王 勇 黃 鑫

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

1 引言

逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)成像是對(duì)海探測(cè)中很重要的精細(xì)化描述和識(shí)別手段[1]。由于ISAR可以獲取艦船等海上目標(biāo)的高分辨圖像，因而被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域[2—4]。傳統(tǒng)ISAR多采用脈沖體制，發(fā)射占空比較小的脈沖調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行回波錄取和成像處理。這種發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間一般較短，信號(hào)持續(xù)期間目標(biāo)走動(dòng)常?？梢院雎圆挥?jì)，因此對(duì)應(yīng)地發(fā)展出了“走-停”假設(shè)和距離-多普勒(Range-Doppler, R-D)成像算法的一系列處理方法，并得到廣泛應(yīng)用。

然而，脈沖體制ISAR具有其天生的劣勢(shì)。首先，雷達(dá)直接產(chǎn)生的波形是連續(xù)的，需要調(diào)制成脈沖形式再進(jìn)行發(fā)射，這增加了雷達(dá)發(fā)射機(jī)的造價(jià)和復(fù)雜度。其次，由于脈沖信號(hào)占空比一般較小，脈沖寬度較短，因此必須發(fā)射大功率信號(hào)才能保證回波信噪比，這就需要發(fā)射機(jī)安裝更多級(jí)的功率放大器，會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)造價(jià)并造成能量的浪費(fèi)。出于以上問(wèn)題考慮，具有低功耗、低造價(jià)、低重量等優(yōu)勢(shì)的調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)ISAR更受應(yīng)用者青睞[5—8]。

線性FMCW在波形上相當(dāng)于占空比為1的脈沖信號(hào)，因此在實(shí)際情況下其回波信號(hào)的處理方式上也繼承了脈沖雷達(dá)的R-D成像算法。這樣就引起了2個(gè)問(wèn)題：一是由于FMCW的調(diào)頻周期首尾相接，回波與本振信號(hào)混頻進(jìn)行Dechirp處理時(shí)，會(huì)有一部分本周期的回波信號(hào)與下一周期的參考信號(hào)直接相乘，導(dǎo)致1個(gè)散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)出現(xiàn)高低2個(gè)頻率，引起1維距離像上出現(xiàn)虛假散射點(diǎn)并且造成圖像重影現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)隨著目標(biāo)與雷達(dá)距離的增加而愈加顯著，因而被稱(chēng)為遠(yuǎn)距離模糊(Long Distance Ambiguous, LDA)現(xiàn)象[9]。二是由于調(diào)頻周期一般較長(zhǎng)，某些運(yùn)動(dòng)速度較高的目標(biāo)在1個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)不可忽略，“走-?！奔僭O(shè)將不再成立，直接用R-D算法成像會(huì)導(dǎo)致1維距離像拓寬，圖像將出現(xiàn)散焦。

為了使FMCW-ISAR能夠得到更廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)上述2個(gè)問(wèn)題的解決方法開(kāi)展了大量研究。對(duì)于遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像時(shí)出現(xiàn)的LDA現(xiàn)象，文獻(xiàn)[10]提出一種通過(guò)對(duì)回波信號(hào)從快時(shí)間域進(jìn)行平移從而消除虛假散射點(diǎn)以修復(fù)圖像模糊的方法。由于文獻(xiàn)[10]時(shí)域平移方法無(wú)法在接收即解調(diào)模式的系統(tǒng)中應(yīng)用，文獻(xiàn)[9]通過(guò)一種互相關(guān)處理方法對(duì)Dechirp處理后的差頻信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，可以有效抑制LDA現(xiàn)象。相比遠(yuǎn)距離成像的模糊問(wèn)題，F(xiàn)MCW-ISAR成像中調(diào)頻周期較長(zhǎng)引起的距離像拓寬和圖像散焦問(wèn)題更受研究者關(guān)注，因?yàn)榇爽F(xiàn)象無(wú)論目標(biāo)距離遠(yuǎn)近都會(huì)出現(xiàn)，且難以在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)層面上處理。目前解決這一問(wèn)題的方法包括逐次回波頻偏校正法[11]、基于迭代Radon-Wigner變換的速度估計(jì)和補(bǔ)償方法[12]以及一種基于圖像對(duì)比度最大準(zhǔn)則的速度和加速度搜索與補(bǔ)償方法[13]等。這些方法通過(guò)估計(jì)或搜索目標(biāo)在每次回波中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)引起距離像拓寬的快時(shí)間、慢時(shí)間耦合項(xiàng)進(jìn)行了補(bǔ)償，能夠一定程度上提升圖像質(zhì)量。

