制导与控制

雷达的目标成像技术

摘 要 为提高雷达的探测精度,研究了雷达的目标成像技术,并以该技术为代表探讨了合成孔径雷达,介绍了其信号处理技术。

主题词 雷达 合成孔径雷达 信号处理

微波雷达与可见光或红外探测器相比具有探测距离远的优点,但在分辨力方面处于劣势。最近由于发射接收系统的宽带化和脉冲压缩处理技术的进步,在纵向距离的分辨力已提高到数十厘米。而且,利用与探测对象的相对运动,改善在正交纵向距离的横向距离分辨力的合成孔径雷达(SAR)已进入实际应用阶段,安装在卫星上在800km上空能以18m的分辨力观测地面。另外,该雷达在飞机上能以1m的分辨力探测数十公里外的地面目标。本文探讨了利用雷达对目标成像技术的典型代表 合成孔径雷达,介绍了其信号处理技术。1 雷达的成像

关于雷达探测结果的成像,如图1所示各像素在雷达与目标连结方向即纵向和与纵向正交的横向分别用不同的分辨力划分,形成图像。通常在用真实波束形成的图像中,其分辨力在纵向 R由发射信号的带宽B决定;在横向 r由天线波束宽度 天线波束宽度 B决定。B可用天线孔径D按下式求出。

B=D (1)

由式(1)可得

R= (2)2B r= (3)BR=D

式中C为光速, 为发射波长。

纵向距离分辨力的改善可以通过扩大发射信号带宽B来实现。更简单的方法是将发射脉冲宽度变窄。但这种方法会引起平均发射功率下降,信噪比恶化。因此可以采用脉冲压缩技术,即发射用特定信号调制发射脉冲载波的宽带长脉冲信号,接收后进行复调和压缩脉冲宽度。典型的脉冲压缩方式是线性调频方式和使用巴克码的代码调制方式。

横向距离分辨力的改善可通过缩短发射信号载波的波长或者扩大天线的孔径来实现。但缩短发射波长时,由大气引起的电波传输衰减增大,信噪比恶化。而且,天线孔径受使用空间的限制。作为一种解决方法,可以利用雷达与目标的相对运动,记录一个天线孔径接收的时系列信号,正如用多数天线同时接收的信号进行处理,即利用假设的天线孔径合成的合成孔径技术。雷达安装在卫星或飞机上,利用雷达平台的运动称为合成孔径雷达(SAR),利用目标(飞机或舰船)的运动称为逆合成孔径雷达(ISAR)。两者虽有区别,但两种雷达的基本原理相同。利用孔径合成技术与上述脉冲压缩技术的组合,即现在的机载雷达,可以取得分 10

辨力1m左右的电波图像。

2 合成孔径雷达

从接收信号处理的立场说明合成孔径雷达

横向距离分辨力的改善方法。合成孔径雷达的

基本组成如图2所示。按其测绘方式的不同分

类如图3所示。现在考虑如图3(a)所示相对

雷达平台的前进方向用角 (以下称前进角)固

定天线波束,随平台的移动沿前进方向探测平

行带状区域的窄带扫描图,如图3(b)所示随平

台的移动停止天线波束移动进行波束定点扫

描,在该探测时间内,对任意地点连续照射电

波,即探测特定区域的定点扫描图。

设雷达平台以速度 等速直线运动,目标

上的点在时间t=0时前进角为 o、距离为

Ro。此时,在任意时间t雷达和目标点的相对

距离R(t)、瞬时多普勒频率fd(t)可分别用

式(4)和式(5)给出。

2( tsin o)R(t)=Ro- tcos o+2Ro

2图1 像素形成方法 (4)( sin o)tfd(t)= cos (5)o-Ro

由式(5)可知,从目标点接收的信号成为其瞬时多普勒频率随时间变化的代码信号。因为式

(5)中 Ro、 和 为已知或可测量参数,所以瞬时多普勒频率曲线(多普勒过程)可用计算o、

求出。从而对一系列接收信号和具有计算求出的多普勒曲线的参考信号进行相关计算,可以与脉冲压缩情况同样进行横向距离压缩。此时接收信号的多普勒变化量 F可用合成孔径时间T按式(6)给出,因此分辨力 rc变为式(7)。

F=|fd(T/2)-fd(-T/2)| (6)

sin R

oo rc== (7)2 Tsin o

图2 合成孔径雷达的基本组成47

图3 合成孔径雷达的分类

2.1 窄带扫描图

照射波束时分辨2

力最大。美国的SEASAT、日本的浮置1号、法国的EERS 1等现有卫星载合成孔径雷达几乎都是这样设计的。采用这种方法,探测时间T可用天线波束宽度 B和距离Ro控制,其最大值可用式(8)给出。由式(7)可知,合成孔径雷达在天线波束相对前进方向正侧面即 o=

Ro B (8)将式(8)代入式(7)时,横向距离分辨力 rc可用下式求出。

rc=2 (9)B

而且将式(1)代入式(9)时成为,

rc= (10)2

即为使用天线孔径D的一半。在窄带扫描图中,如图3(a)所示,随着平台的移动天线波束逐次通过目标。此时取得的多普勒曲线如图4(a)所示,带宽 F的代码信号随对应各目标点位T=置的时间滞后而平行,利用该时间滞后可以分离目标点。即通过计算的参考信号与接收信号的相关计算,补偿代码,如图4(b)所示相对时间轴进行垂直处理,在时间领域分离目标。由式(10)可知,在窄带扫描图中横向距离分辨力 rc固定,不受距离Ro的影响。

