0 寫在前面

巔峰產生虛偽的擁護，黃昏見證真正的信徒。

ISAR成像一般對導彈、艦船、飛機等目標進行成像。要想成像，必須提高分辨。SAR對自身運動和場景參數，需要對數據進行各種校正、補償算法，而ISAR目標參數基本未知，處理流程相對簡單些。掌握的信息越少，可以操作的空間就越小，反而讓問題變得簡單。

1 基本介紹

雷達可以通過發射寬帶信號來提高距離分辨，用幾百兆可得到亞米級距離分辨率。ISAR逆合成孔徑雷達是依靠雷達與目標間的相對運動，形成合成陣列來提高橫向分辨率。

• ISAR一般是雷達不動(實際上也可是運動的)，目標運動。運動是相對的，也可看成是目標不動，而雷達在空間根據目標的平動和轉動逆向地形成虛擬合成陣列，利用合成陣列的大孔徑提高目標的橫向分辨率。
• ISAR的合成陣列流形十分復雜，原因在於ISAR形成陣列的主動權在目標，目標航向、速度，姿態的變化都會影響合成陣列空間分佈。
• 機動目標在空間形成極其復雜的虛擬陣列，且不可能準確測量的。好在得到亞米級的橫向分辨率，雷達對目標視線的變化(目標相對雷達射線的轉角)隻要很少幾度，由於目標的惰性，姿態變化不可能十分復雜。
• ISAR觀測目標尺寸比SAR所要觀測的場景小得多，一般目標不超過幾十米，大的也隻有百餘米，當目標位於幾十千米以外時，電波的平面波假設總是成立的，因而為成像分析帶來方便。

上節已經介紹瞭逆合成孔徑雷達成像常用轉臺模型，詳情見:

當目標作平穩飛行時，通過平動補償，運動目標轉換為平面轉臺目標，如果成像要求的轉角(相幹積累角)很小，其間散射點的移動量遠小於距離單元長度，則分析處理可以大大簡化。而實際的逆合成孔徑雷達成像在許多場合是滿足上述條件的。

2 ISAR轉臺模型

運動目標相對於雷達的運動可分為平動分量和轉動分量，平動分量為目標姿態相對於雷達射線保持不變，在平面波照射的近似條件下，目標上各散射點相對於雷達的距離變化量相同，即它們的子回波具有相同的多普勒，當目標隻有平動時，它的距離像是不變的。轉動分量為目標圍繞某基準點轉動，設目標作平穩飛行，若將其平動分量加以補償，則等效為平面轉臺，且在很小的轉角范圍(因為 ISAR 成像所需轉角很小)轉速近似是均勻的。如上節所示，若轉臺作順時鐘向旋轉，則位於轉臺中心軸上的散射點子回波的多普勒為 0，右側的 為正，左側為負，且偏離中心軸越遠，多普勒值也越大。

轉臺的旋轉使各散射點子回波發生兩個方面的變化:包絡時延和相位變化。 兩者都是由於散射點發生徑向走動，但它們的影響程度是不同的，相位的影響是相對於雷達波長的，微波雷達波長為厘米級，因而毫米級的徑向走動都會產生明顯的相位變化；而包絡位移是相對於距離分辨單元而言的，它通常比距離單元長度小得多。雖然如此，在成像的轉動期間，總會有一些散射點從一個距離單元進 入到鄰近的距離單元，稱為越距離單元徙動(MTRC)。我們在前面 SAR 的成像處理中知道，橫向分析是按距離單元進行的，發生 MTRC 會對成像效果有影響， 主要是分辨率下降。

一個比較粗略的近似是，在 ISAR 成像的轉動過程中，隻考慮散射點子回波的相位變化，而認為不發生散射點的越距離單元徙動。在這一近似條件下，轉臺模型的 ISAR 成像大大簡化，因為在轉動過程各距離單元裡的散射點是一定的，隻是由於其距中心軸的橫距不同，它的子回波多普勒也不同。因此，將各距離單元的回波作傅裡葉變換就可得到散射點的橫向分佈，從而實現轉臺成像。

在有些情況，上述假設是過於近似的，後面我們將加以修正。目標的運動也不一定是平穩的，如轉動不均勻，甚至有三維轉動。這些都將在後面討論。這裡 我們先從最簡單的情況開始，先討論運動的平動補償。

