的推导和聚焦过程均变得复杂，加大了成像算法设计难度.

严格地说，双基雷达并不是一种新体制雷达，在1937年第一次将双工器用在雷达上之前，雷达都是采取双基形式.双工器发明后，单基雷达成为雷达的主要形式.20世纪70年代，人们开始了双基SAR成像研究.在1983年得到了双基SAR图像.由于单基SAR成像技术简单易行，80年代双基SAR成像技术并没有得到广泛重视.90年代，双基SAR成像技术成为微波遥感领域内的研究热点.目前一系列星载、机载、星载／机载混合和接收机固定等构型的双基SAR系统的成像理论与实验平台开始陆续出现.2000年后，国内一些科研单位开始对双基SAR成像理论做深入研究.中国张直中院士2005年撰文指出 “双基地SAR的优越性使之成为今后10年发展的重点”［4］，事实证明这是很有前瞻性的论断.2007年，电子科技大学进行了机载双基SAR非同步条件下的外场试验，取得较好结果［5］.西安电子科技大学对成像算法方面进行了系统研究，提出了基于双基几何关系的波数域算法［6－7］.总体上，国内双基SAR研究还处于试验探索阶段，存在较大的研究空间.

2.2 无源雷达成像技术

无源雷达成像技术中的成像系统自身不带发射机，不对外辐射电磁信号，借助外部非协同式的辐射源来进行成像.从本质上讲，无源雷达成像技术属于双基雷达成像技术的范畴.由于无源雷达成像系统不带发射机，所以无源雷达成像系统的生存能力更强，其成本也更低，有较强的军事应用潜力，近年来得到了广泛的研究.根据其外辐射源信号的带宽，外辐射源雷达成像技术可以分为两类：第一类外辐射源带宽较大，比如将GPS的P码和M码合成可获得带宽为20MHz的信号，将GALILEO系统E5载频（E5a＋E5b）合成可获得带宽为20～50MHz的信号［8］，对于此类外辐射源信号，可以借鉴常用的雷达成像算法进行处理，比如RD、CS、OMEGA－K等成像算法，其处理原理仍然是通过距离压缩实现距离高分辨，通过方位压缩实现方位高分辨；第二类外辐射源信号带宽较小，比如调频广播信号的带宽仅为15kHz，在常规的成像算法中其距离分辨率为10km，显然对于此类外辐射源信号必须研究新的成像算法才能实现高分辨成像.

在无源雷达成像技术中，研究人员已经对上述的第一类（外辐射源为宽带信号）情况进行了较为深入的研究［9－11］.相对于第一类情况，第二类（外辐射源为窄带信号）情况的研究还处于初步理论探讨阶段，理论体系并不完善.由于外辐射源为窄带信号，所以很难通过距离压缩得到距离高分辨，这导致了处理过程更为复杂，再加之保密需要（比如美国的“沉默哨兵”系统能够提供目标的2D实时跟踪，经过非实时处理可以得到3D图像），目前国际上仅有少量相关学术论文出版［12－13］.美国依利诺斯大学基于FISC（Fast Illinois Sover Code）数据建模仿真进行研究，考虑了Gaithersburg附近37个电视台和广播电台的分布情况，并选用了其中的22个电视台和广播电台作为照射源，利用仿真数据研究了成像方法及发射台的位置以及系统配置的选择对成像质量的影响.美国林肯实验室在美国空军研究实验室（AFRL）支持下，通过实验与电磁建模相结合的方式，利用电台及电视信号实现了外辐射源雷达成像.

在中国基于民用窄带信号的外辐射源雷达成像技术领域，西安电子科技大学展开了基于调频广播／电视等民用窄带信号的外辐射源ISAR成像技术研究，提出了基于极坐标的频域［14］、时域［15］、ESPRIT超分辨［16］等系列成像算法.此外，国内一些其他科研单位也开展了卓有成效的工作.从物理波方程角度出发，文献［17］建立不需要发射源波形信息的外辐射源分布式孔径探测的回波模型.而在多个接收机情况下，文献［18］通过对不同接收机的回波相关进行滤波反投影而重建场景辐射率.文献［19－20］将压缩感知技术引入外辐射源成像，研究了基于压缩感知的超分辨算法.

3 雷达成像技术发展趋势

总体看来，雷达成像技术的发展趋势呈现下面几个特点.

（1）高分辨力.分辨力越高，则获取的信息越丰富，对目标的识别能力也就越强，因此高分辨力是雷达成像性能最重要的指标，也是研究人员不断追求的目标.一般可以采用两种途径得到高分辨像，一是从成像系统入手，比如增大信号带宽来提高其距离分辨率，采用聚束成像模式得到目标更多信息；二是采用现代信号处理技术进行超分辨成像，比如采用压缩感知［19－20］、ESPRIT［16］等超分辨成像算法.

（2）三维成像.通过对目标进行三维成像，可以为人们提供更为直观的信息.目前单／双基雷达三维成像的研究已经比较深入［21］，而无源雷达三维成像的研究也已经开展［22］.

（3）网络化.将不同工作模式下的雷达成像系统整合为大的成像网络，其原因在于：能够增加整个系统的鲁棒性，其中一个节点出故障或受到攻击，其他节点仍然可以有效工作；系统的反隐身能力大大增强，实际上多频率、多角度照射是目前反隐身的一个有效手段［23］.

4 结束语

雷达成像技术是雷达理论研究的一个热点领域.随着研究的深入，雷达成像技术的应用范围越来越广泛，在国计民生中发挥着不可替代的作用.笔者就雷达成像技术的发展历程和发展状况作了论述，对其发展趋势作了判断.总体而言，由于雷达成像技术的特殊作用，在今后相当长的时间内，还会不断有新理论和新方法对其进行完善，其研究方兴未艾.

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