一种ISAR成像方法

文/赵为伟 郝文欣

立足于实际应用角度而言，逆合成孔径雷达的功能较为全面，并且适应性良好，可以实现全时段监测与远距离成像，不仅可以在雷达当中捕捉既定目标，而且可以知晓既定目标的具体信息，这对于我国军事科技发展以及民生建设有着重要意义，随着技术的不断革新，ISAR成像技术仍然在不断完善。因此，对ISAR成像技术的研究有着鲜明现实意义。

1 研究背景与意义

ISAR成像技术主要应用了高分辨微波技术，通过对传统雷达进行改造，促使雷达效用提升，可以在任何时间、任何天气下正常发挥监控作用，并且可以应用微波实现成像。ISAR的成像原理和合成孔径雷达的成像原理是相同的，一般假设目标运动而雷达不动。

通过对ISAR的应用情况进行分析，可以将该类技术设备成像过程进行如下总结：实际应用时，ISAR将会发射宽带线性调频信号，然后在距离维的不断作用，应用脉冲压缩得到高分辨图像。或者是发射调频步进信号也可以达到成像目的，因为调频步进信号可以在处理之后合成宽带信号。要注意，如果检测距离维是一种异向相干信号，则需要对检测回波进行必要处理，通常情况下会采用回波补偿的方法获得准确的相干信号。而检测与成像过程中涉及到的方位分辨率，则是相干信号作用之下所形成的结果。

实际检测时，因为检测物体具有一定特殊性，通常情况下物体一直处于运动状态，所以最终检测的信号基本上为非相干信号，这就证明运动补偿是一种必要行为，也只有这样才能进一步提升ISAR检测效果。

图1：机载Ocean Master 400雷达

立足于现阶段技术应用情况而言，ISAR技术在军事领域中的应用较为广泛，尤其是机载雷达，基本上全部融合了ISAR技术。目前，市面上流通最为广泛的ISAR机载雷达型号为“Ocean Master 400”，由法国和德国共同开发（如图1所示）。设备具体参数可以总结为以下内容：雷达中心频率为9GHz；测试最大探测距离为30千米；测试最大分辨范围为3米；分机组件实际重量大约为85kg；信号带宽可以达到600MHz；检测范围为全方位检测。从上述分析结果中可以知晓该类型雷达的性能较为优越。并且，实际应用时，雷达最大检测目标数量为20个，可以为使用者提供战术指引、战术制定以及气候检测。不仅可以探测飞机等大型设备，而且检测救生艇，甚至是潜望镜等小型设备。

2 ISAR成像原理

2.1 ISAR成像的几何模型

几何模型的分析可以从多个角度进行论证，本文主要采取定点雷达检测方法进行模型分析。

在检测过程中，要求雷达位置固定，检测物体自行运动，此种背景下被检测目标的运动状态可以分为两种情况：第一种情况，目标与电磁波平面直线相同，这时对于雷达而言，目标物不存在任何变化情况，针对此种状态，将其定义为净平动分量。第二种情况，间检测目标限定为检测目标物上的某一个点，此时目标物相对于雷达的运行姿态，可以看做是在进行圆周运动。针对此种状态，可以将其定义为转动分量。

图2：目标转动时散射点的移动

图3：目标运动的分解图

因为检测目标物实际尺寸要远远小于自身与雷达之间的距离，所以检测过程中目标物所具有的雷达检测点之间差异性会被无限缩小。而这也是造成检测目标平动分量不具备多普勒差异效应的基本原因。简单而言，目标物上存在的所有检测点都具有多普勒效应，但是所有效应全部相同。此时检测回波在距离维上的运动情况就是包络平移。从相位角度来说，也仅仅是增加了一个新的相位项。

图4：ISAR处理算法流程

立足于多普勒效应而言，目标物的运行其实就是图像的平移，所以平动分量无法为成像提供必要帮助。为保证此种状态下雷达仍然可以正常发挥作用，会采用补偿处理方将平动效应消除，此时目标物运动状态就可以应用模型进行表示（如图2所示）。

