弹载合成孔径雷达成像处理算法综述

陈　勇，赵惠昌，陈　思，张淑宁

(南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京　210094)



弹载合成孔径雷达成像处理算法综述

陈勇，赵惠昌，陈思，张淑宁

(南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京210094)

0引言

合成孔径雷达(SAR)是一种具有高分辨率的微波成像雷达，其原理是利用雷达平台的运动来达到大孔径天线，从而获得方位向的高分辨率雷达图像。与光学、红外传感器相比，SAR具有全天候、全天时工作能力的独特优点[1]。将SAR技术应用于主动雷达导引头，既可用于中制导的弹道修正，又可用于末制导阶段的精确打击，特别是在强杂波背景下，SAR导引头可实现对地面固定目标、伪装或隐蔽目标、地面和海上运动目标群等的检测、识别与跟踪等，并能进一步提高雷达导引头识别目标要害部位的能力[2]。随着SAR信号处理技术的进步，大容量、高速并行计算技术的迅速发展，成像雷达信号处理的实时性得到很大提高，制约弹载SAR制导应用的瓶颈问题正逐步得到解决，弹载SAR已成为当前雷达导引头研制的热点之一。以SAR作为精确制导手段的目的是为了利用SAR获取地面高分辨率图像，然后经弹上计算机和已存储的参考图像进行景象匹配，根据匹配结果计算得到弹体位置，进而修正惯性导航系统(INS, Inertial Navigation System)误差，与机载SAR不同，弹载SAR具有高机动性、大斜视角和实时处理的特性，因此如何根据弹道设计和运动的状态来研究成像算法是弹载SAR 技术研究的核心内容[3-4]。因此，对于弹载SAR技术来说，首先要解决的就是成像算法的问题。本文根据弹载SAR运动特点，总结和分析了弹载SAR成像算法，并讨论了各种不同弹载SAR成像算法的优缺点。

1弹载SAR成像特点及传统SAR成像算法

1.1弹载SAR成像特点

如图1所示，弹载SAR成像与机载、星载SAR成像最明显的不同在于雷达平台的运动方式[5]，SAR的成像原理要求雷达平台保持匀速直线运动，机载和星载SAR的平台运动形式可以近似满足这一要求，但对于弹载SAR来说，由于导弹飞行的目的是突破防御攻击目标，飞行途中飞行姿态变化较大，在成像时间内，导弹垂直方向的速度使得弹载SAR在成像过程中不能满足载体匀速直线运动的条件，航迹的非线性导致弹载SAR的距离徙动现象十分严重，距离向与方位向信号存在耦合，造成目标斜距方程较为复杂，此时常规的SAR成像算法已经难以完成目标的精确聚焦，必须研究能够适应弹载环境的新成像算法。

图1　弹载SAR运动几何模型Fig.1　Missile-borne SARmotion geometry

1.2传统SAR成像算法

合成孔径雷达要完成对目标散射点的聚焦，必须解决雷达按理想几何模型飞行时散射点聚焦的计算问题，即成像算法问题。成像算法就是针对实际应用，精度满足要求，而又便于运算的方法来完成回波信号在距离和方位的解耦合，以及多普勒信号的相干积累。在SAR成像处理中常用的算法有RD算法、CS算法、PF算法和ωK算法。

1)RD算法

距离多普勒(RD, Range Dopple)算法是一种比较早而且广泛使用的SAR成像算法[6]，这种算法物理概念很直观，它是通过对两维滤波器的近似，将SAR成像中的距离和方位的两维处理分离为两个级联的一维处理，采用分维处理，即先距离压缩后方位压缩，即可完成SAR成像过程。RD算法的主要特点在于RCMC的距离多普勒域实现以及每次都基于一维的运算操作。但是当距离徙动较大时，其运算量迅速增加，成像精度降低，不适合弹载SAR的实时成像。带有二次距离压缩的改进RD算法可以完成距离徙动较大时的成像处理，但其采用了插值运算，也不适用于弹载SAR的实时成像。