然而，雖然相關(guān)文獻(xiàn)研究過(guò)FMCW-ISAR成像中存在的脈內(nèi)走動(dòng)問(wèn)題，但大部分是以散射點(diǎn)仿真模型進(jìn)行補(bǔ)償方法驗(yàn)證的，有關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果相對(duì)較少。由于仿真實(shí)驗(yàn)往往是基于文獻(xiàn)中所提的補(bǔ)償方法，較少涉及到實(shí)際成像時(shí)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、成像環(huán)境的復(fù)雜性以及成像效率的要求，因此用在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像中仍然會(huì)面臨一定的挑戰(zhàn)。

本文從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)入手，針對(duì)FMCW-ISAR對(duì)艦船目標(biāo)成像時(shí)，由于調(diào)頻周期較長(zhǎng)、艦船速度較高而引起的距離像拓寬和圖像分辨率下降的問(wèn)題進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，我們分析了引起距離像拓寬的快時(shí)間調(diào)頻項(xiàng)來(lái)源，并提出一種基于1維距離像熵最小的調(diào)頻率搜索和補(bǔ)償方法。相比于前面提到的3種方法，本文提出的處理辦法能夠有效解決復(fù)雜目標(biāo)情況下的圖像散焦問(wèn)題，并且有效控制了計(jì)算量。最后通過(guò)對(duì)船只散射點(diǎn)模型的仿真數(shù)據(jù)和艦船目標(biāo)FMCW-ISAR外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，可以看到此方法能有效提升圖像質(zhì)量，解決成像模糊問(wèn)題。

2 FMCW-ISAR回波建模與分析

2.1 回波模型

雷達(dá)發(fā)射線性FMCW，其在1個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)的信號(hào)形式為

為降低采樣率，ISAR系統(tǒng)采用Dechirp處理進(jìn)行回波的距離向壓縮。在FMCW-ISAR體制下，Dechirp處理的原理示意如圖1所示。由于連續(xù)波調(diào)頻周期首尾相接，因此點(diǎn)目標(biāo)回波解調(diào)頻后的差拍信號(hào)將存在高低2個(gè)頻率(首尾端的調(diào)頻頻率能量較小，可忽略)。為避免之前提到的LDA問(wèn)題，系統(tǒng)在寬帶成像外另置有窄帶測(cè)距功能，能夠測(cè)出每段時(shí)間內(nèi)目標(biāo)到雷達(dá)的大致距離Rref。利用此參考距離產(chǎn)生的參考信號(hào)與實(shí)際回波信號(hào)的時(shí)延差很小，表現(xiàn)為圖1中實(shí)、虛線離得很近，差拍信號(hào)的高頻分量占比很小，也就有效避免了長(zhǎng)距離FMCW-ISAR成像引起的圖像重影和模糊。

參考信號(hào)形式為

圖1 FMCW-ISAR的Dechirp處理原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of Dechirp process for the FMCW-ISAR

對(duì)式(4)中信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換即可得到1維距離像。

在脈沖ISAR的“走-?！奔僭O(shè)中，脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離幾乎可看作是不變的，也就是說(shuō)相對(duì)快時(shí)間來(lái)說(shuō)是個(gè)常數(shù)。在這種假設(shè)下，式(4)信號(hào)的第1, 3個(gè)相位項(xiàng)均為與快時(shí)間無(wú)關(guān)的常相位項(xiàng)；第2個(gè)相位項(xiàng)是快時(shí)間的單頻信號(hào)，其頻率為 2k(Rt-Rref)/c。經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，點(diǎn)目標(biāo)1維距離像表現(xiàn)為sinc函數(shù)形狀，其在頻率軸的位置由決定，3 dB帶寬c/ 2B(B為發(fā)射信號(hào)帶寬)與理論距離分辨率相符。