2.2 定点扫描图

在合成孔径中使天线波束长时间指向目标点的定点扫描图,通过长时间探测特定区域可提高横向距离分辨力,但在这种情况下测绘范围变狭窄。与此相反,利用缩短观测时间,在横向距离上进行波束扫描,如图3(c)所示,可以测绘更宽范围。两种方法所得多普勒曲线的性质相同,而且其信号处理也相同,下面对定点扫描进行说明。这种方式,因为可以任意给定合成孔径时间,所以其横向距离分辨力 rc不仅由天线波束宽度 B,而且也由天线波束扫描角 s决定,从而可以得到任意分辨力。

rc= (11)2 s

10

由于天线波束扫描方法不同,用定点扫描图得到的接收信号多普勒曲线与窄带扫描图的有很大不同。如图5(a)所示,用这种方式带宽 F的代码信号随对应各目标点位置的频率偏移而并列,利用该频率差可以分离目标点。即相对接收信号在时间领域对计算的参考信号相乘并编码。如图5(b)所示,在合成孔径时间内固定从目标接收信号的多普勒频率。然后用多普勒滤波器在频率领域分离目标点。此时,设合成孔径时间为T,波束扫描角 s对应距离Ro变化,如下式所示。

(12)Ro

所以横向距离分辨力 rc可通过延长合成孔径时间T取得超过窄带扫描图的分辨力。与利用 s=实际波束的图像同样与距离Ro成比例恶化。

Ro rc=2 T (13)

2.3 合成孔径雷达的图像特征

合成孔径雷达的接收信号是多数点散射波的汇集,因为它们各自都具有特定的相位相互干涉,所以形成的雷达图像浓淡不均(波谱噪声)。为减轻这种现象,将合成孔径长度分成m个独立区,对各区间再生的雷达图像进行取图像功率平均的多观测处理。设观测次数为m时,像素粒度(横向距离分辨力)恶化m倍。

图6(略)为机载合成孔径雷达对神奈川江岛的测绘图。该图采用天线波束宽度1/2的数据,用观测数4进行处理,给定纵向距离和横向距离分辨力为1m。该雷达参数列于表1

。

图4

窄带扫描图的多普勒曲线

图5 定点扫描图的多普勒曲线49

3 逆合成孔径雷达

纵向距离与横向距离的压缩处理与定点扫描图的相同,但逆合成孔径雷达可以利用在目标前进方向上加由回转(滚转、俯仰和偏航)引起的姿态角变化进行横向距离压缩。前进和回转两种运动可以作为等效运动处理。如果利用这些复合运动,则可以进行方位和仰角相互正交的两个横向距离压缩,可以得到目标的三维图像。

雷达平台移动的合成孔径雷

达,由于平台的移动,相对目标的

雷达发射波入射角发生变化,该角

度变化量在窄带扫描图中与天线波

束宽度 B一致,在定点扫描图中

与天线波束扫描角 逆合成s一致。

孔径雷达的情况不同,成为目标的

回转(滚转、俯仰、偏航)角。观测

中的目标姿态角在天线波束扫描角

s变化时,横向距离分辨力 rc可

用下式给出,

rc=表1 机载合成孔径雷达参数项 目发射中心频率发射峰值功率占有频带宽发射脉冲宽扇形扫描角无线增益天线波束宽度(方向)脉冲重复频率飞行高度飞行速度参 数9555MHz1kW150MHz2 s60deg20dB10deg1250Hz3048m270km/h (14)2 s

与目标距离无关。探测数10km的目标时,与雷达移动引起的角变化相比,目标姿态角的变化大,所以逆合成孔径雷达在短观测时间内可以得到高分辨力电波图像。例如,10GHz带宽雷达,在目标姿态角仅1 变化,与目标距离无关,可以得到分辨力1m的电波图像。可是,逆合成孔径雷达因为利用目标的运动,所以其推测精度对再生图像的分辨力有很大影响。为提高目标跟踪精度,必须根据雷达接收信号进行补偿目标移动的自动调焦处理。

4 结束语

论述了利用微波雷达使探测对象图像化的技术,同时介绍了机载合成孔径雷达的雷达图像。雷达图像与人们看惯了的可见光图像的波长不同,其判读困难。但其优点是不受昼夜和天气的影响,可以经常观测。而且可以探测用可见光不可观测的远方目标。另外,雷达观测不受覆盖地面的丛林影响,所以用途广泛。王永寿

雷锡恩公司试验标准导弹

1999年7月1日,雷锡恩公司的标准导弹 2Block 在白沙导弹靶场拦截了一架超声速BQM 37靶机。这标志着设计用于保护军舰免遭飞机和反舰巡航导弹攻击的生产型Blcok 导弹首次拦截获得成功。据该公司称,生产鉴定弹的首次飞行确认了生产型导弹的完善性。

周 军 译 10