雷達前視成像技術的研究現狀

　　摘 要：為彌補由于雷達前視方向沒有足夠的多普勒帶寬而難以利用合成孔徑雷達(SAR)成像技術的問題，雷達前視成像技術得到了多角度且深入的研究，并在導彈精確打擊、地形識別、目標定位以及飛機自主著陸等方面投入了應用。本文全面介紹了前視成像技術的研究歷程，根據成像原理、雷達模型、探測信號的不同對該技術做了系統分類，主要闡述了基于卷積反演的成像技術、單脈沖成像技術、微波關聯技術、陣列雷達成像和雙基前視成像的基本原理和特點，并總結了各種前視成像技術的研究現狀及發展趨勢。

　　本文源自樊晨陽; 賀思三; 郭乾， 電光與控制 發表時間：2021-07-08《電光與控制》(月刊)創刊地1970年，是中國航空工業集團公司主管、中航工業洛陽電光設備研究所主辦、中國航空學會航空武器系統專業分會協辦的跨電子、光學、自動控制和計算機等多學科的綜合性學術刊物。

　　關鍵詞：合成孔徑雷達;前視成像;卷積反演;陣列雷達

　　0 引言

　　雷達成像技術通過發射特定的微波電磁信號和對接收信號的成像處理可以實現對觀測區域目標散射系數分布信息的獲取，相比于光學、紅外等成像技術，不受光照、溫度以及多數氣象條件等的制約，能夠進行低能見度成像。多普勒波束銳化(DBS)與 SAR 成像技術是常用的二維成像手段，它們利用觀測平臺與目標方位向的相對運動產生的多普勒頻移差別分辨出波束內不同目標的方位信息。

　　當雷達處于前視狀態時，平臺的運動方向和天線主波束指向基本一致，觀測區域相對于雷達平臺的多普勒頻率變化近乎消失致使用于側斜視狀態的 DBS 與 SAR 成像方法失效，前視成像效果因天線孔徑大小嚴重受限。雷達前視成像技術在目標偵查和追蹤、導彈精確打擊、飛機自主著陸以及氣象地質評估方面具有廣闊的應用前景，世界各國的研究者在此領域展開了諸多探索和研究[1]，并提出了多種解決方案。如圖 1 所示，首先從基站數目上出發，可以分為單基前視成像和雙基前視成像：單基前視成像通過對接收回波信號的處理實現角度信息的高精度估計或超分辨估計實現前視成像[2、36];雙基前視成像基本原理與傳統 SAR 相似，利用雙基地觀測目標導致的多普勒頻率差異獲得相對某一基站的前視成像[37-42]。本文分別對單天線掃描、陣列天線以及雙基 SAR 等前視成像方案的基本原理、特性與研究現狀作系統介紹，并對其發展趨勢進行歸納總結。

　　1.單天線前視成像技術

　　單天線前視成像技術主要采用實波束掃描模式對觀測區域的持續性掃描探測，對單次回波的通道數沒有具體要求，其通過天線掃描積累各方位回波數據序列并進行距離向脈沖壓縮獲得初步成像結果，再針對前視觀測區域和應用設備的特點采用合適的方法進行方位高分辨實現前視成像，具體執行方案包括單脈沖前視成像技術、基于卷積反演的成像技術、實波束譜估計成像技術以及掃描時間角度相關(STAC)成像技術。

　　1.1 單脈沖前視成像技術

　　單脈沖成像技術由于其硬件結構和執行算法的相對簡單目前被廣泛應用。在文獻[3-5]中，吳迪等人持續研究了單脈沖前視成像算法，從成像結果的失真和噪聲等角度分析了成像質量，對實際應用中鑒角曲線存在偏差波動的問題提出了一種自聚焦算法，提高了該技術的實用性。由于前視成像技術最初是當作 SAR 成像技術的補充而研究的，文獻[6]提出了聯合成像的方法，前視掃描區域雷達回波采用單脈沖成像，測斜視區域進行 SAR 成像，再通過 Gabor 濾波器組對回波信息進行特征提取，最后匹配邊緣區域特征信息以拼接成扇區成像結果，該方法在工程上具有可行性，提高了整體成像的精度、質量和直觀性，但在像素級融合拼接效果上還有待提升，接痕明顯。

