复杂运动目标雷达成像研究进展

2021 年 2 月 9 日 专知

雷达成像是获取目标精细结构特征的重要技术途径. 对于复杂运动目标, 传统基于距离 – 多普勒 (range-Doppler, RD) 原理的逆合成孔径雷达 (inverse synthetic aperture radar, ISAR) 成像性能下降: 在距离维上, 高速运动导致一维距离像展宽, 且雷达系统硬件能力制约了大带宽实现, 约束成像纵向分辨率; 在多普勒维上, 非合作复杂运动呈现的时变和非线性破坏成像条件, 约束成像横向分辨率. 本文首先分析了复杂运动对 ISAR 成像的影响机理, 接着从距离和多普勒两个维度, 对复杂运动目标 ISAR 成像技术进行了综述, 阐述了高速运动补偿、多频段融合成像、高次相位补偿与稀疏 ISAR 成像等技术途径. 进一步针对 ISAR 成像体制的局限, 阐述了复杂运动目标波前调制超分辨雷达成像新途径, 其中包括波前随机调制和电磁涡旋两种技术途径. 最后对复杂运动目标雷达成像进行了总结与展望.

https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSI/51/2/10.1360/SSI-2020-0223?slug=fulltext

逆合成孔径雷达 (inverse synthetic aperture radar, ISAR) 成像是在合成孔径雷达 (synthetic aperture radar, SAR) 成像体制基础上发展起来的主动式微波成像体制, 可以获取运动目标高分辨雷达图像 [1, 2] . 其经过几十年的发展, 广泛应用于空间监视、导弹预警、洋面监视、雷达天文学等各军事和民用领域 [3, 4] . 就成像原理而言, ISAR 广泛采用距离 – 多普勒 (range-Doppler, RD) 原理 [5] , 通过发射宽带雷达信号实现距离维 (或纵向, 距离向) 高分辨, 通过目标相对雷达的转动产生的多普勒频率实现多普勒维 (或横向, 方位向) 高分辨, 已经可以获取平稳运动目标高分辨雷达图像. 但对于复杂运动目标, 基于 RD 原理的 ISAR 成像面临挑战.

在雷达成像领域, 一般将不满足 ISAR 成像条件的运动统称为复杂运动, 包括导致目标一维距离像畸变的高速运动, 导致雷达回波产生时变多普勒效应的微动, 导致雷达成像平面时变的三维转动以及导致越距离/多普勒单元徙动的大转角运动等. 复杂运动目标在雷达探测领域广泛存在, 如飞机机动、直升机旋翼转动、舰船随洋面摆动、弹头高速运动与进动等. 对于复杂运动目标, 基于 RD 原理的 ISAR 成像距离维与多普勒维高分辨均面临挑战. 在距离维分辨上, RD 成像体制采用 “走 – 停” 模型近似, 即假设目标在单脉冲内静止, 而在脉冲间走动. 对于高速运动目标, “走 – 停” 模型存在较大误差 [6] , 将导致目标一维距离像畸变. 在多普勒维分辨上, RD 成像体制依赖目标转动产生的多普勒频率差异, 要求目标在成像区间内近似相对雷达匀速转动, 以产生平稳多普勒频率, 实现多普勒维聚焦. 然而对于复杂运动目标, 多普勒具有时变、非线性特点, 破坏 RD 成像方位向分辨条件, 导致 ISAR 图像散焦.

针对复杂运动目标对雷达成像的挑战, 本文首先分析了复杂运动目标雷达成像困难的机理, 接着分别从距离和多普勒两个维度阐述了复杂运动 ISAR 成像技术途径, 其中, 在距离维上, 针对高速运动造成的一维距离像畸变, 阐述了 ISAR 高速运动补偿技术, 直接从雷达回波中估计目标速度, 降低了雷达测速的硬件要求. 针对距离维高分辨对雷达大带宽的依赖, 阐述了多频段融合成像技术, 在信号层拓展雷达信号带宽, 获得与大带宽雷达相媲美的高分辨雷达图像. 在多普勒维上, 针对复杂运动目标多普勒时变与非线性, 阐述了 ISAR 高次相位补偿技术, 通过高阶参数估计[7] , 估计并补偿复杂运动引起的高阶相位误差, 实现复杂运动目标 ISAR 图像方位向精细聚焦. 针对目标复杂运动引起短孔径或稀疏孔径数据, 导致方位向分辨率降低, 阐述了稀疏 ISAR 成像技术, 通过贝叶斯 (Bayes) 压缩感知等技术, 提升 ISAR 方位向分辨率. 最后, 针对 ISAR 成像依赖目标运动的局限, 阐述了波前调制超分辨雷达成像技术, 主要包括波前随机调制和电磁涡旋两种机制. 基于波前调制, 波束内超分辨的创新构思, 成像分辨率不依赖、不受限于目标运动, 为静止目标以及非合作复杂运动目标雷达成像提供了崭新视角和解决思路. 最后对复杂运动目标雷达成像进行了总结与展望。