2.2 包络对齐和自聚焦

从图3图形中可以总结出：当目标物从1号位置运动到2号位置时，其本身相对于雷达的运行情况可以分为两种，也就是上文中提到的平动以及转动分量。如果限定电磁波为平面照射，则目标物的平动分量运动状态其实是从1号位置到3号位置的过程，此时目标物的所有检测点都具有相同的多普勒效应，因此ISAR成像无法发挥正常作用。

对于目标转动分量的分析可以从以下角度进行论述：目标物以目标点为中心进行圆周运动，也就是下图中目标点在3号位置的运动形式。此种情况下，目标物上的参考点具有不同多普勒效应，并且随着参考点与雷达之间距离的增加，多普勒效应会逐渐提升，这样雷达就可以通过不同参考点之间的多普勒差异完成图像确定，继而完成精准成像目的。

上述分析过程中提出，平动分量的目标物运动其实就是进行包络平移，仅仅是位置与相位发生了变化。此种情况下，如果限定目标运动形式为匀速，则可以通过对齐补偿达到成像目的。但是对其补偿之后会多出一个相位项，此项最终会影响图像成像。针对此种问题，需要对初相进行校正，通常情况下会采用自聚焦方法达到上述目的。

上述论述中提出了两种补偿行为，第一种是包络对齐补偿，第二种是相位补偿，但是因为二者的补偿行为并非在同一量级，所以必须要对两个补偿进行合理处理，才能保证成像质量。通常情况下，针对以上补偿问题可以采用以下方法进行处理：一方面进行包络对其，将各个散射点拉回到同一单元；另一方面，进行初相校正，采用自聚焦方法，将回波相位进行线性处理。

具体而言，包络对齐补偿可以总结为以下内容：回波包络在产生过程中将会存在一定的时间延迟，通过补偿方法将存在的时间延迟消除，这样就可以认为所有参考点可以处于同一距离单元，这就为目标信号的相干积累打下了坚实基础。需要注意，在进行包络对齐的过程中，对齐依据为距离分辨率，所以时间延迟并不会超可控范围，通常情况维持在1/4～1/8脉冲宽度之间。

立足于实际检测角度而言，雷达不同回波脉冲之间的相关性较强，造成此种现象的主要原因在于目标检测时，相邻两个检测回波距离较短，同时雷达视线转角较小。为了保证最终成像质量，需要对相关性补偿进行深入研究。通常情况下，应用到的对齐算法可以发挥重要作用，并且只要回波信号强度符合要求，可以满足各种程度的包络对齐要求。而初相校正在实际应用过程中主要是通过参考点的确定，达到校正目的。常用的初相校正方法有两种，第一种是上文提到的自聚焦方法，另一种是参数估计方法，前者应用较为广泛，但是总的来说，目前初相校正方法理论以及实践研究已经步入成熟阶段，可以取得良好的应用效果。

3 ISAR成像算法

立足于ISAR成像基本特点而言，因为目标物本身具有一定不确定性，无论是运行姿态还是速度、方向等都会发生改变，所以在相对运动之下所产生的阵列流型并不能达到理想状态，也就是通常所说的均匀阵列，基于此种现状，运动补偿的存在也十分必要。

由于我们没有任何运动目标的基础信息，比如目标的形状、尺寸、运动速度、加速度和运动轨迹等等，这样就导致ISAR的运动补偿必须立足于数据进行考虑，这也是与SAR运动补偿的主要不同点，这也加大了ISAR成像的难度。而在另一方面，由于ISAR成像目标的尺寸相比成像目标与观测距雷达的距离而言是极其小的，此时雷达发射的电磁波在照射到的目标区域可以近似认为是平面波，即同一条直线上的散射点同时被电磁波照射到，这样在一定程度上简化了ISAR成像模型。

ISAR的处理流程一般如图4所示。

4 结论

本文先介绍了逆合成孔径雷达成像的研究意义与发展情况。第三节通过对目标运动的分解，研究了ISAR成像所需要的几何模型，分析了ISAR方位成像的具体原理以及各类处理方法，并总结了经典的ISAR成像算法流程。