　　單脈沖成像技術應用于多個強散射目標或連續分布的目標時，往往會生成虛假目標并伴有角閃爍現象，降低成像質量。對此，文獻[7]提出結合最大似然角估計將目標信噪比估計算法推廣到對同一距離位置處三個目標的檢測和分辨，仿真和微波暗室實驗表明該種方法能夠很好地實現多目標檢測成像。

　　結合俯仰維的方位估計，單脈沖技術可推廣至三維前視成像。文獻[8]分析了單脈沖三維前視成像的可行性，并針對相鄰目標的相互干擾問題結合 Relax 算法降低了其影響;文獻[9]借助虛擬合成陣列以及逆散射法估計了觀測區域的目標分布，然后結合轉臺成像原理完成俯仰向分辨，提高了單脈沖三維前視成像的精度，但該方法計算量較大，且在有干擾情況下性能下降較快。

　　1.2 基于卷積反演的前視成像

　　掃描模式下雷達回波序列經過運動補償后，在方位維可以認為是雷達天線方向圖和同一距離單元目標在角度上的分布情況進行卷積的結果，根據時域卷積模型在頻域上表現為相乘的原理，可以將回波序列和天線方向圖矩陣變換到頻域直接進行除法運算來得到觀測區域方位向分布信息。但由于天線方向圖帶寬是有限的且在對應頻域存在零點使得噪聲信息在卷積反演過程中被放大以至于淹沒真實信息，直接解卷積方法不能得到穩定解，是病態欠定的。

　　在直接解卷積方法受到噪聲和方向圖頻域低通而失效的情況下，早期的研究思路是通過濾波的方法[10]或者迭代算法[11]求解方位向散射系數分布來提升成像分辨率。總體來說這些算法在高信噪比情況下能有效提升前視成像的分辨率，但具有收斂速度較慢和偽峰問題，對低信噪比情況適用性差。為進一步提升卷積反演前視成像技術的性能，正則化理論開始作為一種解決思路被引入求解過程 [12-13]，其本質是通過增加約束條件，平衡目標信息恢復和噪聲抑制之間的矛盾，以在噪聲環境下得到足夠清晰的分辨結果，從而把原病態問題良態化處理。

　　正則化約束方法的主要實現算法包括迭代收縮閾值算法、基追蹤算法、貪婪迭代算法、梯度投影算法等，在參數數值的選取一般由 L 曲線法、廣義交叉驗證理論及 SURE 方法等決定。這類方法實現形式各異，對應的性能也稍有差別，但相對于早期迭代求解算法的圖像恢復能力及對噪聲的穩健性都有不同程度的提升。文獻[14]將截斷奇異值方法應用到稀疏目標超分辨成像，首先進行針對噪聲信息的回波預處理，重構信號卷積模型及正則約束項，可以在低信噪比(5dB)環境下完成雷達前視超分辨成像，提升了稀疏強散射點目標條件下超分辨成像方法的抗噪性能。文獻[15]針對基于振幅信息的卷積反演方法在雷達平臺速度快的情況下表現較差的問題，提出了進一步利用多普勒相位信息的復反卷積方法，該方法綜合考慮信號幅度及相位信息得到了相應的信號復卷機矩陣，并基于正則化理論完成了前視成像，得到了一定條件下的平臺高低速界限，指出高速時其成像效果明顯優于傳統算法，低速時無明顯差異。