2)CS算法

线性调频变标(CS，Chirp Scaling)算法[7-10]常用于雷达信号波长较长或分辨率要求较高、距离和方位存在耦合的场合，且距离徙动是空变的，即由距离弯曲引起的耦合部分在条带场景内是变化的，这时的多普勒域解耦合算法要具有位移修正量随纵向距离而改变的功能。CS算法对距离徙动的处理采用CS操作与平移结合的方法，利用CS操作消除距离的空变特性，然后利用平移对所有散射点剩余的距离徙动进行统一校正。CS操作的本质对线性调频回波乘上一个小调频率的线性调频信号，使回波的相位发生改变，经过压缩后使散射点包络位置发生改变，这种操作对离参考距离越远的散射点的位置移动越大，对离参考点越近的散射点的位置移动越小，从而满足距离徙动校正的空变性。但是该算法没有考虑SRC随目标距离的变化，仍然无法解决SRC随距离变化的问题。非线性CS(Nonlinear Chirp Scaling，NCS)算法[11-14]通过对更高次相位的补偿，解决了测绘带内SRC随距离变化的问题，但其处理方法过于复杂而实际应用较少。

3)PF算法

极坐标格式(Polar Format, PF)算法[15]是一种典型的聚束SAR成像算法。该算法对回波信号进行Dechirp接收，在时域将参考点回波信号作为参考解调信号对回波信号进行解调，解调后的信号经二维插值，再做二维FFT得到图像。该算法通过对信号用极坐标格式记录来消除距离徙动的影响，解决了聚束模式回波信号穿越分辨单元的问题，但其主要缺点也是需要二维插值运算，成像处理时间长，不适合弹载SAR的实时成像。

4)ωK算法

波数域(ωK)算法[16]是在二维频域通过与选定距离参考函数相乘，并通过Stolt插值来校正距离方位耦合与距离时间和方位频率的依赖关系的一种算法。由于ωK算法采用的是完全精确的表达形式，因此ωK算法具有对宽孔径或大斜视角数据的处理能力。但由于该算法是在假设等效速度不随距离发生变化情况下推导的，限制了对宽测绘带SAR数据的处理能力，其次由于需要在二维频域进行插值处理，成像处理时间长，难以做到实时成像。

2弹载SAR成像算法研究现状

在SAR成像算法的研究过程中，推导回波信号的二维频谱表达式是首要的一步[17]。由于弹载SAR目标斜距方程中根号下存在慢时间的四次项，直接使用POSP(驻相点法)推导信号二维频谱表达式需要解六次方程，而根据阿贝耳定理，六次方程没有一般的代数解法，因此，如何获得信号二维频谱表达式，成为弹载SAR成像算法研究的一个难点。弹载SAR成像算法是针对弹载SAR平台运动特点的一类算法，不同的运动模式，选择相应的成像算法。按不同工作模式分类，主要包括大斜视成像算法、大场景成像算法、非匀直弹道成像算法和前视成像算法。

2.1大斜视成像算法

大斜视成像算法[18-19]主要用于弹道处于平飞巡航段，弹载SAR对飞行方向前方区域进行成像，根据指定的地面目标区间，搜索有价值目标，对确定的地面目标区间进行高分辨率成像，确定要攻击的地面目标。对斜视SAR，一般将斜视角小于45°的情形称为小斜视SAR，而斜视角大于45°的情形称为大斜视SAR。但是，大斜视SAR存在较为复杂的成像几何模型，回波数据的方位向和距离向的耦合较为严重，因此，大斜视SAR成像是雷达信号处理中一个重大的挑战。弹载大斜视成像算法主要以CS算法和FS算法改进为主。