3 平動補償原理

采用轉臺模型，平動補償對ISAR至關重要。對寬脈沖，由於信號回波時延很小，在一個相幹積累周期內，在慢時間域看距離走動可忽略不計。由於相位是距離變化量相對波長計算的，不可忽略，這也是多普勒測速的基礎。

假設理想點目標，主要討論窄脈沖情況，即寬帶信號，此時發射信號的脈沖寬度為納秒級(寬脈沖一般對應微秒級)。此時，將各次回波以發射脈沖為時間基準進行排列時，回波時延的變化不但不小於脈沖寬度，而通常會比脈沖寬度大很多。若考慮目標相對雷達的徑向速度為勻速時，這時在距離-慢時間域為一條斜線，而不是一條水平線瞭，直接做相幹積累會產生大的幅度損失。但如果隻取包絡(不同距離分辨單元)對應的相位，仍可進行對點目標進行測速。

通常為瞭後續處理方便，以某次回波為基準將回波的斜線拉成一條水平線，相當於對後面的回波進行瞭平移，相位保持不變。若假設包絡內部的相位不變，對齊的時延誤差不超過1/2~1/4個脈沖寬度。通常由於波形會有失真，相位會有微小起伏，因此包絡對齊的誤差通常不超過1/4~1/8脈沖寬度。一般先對包絡進行插值操作，插值可通過頻域補零來實現。

上面說的是估計運動點目標的多普勒，如果要像前面所說的將運動目標轉換成轉臺目標那樣，將基準點的點目標移到轉臺的軸心，成為靜止目標。這時的回波移動在將包絡作時延的同時，對回波的相位也根據時延量作相應的變化，即將回波序列的相位保持為常數，多普勒為 0，這是靜止目標的條件。

實際上，為將運動點目標的回波序列轉換為靜止點目標，其時延調整是很難實現的。包絡對齊的精度要求不高，相位就不一樣瞭，相位相對於波長計算的。此時，我們可以保持回波的幅度、相位結果不變進行包絡對齊，由此估計對普勒，再根據計算的多普勒計算相鄰回波相位並加以補償。這種方式是完全可以實現的。

以上討論的是理想點目標的情況，下面我們再來研究復雜目標(如飛機)的情況。根據散射點模型，復雜模型可視為由眾多的散射點所組成。運動的復雜目標相對於雷達可分為平動和轉動兩個分量，平動分量為目標相對於雷達射線的姿態保持不變，作平移運動，在平面波照射的近似假設下，目標平移過程中，它上面的各個散射點到雷達的距離的變化均相同。轉動分量為目標圍繞某一基準點轉動，它也會使散射點回波產生多普勒，但多普勒隨散射點所處的位置不同而有所不同，例如轉動時的基準點多普勒為 0，在一側為正，則另一側為負，且偏離基準越遠，多普勒值也越大。

運動復雜目標的平動分量隨著其徑向速度的不同，其多普勒可能在很大范圍裡取值，但其瞬時多普勒是單一的，即所有散射點的多普勒均相同。轉動分量由於各散射點子回波的多普勒有微小差異，形成很窄的多普勒譜。實際上，復雜目標回波可看成是眾多散射點子回波之和，在寬發射脈沖條件下，這些子波的時延差遠小於脈沖寬度，回波包絡的波形仍和點目標時相似，基本上與發射脈沖相同， 隻是前後沿有些失真。由於散射點子回波時延與雷達波長可以相比較，總回波包絡為各子回波包絡的向量和。回波的頻域可以認為是以平動分量產生多普勒為中心和以轉動分量產生很窄的多普勒譜構成的。

在高分辨窄發射脈沖的情況，相鄰回波距離像的時延變化是不能忽略的，ISAR 成像常需要幾百、甚至上千次回波，相幹積累時間常以秒計，在此期間包 絡時延的變化常比目標長度大很多，必須進行包絡對齊。

4 總結討論

本節介紹瞭ISAR成像的基本原理，運動補償主要分為包絡對齊和初相校正兩部分。後面將介紹包絡對齊相關內容。

5參考文獻

【1】保錚 邢孟道 王彤 雷達成像技術 北京：電子工業出版社，2005.