　　\在正則化理論的基礎上，通過對不同天線工作模式下反卷積算子的修正，很多研究人員對多通道卷積反演技術進行了改進和提升，總體思路是利用多個通道如單脈沖雷達和差通道提供的信息平抑單通道時頻譜存在零點引起的噪聲放大問題，并針對天線方向圖的特點確定各通道權值算法等來完成方位分辨。文獻[16]首次提出將多通道卷積反演理論用于雷達成像領域，深入研究了其突破瑞利極限實現高分辨的原理，提升了成像效果;文獻[17] 進一步研究了單脈沖多通道解卷積成像方法，在信噪比較高的情況下將實孔徑雷達成像的方位分辨率提升了一個數量級，指出高頻噪聲也受對天線方向圖的截取形狀的影響，該算法由于運算量較大，實時性有待進一步提升且迭代結果魯棒性欠佳。文獻[18]基于單脈沖雷達提出一種利用和差雙通道的正則化成像算法，該方法依據最大后驗概率準則建立多通道 L1 正則化模型，由多通道迭代收縮閾值算法來解得前視成像結果，并指出該多通道算法可以等效為一種級聯濾波器，結果表明該方法能進一步提升算法效率，有較強的場景復原能力以及噪聲抑制能力。

　　單天線模式下基于卷積反演的雷達前視成像方法能夠實現很好的效果，可以基于現有的雷達硬件系統進行成像運算，結構簡單，不需要過多的成本投入，研究思路比較成熟。

　　1.3 實波束譜估計前視成像

　　考慮到掃描天線回波測量矩陣與陣列天線方向矩陣具有相似的數學模型，可以將陣列信號處理方法用于卷積反演問題，有學者就此提出了適用于單天線掃描模式的 Scan MUSIC 算法[19]、ESPRIT[20] 算法等，驗證了陣列信號處理辦法用于提高掃描雷達成像方位分辨率的可行性。文獻[21]針對實波束回波中相干源問題，提出了一種最小方差波束形成方法，由于需要對觀測場景進行大量掃描以估計回波信號協方差矩陣，該方法能夠在非運動平臺上取得較好的成像效果，平臺高速運動時會面臨有效快拍數不足的問題。對于該情況，文獻[22]針對快拍數問題提出了一種迭代自適應算法，通過迭代的方法不斷更新自相關矩陣以保證精確估計協方差矩陣，減少了對快拍數的依賴，提升了該方法的實用性。

　　1.4 STAC 技術前視成像

　　STAC 技術最初由 J.Mcintosh 提出并進行了初步仿真驗證[23]，該技術參考距離向脈沖壓縮技術，通過對發射脈沖信號序列的頻率進行緩慢的編碼調制，同時令雷達以穩定的速度對觀測目標進行掃描，在方位向形成偽角度脈沖包絡，此時將脈沖壓縮技術應用于角度范圍即可實現雷達前視方位向分辨。

　　2 陣列天線前視成像

　　陣列天線前視成像技術根據發射信號的特點，可以分為利用波束形成技術掃描的陣列天線角度超分辨技術和發射隨機輻射場的微波關聯成像技術。

　　2.1 陣列天線角度超分辨技術

　　前視成像雷達不能實現方位超分辨從 SAR 的角度考慮主要是因為無法借助平臺運動獲得足夠大的合成孔徑，一種解決思路是通過更改天線分布配置等硬件操作，在平臺運動切航跡方向構成天線列陣，結合相應的陣列信號超分辨處理技術便能提高雷達方位分辨能力[24]。這種陣列天線角度超分辨系統具備較高空域自由度且計算復雜度不高 [25]，目前已被廣泛研究和實驗。