1)CS算法的改进

CS算法将场景各处的距离徙动量先变换成一样，再作统一校正，解决了空变性的问题，为了在弹载大斜视情况下得到更好的成像结果，各种算法通过不断提高回波模型近似的精度，获得更好的成像效果。针对大斜视SAR回波信号的大距离走动、小距离弯曲的特点，文献[20]提出了一种将时域去走动和CS算法相结合的成像算法，该算法首先通过校正距离走动减小二维耦合项，然后通过CS操作校正距离弯曲，最后再通过几何校正将场景中的目标恢复至正确的位置，完成目标成像，经过时域去走动处理后，距离向和方位向的耦合大大降低，该算法可满足大斜视角和较大测绘带宽度的成像要求。针对弹载SAR大斜视所造成的频谱混叠问题，文献[21]建立了大斜视加速运动模型，通过引入新的CS因子，补偿了导弹在三方向速度和加速度的影响，有效解决了距离频谱混叠问题，并通过引入方位deramp处理方法，有效解决了方位多普勒频谱混叠问题，提高了点目标图像的聚焦效果。CS操作会使距离向频谱随斜视角的增大而产生偏移，扩展的CS合成孔径雷达大斜视模式成像研究算法克服了这个问题，文献[22]提出了一种采用距离向变标处理的扩展CS算法，研究了弹载SAR大斜视工作模式和成像匹配过程中遇到的问题，并给出了相应的图像配准方法，但仍然无法解决SRC随距离变化的问题。文献[23]提出了采用一种改进的非线性调频变标(Nonlinear Chirp Scaling, NCS)算法，非线性CS算法通过对更高次的相位补偿，解决了测绘带内SRC随距离变化的问题，该算法通过二维频域中补偿参考距离处二阶以上的相位耦合项，减小了整个测绘带高阶耦合项，其次，采用两次调频变标来完成聚焦，在第一次变标过程中采用四次多项式模型，同时引入常量因子消除常规NCS中多普勒参考频率须在频带范围外的限制，在第二次变标过程中，消除常量因子的影响，该算法具有较高的精度，能够满足大斜视角的SAR成像要求，但其处理方法过于复杂而实际应用较少。

2)FS算法的改进

频率变标(Frequency Scaling)算法不需要信号在距离上是线性调频的，它直接对解线调后的信号进行处理，应用频率变标技术，在消除信号剩余相位项的同时校正距离徙动。针对聚束SAR回波信号方位向频谱混叠和大斜视时距离向和方位的严重耦合的问题，文献[24]提出了采用结合方位向deramp和非线性频率变标(NFS)的斜视聚束SAR成像算法，由于该算法在方位向进行deramp操作，消除了方位频谱混叠，然后又通过非线性频率变标并考虑距离向时频变换的标度变化补偿方位相位，实现的场景成像，因此该算法可有效消除方位频谱混叠，具有较高的精度，能满足大斜视聚束SAR的成像要求。针对大斜视导致的成像效果不佳的问题，文献[25] 提出一种基于严格解析双基频谱的大斜视频率变标(FS)成像算法，该算法首先通过回波信号变换到二维频率域，利用由严格解析双基频谱推导出的频率变标函数校正距离弯曲差，然后进行剩余视频相位校正完成包络去斜，再进行逆频率变标操作消除二次相位误差，经过距离徙动校正后，再进行非线性变标操作消除由大斜视导致的随距离变化的二次距离压缩项，最后经过距离压缩和方位压缩完成整个成像过程，该算法成像效果良好，点目标冲激响应的主副瓣可清晰分辨。

2.2大场景成像算法

对于弹载SAR成像来说，其目的是获取目标或目标附近典型地物地貌特征信息，形成实时图，并与预先准备好且存储在导弹中的基准图进行图像匹配，根据图像匹配处理结果以及SAR工作的几何关系推算出导弹当前较精确的位置信息，这时需要对较大场景目标进行成像。SAR成像过程中，相同距离单元的散射点，其距离徙动轨迹的形状相同，而不同距离单元的散射点距离徙动的轨迹不同，即距离的弯曲的曲率差不同，也就是说距离徙动在距离上是空变的。对于大场景成像时，由于成像范围较大，加之导弹的非匀速直线运动，弹载SAR与目标之间的距离在合成孔径时间内发生变化，导致回波信号中距离向和方位向信号发生耦合，使得成像成为一个复杂的二维处理过程。

