深入了解雷達(dá)圖像分辨率的特性與應(yīng)用

距離向分辨率

距離向分辨率對(duì)應(yīng)于快時(shí)間域的分辨率，所謂快時(shí)間，是指每個(gè)雷達(dá)回波采集的時(shí)間歷程。時(shí)域的高分辨可通過(guò)使用大帶寬的雷達(dá)信號(hào)波形，采取匹配濾波或信號(hào)壓縮的信號(hào)處理技術(shù)獲取。距離向分辨率可表示為

式中：是光速；是帶寬。

常用的獲取距離高分辨率的波形有短脈沖、chirp 信號(hào)和步進(jìn)頻率信號(hào)。

短脈沖是一種短脈寬的單頻脈沖，受雷達(dá)硬件條件限制，不能進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)量。chirp 信號(hào)是一種線性調(diào)頻脈沖，可獲得很大的時(shí)寬帶寬積，不僅可以獲得高分辨，而且還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。

步進(jìn)頻率信號(hào)是一脈沖串，實(shí)際上是進(jìn)行目標(biāo)的頻率域采樣，通過(guò)信號(hào)處理的方式合成距離像。它受最大無(wú)模糊距離窗的限制，且信號(hào)采集時(shí)間較長(zhǎng)，只適合做中短距離目標(biāo)測(cè)量。另外它只能給出目標(biāo)上各散射點(diǎn)的相對(duì)位置，不能獲得其絕對(duì)位置。

當(dāng)然還有其他類型的波形，如變載頻的 chirp 序列、編碼信號(hào)波形等，但實(shí)際上雷達(dá)成像中常用的波形就是 chirp 信號(hào)和步進(jìn)頻率信號(hào)。

方位分辨率

實(shí)孔徑雷達(dá)的方位分辨率

實(shí)孔徑成像系統(tǒng)中，其方位分辨率依賴于天線的波束寬度。為定義方位分辨率，常用的是采用波束寬，即

式中：為波長(zhǎng)；為天線長(zhǎng)度。為了方便有時(shí)也將波束寬度定義為波束寬，其值為

以下均將上式看作標(biāo)準(zhǔn)波束寬度。從上式可以看出，對(duì)于實(shí)孔徑雷達(dá)，有兩種方法可以改善方位向分辨率，一種方法是減小波長(zhǎng)，另一種方法是增大天線長(zhǎng)度。

波長(zhǎng)不能無(wú)限制減小，因?yàn)楫?dāng)波長(zhǎng)小于之后，空氣對(duì)微波的吸收增加，造成微波的傳輸損失；另一方面，天線長(zhǎng)度受物理上的限制，天線不可能做得太長(zhǎng)。

實(shí)孔徑雷達(dá)的方位分辨率表達(dá)為

式中：是雷達(dá)和目標(biāo)之間的斜距。

SAR/ISAR 的方位分辨率

合成孔徑的基本原理得益于雷達(dá)和目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)在不同方位角度上的測(cè)量。

對(duì)于 SAR 來(lái)講，目標(biāo)靜止而雷達(dá)運(yùn)動(dòng)。合成孔徑雷達(dá)的方位向分辨率和實(shí)孔徑雷達(dá)的方位分辨率截然不同。這里以正側(cè)視條帶式 SAR 為例說(shuō)明，如下圖所示。

圖中雷達(dá)到目標(biāo)的正側(cè)視距離為，雷達(dá)運(yùn)動(dòng)速度為，雷達(dá)波束寬度沿方位向?yàn)?，因?strong>方位向回波信號(hào)帶寬可寫(xiě)為

因此合成孔徑雷達(dá)的方位向分辨率為

可見(jiàn)，條帶模式合成孔徑雷達(dá)的理論方位分辨率僅與天線長(zhǎng)度有關(guān)，天線越短，合成孔徑就越大，因此方位分辨率就越高。但天線不能無(wú)限制小，因?yàn)槭艿浇邮諜C(jī)的最小可探測(cè)信號(hào)信噪比的限制。

對(duì)于 ISAR 而言，主要利用目標(biāo)在雷達(dá)觀測(cè)波束內(nèi)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方位向分辨。這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（方位角的變化）導(dǎo)致了目標(biāo)上的散射點(diǎn)有不同的多普勒頻移，這是合成方位分辨率的基本出發(fā)點(diǎn)。

ISAR 圖像的方位向分辨率也可從多普勒帶寬的角度來(lái)理解。假設(shè)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為，某散射點(diǎn)方位向離轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離為，則該散射點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度為，因此該目標(biāo)點(diǎn)引入的多普勒頻率為

若整個(gè)觀測(cè)時(shí)間或相干時(shí)間為，則多普勒分辨率為

根據(jù)上述分析，有，因此有，可得方位分辨率為

ISAR 圖像的方位分辨率依賴于兩方面，一個(gè)是相干處理時(shí)間，另一個(gè)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。

后者僅和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，不能由成像系統(tǒng)控制，因此 ISAR 處理過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)盲信號(hào)處理過(guò)程，這也是有些情況下（如目標(biāo)在雷達(dá)之間不存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)）不能重建 ISAR 圖像的原因。

前者易受控，為獲取高方位分辨率，可增大相干處理時(shí)間。但增大相干處理時(shí)間會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量的降低，例如出現(xiàn)模糊、拖尾現(xiàn)象等。

從上式可以看出，ISAR 圖像的方位向分辨率和目標(biāo)在波束內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度有關(guān)。它可以寫(xiě)為

因此，合成孔徑雷達(dá)的方位向分辨率實(shí)際上也和雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)時(shí)在一個(gè)合成孔徑內(nèi)平臺(tái)相對(duì)于目標(biāo)轉(zhuǎn)過(guò)的視角有關(guān)。

審核編輯：黃飛