　　美國學者Bassem R.Mahafza[26]最早提出了利用在切航跡方向布設陣列天線的前視成像方法，并通過仿真驗真了可行性，文獻[27]對該系統做了進一步的探討，研究了該系統的幾何架構、分辨率評估和脈沖重復頻率要求等。上世紀末，德國宇航局研制出視景增強區域成像雷達(SIREV) [28]，在切航向線上放置了線性陣列天線，如圖 2 所示，該系統利用直升機平臺進行了前視成像實驗，通過采用單發多收的陣列天線工作模式，能夠獲得方位向的高分辨以實現雷達前視成像。這種方法本質上是依靠大孔徑天線完成方位超分辨，通過對多幅圖像進行相干平滑處理后提升了圖像對比度和信噪比，但由于系統比較復雜，對搭載平臺結構大小有較高的要求。

　　移動平臺由于尺寸的限制不能任意加長陣列、增加陣元，因此采納相應的數據處理技術來提高分辨率成為了進一步的研究方向，比較常用的算法有多重信號分類算法、旋轉不變技術算法等子空間分解類算法和針對相干信號的空間平滑類算法等。文獻[29]提出了一種基于改進 MUSIC 算法的陣列雷達前視成像方法，該方法通過修正初步估計的協方差以及空間平滑去相干處理后，采用 MUSIC 算法得到空間譜并通過最大似然估計方法得到幅度信息，積累各距離上的譜曲線即可獲得成像結果。另外，通過陣列天線發射雷達信號，機載陣列前視三維成像的研究也取得了一定進展，文獻[30]提出了一種線頻調變標的 3 維前視成像算法，該算法不需要對散射體的精確定位進行插值運算，并討論了點擴展函數的等深面形狀以及幾何畸變校正對成像的影響。

　　2.2 微波關聯成像技術

　　微波關聯成像技術是量子關聯成像技術在微波領域的推廣應用，利用雙光子的糾纏特性從底層粒子的角度實現宏觀成像[31-32]。在該理論的支持下，考慮到微波比光波適應性和應用范圍更廣，學者們開始把微波關聯成像技術引入雷達前視成像領域 [33-34]，利用相控陣雷達生成具有時間、空間二維隨機性的輻射場，并分析了應用該隨機輻射場的成像技術特點。文獻[35]分析對比了噪聲條件下直接關聯算法、偽逆算法、正則化算法等對微波關聯成像模型求解的成像質量的差異，提出一種在噪聲干擾下應用改進的全變差正則化算法實現微波關聯高質量成像的方法，并指出網格失配誤差和陣元位置誤差等導致了輻射場誤差;文獻[36]為實現關聯成像的超分辨效果，提出了基于壓縮感知的稀疏求解方法，并將二維關聯成像技術擴展到三維關聯成像。微波關聯前視成像技術主要限制在于輻射場的空間隨機性有限，需要陣列雷達技術進一步的發展和支持。

　　3 雙基地前視成像技術

　　雙基地前視方法在成像的過程中，通過分置發射機和接收機于不同平臺解決了前視盲區問題，具有隱蔽性強和抗干擾性、截獲性好等特點，多普勒分辨率和距離分辨率的計算方式變得更加靈活，該方法主要收發搭載平臺包括星載、機載、彈載、車載、固定基地等，可以組成多種成像模式[37]。

　　有關雙基 SAR 前視的研究開始于上世紀 90 年代，一般用距離多普勒及后向投影算法對實測數據進行處理成像[38]。德國國家應用科學研究院通過實驗第一次驗證了雙基雷達的前視模式能夠進行二維精確成像[39]，其中發射機處于運動狀態，搭載在運輸機上，接收機使用 MEMPHIS 雷達并固定在附近建筑物房頂。德國高頻物理與雷達研究所(FHR)針對低能見度條件下飛機安全著陸問題應用雙基 SAR 對機場跑道進行了前視成像試驗[40]，實驗中探測信號由車載雷達提供，著落飛行器接收散射信號，如圖 3 所示為其設備和實驗結果，圖中跑道輪廓和角反射器位置都得到了顯示，驗證了該方法在提高飛機著陸安全性的適用性。國內雙基成像實驗主要由電子科技大學開展[41]，結果如圖 4 所示，該實驗利用廣義 Omega-K 成像算法來進行成像計算，利用二維 Stolt 頻率變換解決二維空間變化問題，具體結果說明該方法能夠處理不同狀態的平動雙基 SAR 雷達前視成像問題。文獻[42]研究了雙基地前視成像的運動誤差及其補償問題，提出了基于多普勒-慢時間解耦合的運動補償算法，解決了運動誤差二維空變性問題，利用圖像最大對比度迭代自聚焦算法提升了補償的精度，有效提高了非移變模式下的自聚焦前視成像效果。