适合于大场景成像的处理方法[26]有极坐标格式(Polar Fomation，PF)算法、距离徙动(Range Migration，RM)算法和CS算法等数种。PF算法的主要过程包括：去调频完成距离压缩处理，之后通过傅里叶变换把信号变换到频率域，进行匹配滤波，变量置换，把极坐标格式记录的数据插值为直角坐标系数，最后通过二维逆傅里叶变换回到时域重建图像。采用极坐标格式对回波数据重新记录的方法可以在整个成像范围内基本消除弹载SAR与目标之间的相对转动造成的距离徙动现象，从而获得高质量的聚焦图像，但是，PF算法的二维插值运算的计算量很大，还必须对距离去调频处理引起的残余视频相差进行补偿，当超高分辨率成像时，算法忽略波前弯曲影响的近似性使成像质量变差。RM算法是基于散射模式进行推导的，无需假定照射波前是平面的，因而不存在PF算法中波前弯曲导致的散焦和几何失真等问题，RM算法也是经过一维方位傅里叶变换将信号变换到距离-多普勒域，通过二维信号相位调整，距离向一维插值，然后进行二维逆傅里叶变换完成成像处理，RM算法需要比PF算法更高的方位采样率，并且必须应用插值计算，这不仅增加了计算量，也会降低成像质量。极坐标格式算法和距离徙动算法虽然能够在二维频率域进行距离和方位的解耦合，但共同的缺点是需要插值来完成，这需要很大的运算量。CS算法是一种适用于大距离徙动的精密成像处理算法，与RM成像算法不同的是该算法只需要傅里叶运算，无需插值操作，效率更高。

2.3非匀直弹道成像算法

非匀直弹道成像算法主要用于导弹做俯冲加速运动，弹道不是理想的匀速直线运动的成像算法。导弹垂直方向的速度使得弹载SAR在成像过程中不能满足其载体匀速直线运动的条件，航迹的非线性带来距离走动、几何畸变、多普勒参数变化等一系列问题。该运动特点导致弹载SAR的距离徙动现象十分严重，距离向信号与方位向信号存在耦合，在合成孔径时间内距离徙动可能跨越上百个距离门，导致一些适用于机载、星载SAR匀速直线运动下的成像算法成像精度降低甚至无法成像。弹载飞行条件下出现的SAR图像散焦现象是主要由平台运动偏离理想航迹和非匀速运动引起的非均匀采样间隔造成的，有关非理想航迹的SAR成像算法主要采用运动补偿。

1)子孔径处理

子孔径处理方法[27]是基于相位近似的时域算法，对于线性调频(LFM)信号，其二次相位在一定误差范围内可以分段近似成线性相位，按线性相位的特点对数据进行处理从而使处理过程得到简化。文献[28—29]将导弹飞行模型近似为直线，从而转化为斜视成像，该算法对于导弹水平方向速度较大的情况下是适用的，当垂直方向速度较大时此算法近似很难成立。文献[30]采用子孔径处理的方法探讨了弹载SAR在导弹下降过程中信号的特性和成像的可能性,该算法克服了多普勒参数变化大的问题，能够得到聚焦良好的子孔径图像，但由于没有利用全部回波信号，方位向的分辨率降低。文献[31]通过引入了等效成像平面概念，分析了弹载SAR在导弹下降飞行过程中的成像及图像的几何校正的问题，并根据SAR成像期间内导弹下降飞行的特点，建立了SAR工作的空间几何模型和目标距离表达式及几何失真校正的数学模型,但是在实际工作中，由于成像的子孔径中心时刻的高度和速度等均存在误差，子孔径时间内雷达所运动的路径并非严格的直线以及其他一些因素的影响，经几何校正的图像和实际的场景之间会存在一定的误差。

2)全孔径处理

文献[32—33]研究了基于ECS算法的等速俯冲、等加速度俯冲以及高速俯冲条件下的距离徙动校正和相位补偿因子，提出了一种等效正侧视的工作模式，在这种模式下场景中心处目标的距离徙动较小，可以实现成像功能，但由于实际条件的限制，一般情况下会偏离这种等效正侧视工作模式，因而该算法的使用也受到一定的限制。文献[34]利用改进的CS成像算法进行成像处理，该算法考虑了变加速运动的影响并采用谱选择技术解决了方位向非均匀采样的问题，但在距离徙动校正时采用了插值处理，一方面增加了运算量，另一方面校正的精度取决于插值的精度。文献[35]通过级数反演法将斜距表达式展开为慢时间的泰勒级数后反演得到二维频谱的高阶近似式，提出了一种适用于弹载SAR俯冲加速运动的成像算法，该算法采用了全孔径处理并能够精确地校正距离徙动从而提高了方位向的分辨率，但是实际弹载SAR在水平方向和垂直方向均具有较大的速度和加速度，因而在距离向和方位向均不具有平移不变性，因而该算法只适用于单点目标或者场景中心附近小范围区域的成像。 文献[36] 在级数反演推导二维频谱的基础上采用CZT(Chirp-Z Transform)成像算法进行成像处理，该算法利用CZT变换校正空变的距离徙动，可用FFT高速实现，提高了成像的效率和精度。文献[37—38] 提出了弹载SAR的方位NCS(Nonlinear Chirp Scaling)成像算法，该算法在距离徙动校正和距离压缩处理之后，通过引入方位非线性变标操作，补偿变化的多普勒调频率，并校正图像方位畸变，从而改善了方位聚焦深度和聚焦质量。