但正如前文所述，在FMCW-ISAR中，由于調(diào)頻周期一般較長(zhǎng)，每個(gè)“脈沖”持續(xù)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)往往不能忽略，“走-?！奔僭O(shè)將不再成立。此時(shí)，將不再是快時(shí)間的常數(shù)，式(4)中3個(gè)相位項(xiàng)均與快時(shí)間有關(guān)，甚至?xí)霈F(xiàn)的高次項(xiàng)，傅里葉變換后1維距離像將被拓寬，引起距離分辨率下降。為直觀分析目標(biāo)脈內(nèi)走動(dòng)的影響，下面對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模處理。

考慮到艦船目標(biāo)體積相對(duì)較大，運(yùn)動(dòng)也相對(duì)平穩(wěn)，因此在1個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)我們將其運(yùn)動(dòng)作為勻加速運(yùn)動(dòng)模型分析，有

可見(jiàn)，目標(biāo)在脈內(nèi)的勻加速運(yùn)動(dòng)模型將引起4次多項(xiàng)式相位。

為了衡量式(7)中每個(gè)相位項(xiàng)對(duì)1維距離像的影響，這里參照文獻(xiàn)[14]方法進(jìn)行判斷。首先按對(duì)艦船目標(biāo)成像的實(shí)際FMCW-ISAR系統(tǒng)對(duì)各參數(shù)給定大致范圍：雷達(dá)工作在X波段；帶寬B為400 MHz；雷達(dá)到目標(biāo)的距離為53 km；航速v為10節(jié)—20節(jié)(10 m/s左右)；加速度a為0～10 m/s2?？紤]到船只隨海浪的起伏和擺動(dòng)，實(shí)際的速度、加速度會(huì)更大。

3次項(xiàng)在1個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)引起的最大頻率變化為

可見(jiàn)3次項(xiàng)對(duì)頻譜影響依然可以忽略。

2次項(xiàng)(調(diào)頻項(xiàng))在1個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)引起的最大頻率變化為

按給定的參數(shù)范圍，2次相位中的前2項(xiàng)會(huì)對(duì)信號(hào)頻譜產(chǎn)生影響。所以式(7)可近似為

由此可見(jiàn)，受長(zhǎng)周期和目標(biāo)脈內(nèi)運(yùn)動(dòng)的影響，解調(diào)頻處理后點(diǎn)目標(biāo)的回波將表現(xiàn)為線性調(diào)頻信號(hào)的形式，調(diào)頻率為

對(duì)式(11)中的差拍信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，其頻譜，也就是1維距離像，將會(huì)有一定程度的展寬，引起距離分辨率的下降。同時(shí)，由于1維距離像變寬，目標(biāo)上某一距離單元的散射點(diǎn)將同時(shí)出現(xiàn)在其他距離門(mén)內(nèi)，不僅會(huì)影響包絡(luò)對(duì)齊的準(zhǔn)確度，還會(huì)造成方位向的模糊。所以，成像前需要對(duì)這個(gè)調(diào)頻項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 回波脈內(nèi)走動(dòng)的補(bǔ)償

補(bǔ)償式(11)中快時(shí)間調(diào)頻項(xiàng)的基本方法是估計(jì)調(diào)頻率并構(gòu)造補(bǔ)償信號(hào)與原信號(hào)相乘。估計(jì)線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻率的方法有很多，常見(jiàn)的包括2階DPT法[15]、解線調(diào)頻法、Radon-Wigner變換法[12]、FrFT法[16]等。在選擇估計(jì)方法時(shí)，需要考慮待估計(jì)信號(hào)的特點(diǎn)和估計(jì)精度、計(jì)算量的要求。脈內(nèi)走動(dòng)引起的線性調(diào)頻信號(hào)特點(diǎn)和補(bǔ)償要求包括：

(1) 由于目標(biāo)上有多個(gè)散射點(diǎn)，因此解線調(diào)頻后的差拍信號(hào)相當(dāng)于1個(gè)多分量的線性調(diào)頻信號(hào)?？梢约僭O(shè)船體上所有散射點(diǎn)在同一個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)擁有相同的速度和加速度，則每個(gè)信號(hào)分量擁有相同的調(diào)頻斜率。

(2) 鑒于2個(gè)調(diào)頻周期間艦船目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可能發(fā)生變化，因此需要對(duì)每次回波進(jìn)行單獨(dú)估計(jì)和補(bǔ)償。