　　雙基地前視 SAR 相對傳統的單基 SAR 成像存在很多新的理論和技術問題，比如時頻同步問題和運動誤差補償問題等，并且對接收站和發射站的定位和分布有了更高的要求，但也正是由于靈活分置的收發平臺方法擴展了 SAR 成像技術的適用范圍，可以說多平臺收發是 SAR 成像技術的發展趨勢。

　　4 展望

　　對雷達前視成像技術的研究到目前為止，在理論上和實驗上都取得了長足的進步，但在實際應用領域仍然存在著一些問題，需要針對性地提出改進辦法并挖掘前視成像技術的發展潛力。

　　首先對于單天線掃描前視成像，該方法對硬件的依賴程度低，主要依靠正則化理論等實現前視方位超分辨，對算法的性能有較高的要求。目前主要存在的問題在于成像的實時性有待提升：由于該方法工作在波束掃描成像模式下，要對觀測區域進行成像需要一定的時間來積累足夠的回波脈沖信息，求解算法的復雜性進一步延長成像時間，制約了該方法的實時應用，這需要改進雷達的掃描方式和算法性能。另外目前提出的成像算法大多只利用了回波的幅度信息，未能對相位信息做充足利用：當平臺和觀測目標處于相對運動狀態時，天線方向圖會出現畸變，觀測到的目標會偏離其真實位置，回波的相位信息不能被忽略，同時由于實際的雷達系統并非完全穩定，相關的波動和誤差對成像的影響及有效的自適應補償方法也是進一步的研究方向。

　　其次對于陣列雷達前視成像，該方法的超分辨成像是建立在復雜的陣列收發硬件系統上的，然而雷達所在平臺空間的有限性限制了復雜度的提升，同時單純利用陣列信號超分辨算法的前視觀測區域可識別目標數受限于陣元數，總體提升成像效果的條件比較高。在改進方向上，根本方面有賴于更好的硬件支持和雷達相關行業研究制造領域的進步，另外可以利用互質陣技術降低對陣元數的依賴，在具體的信號處理算法上，可以進一步結合單天線掃描模式下的成像算法，平衡系統復雜度和算法復雜度的關系并提升成像效果。

　　最后對于雙基地雷達前視成像，由于收發異地導致整體結構模型復雜化，該方法及所用算法往往需要對大量數據進行復雜處理，再加上雙站同步問題和雙站空間幾何關系引起的成像算法多變性問題，都是當前客觀存在的難題。進一步的研究可以先從具體的應用場景出發，利用其收發分離的特點，可以在無人機上搭載小型接收機，形成前視成像網絡，并深入分析其運動補償問題和空間配置問題。

　　5 結束語

　　雷達前視成像技術作為合成孔徑雷達成像技術的一個補充，無論是在軍事上的導彈精確打擊、空中海面目標成像跟蹤，還是民用上的飛機起降輔助，都有著巨大的應用空間。就目前該技術的發展情況來看，研究較多且發展比較迅速的成像方案主要有基于正則化理論的解卷積技術、雙基成像技術、陣列成像技術等，比較新穎具有一定潛力的包括 STAC 技術和微波關聯成像技術，本文對此及其他前視成像方法技術做了較為全面的介紹，同時指出它們的性能特點和應用局限和優勢，并分析了各類技術的發展提升方向。