2.4前视成像算法

根据前阶段的成像结果，SAR导引头在二维图像域维持对目标的锁定跟踪并利用成像处理结果对导弹的飞行方向不断调整和控制，使其逐步转入攻击方向(前视)，在该阶段，导弹转为对目标实施攻击，由于攻击目标的需要，导弹在飞行末段时处于前视工作状态。此时如能采用具有前视成像功能的合成孔径雷达导引头则可以提高目标命中精度，实现实时侦察与打击。对于弹载前视SAR来说，由于导弹的飞行方向和雷达的照射方向一致，距离向和方位向存在严重耦合[39-40]，因而现有的SAR成像方法无法覆盖飞行路线正前方目标，也就是说现有的单站SAR系统不具备前视高分辨率能力，在成像区域上存在固有盲区。

前视SAR成像系统的研究在国外和国内都刚处于起步阶段，几乎没有公开发表的文献和资料。近年来，国外提出了一种能对飞行路线正前方扇形区域进行成像的新型机载前视SAR系统——用于视景增强的新型区域成像雷达(SIREV)，文献[41—42]介绍了该前视SAR系统的基本参数及工作原理，该系统采用“收发分置”的工作方式，载机前部刚性安装了一个阵列天线，天线收发单元等间隔排列，发射单元以高脉冲重复频率(PRF)发射大时宽带宽积信号，各接收单元依次接收回波信号，通过相参数据采集与处理，等效于在方位向(阵列天线方向)形成一个长的合成孔径。文献[43]针对弹载SAR存在前视盲区的问题，通过设计曲线飞行轨迹将导弹前视成像转换为前斜视的RD成像算法。首先利用距离方程的高阶近似表达式，在时域作距离徙动校正，并通过级数反演法获得二维频率域表达式，在此基础上给出了成像算法，最后通过二维匹配滤波获得成像结果。

3结束语

弹载SAR技术作为SAR技术在精确制导领域的应用，可有效提高导引头的制导精度、目标识别能力和抗干扰性能，其研究具有广泛的应用价值和发展潜力。本文在广泛查阅文献的基础上，从非匀直弹道成像、大斜视成像、大场景成像和前视成像不同阶段，对弹载SAR成像算法进行了较为全面的综述。弹载SAR技术的发展趋势决定了成像算法的发展趋势，在工程应用方面，尽可能对成熟的算法进行改进，使其具备更广泛的应用范围。

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摘要:弹载合成孔径雷达(SAR)成像是近年来雷达成像领域的研究热点之一。在介绍弹载SAR成像特点和传统SAR成像算法理论基础上，根据弹载SAR运动特点，对弹载SAR成像算法进行了总结和分析。通过分析各种弹载SAR成像算法的优缺点，讨论了弹载SAR技术应用中有待解决的问题，对弹载SAR成像算法的研究现状和发展趋势进行了较为全面的综述。

关键词:弹载合成孔径雷达；成像算法；非匀直弹道

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

中图分类号:TN957.52

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2015)06-0001-06

作者简介:陈勇(1979—)，男，江苏高邮人，博士研究生，讲师，研究方向：弹载SAR成像。E-mail：hytccy@hotmail.com.

基金项目:国家自然科学基金项目资助(61301216)；江苏省普通高校研究生创新基金项目资助(CXZZ130206)

*收稿日期:2015-07-02