2階DPT法采用自共軛相乘方法進(jìn)行調(diào)頻率提取，只適合估計(jì)單分量線性調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)，作用于多分量信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生交叉項(xiàng)，影響估計(jì)精度；Radon-Wigner變換以及FrFT等時(shí)頻分析方法計(jì)算量相對(duì)較大，若對(duì)每次回波都進(jìn)行計(jì)算，會(huì)嚴(yán)重影響成像效率。而解線調(diào)頻法只需要相乘和傅里葉變換等簡(jiǎn)單運(yùn)算，計(jì)算量相對(duì)較小，且適用于多分量同調(diào)頻率的信號(hào)。因此我們選擇解線調(diào)頻法作為估計(jì)方法。

解線調(diào)頻法是一種搜索方法，通過(guò)合理確定調(diào)頻率的搜索范圍和搜索間隔，設(shè)定有效的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可以快速估計(jì)出LFM信號(hào)的調(diào)頻率。此處我們采用1維距離像的熵值作為估計(jì)準(zhǔn)確性的判斷標(biāo)準(zhǔn)[17]?？梢韵胂?，當(dāng)差拍信號(hào)的快時(shí)間調(diào)頻項(xiàng)被完全補(bǔ)償時(shí)，每個(gè)信號(hào)分量均成為單頻信號(hào)，傅里葉變換后1維距離像上每個(gè)散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的峰應(yīng)該是最窄的，此時(shí)1維距離像的熵會(huì)達(dá)到最小值。

設(shè)調(diào)頻率搜索向量 =[k1,k2,···,kM],M為調(diào)頻率搜索值的個(gè)數(shù)。則對(duì)于每個(gè)回波，估計(jì)調(diào)頻率的過(guò)程可表示為

按式(14)計(jì)算每次補(bǔ)償后1維距離像的熵值，通過(guò)式(13)的準(zhǔn)則尋找最匹配的調(diào)頻率，完成調(diào)頻率估計(jì)。

相比頻譜峰值最大原則，將1維距離像熵值最小作為估計(jì)準(zhǔn)確性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可以避免因?yàn)槎鄠€(gè)信號(hào)分量幅度疊加造成的峰值虛高而導(dǎo)致的錯(cuò)誤估計(jì)，因此更適合于艦船這樣的復(fù)雜目標(biāo)成像情況。

利用解線調(diào)頻法估計(jì)和補(bǔ)償Dechirp處理后的差拍信號(hào)調(diào)頻項(xiàng)的步驟總結(jié)為如下4步：

(1) 根據(jù)實(shí)際的艦船目標(biāo)情況確定航速v以及加速度a的大致范圍，并依據(jù)式(12)計(jì)算調(diào)頻率的搜索范圍；

(2) 計(jì)算1維距離像對(duì)應(yīng)的頻譜分辨單元大小Δf=1/Tp，由此可確定調(diào)頻率搜索的最大間隔為Δkmax=Δf/Tp=1/Tp2。為精確搜索，實(shí)際搜索間隔可以確定為(1/10～1/20)Δkmax；

(3) 利用搜索范圍內(nèi)的每1個(gè)調(diào)頻斜率值構(gòu)造補(bǔ)償信號(hào)，與1個(gè)差拍信號(hào)共軛相乘，通過(guò)FFT得到新的1維距離像。計(jì)算此1維距離像的熵值并記錄。將熵值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的調(diào)頻斜率作為此差拍信號(hào)調(diào)頻率的估計(jì)值；

(4) 對(duì)所有Dechirp處理后的差拍信號(hào)進(jìn)行步驟(3)的操作，并利用估計(jì)出的調(diào)頻斜率構(gòu)造補(bǔ)償信號(hào)，與原始差拍信號(hào)相乘，完成補(bǔ)償。

利用上述補(bǔ)償流程，可以有效地將回波脈內(nèi)的調(diào)頻項(xiàng)消除。接下來(lái)，對(duì)差拍信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換即可得到補(bǔ)償后的1維距離像。然后對(duì)每個(gè)1維距離像進(jìn)行包絡(luò)對(duì)齊和相位校正，再沿慢時(shí)間做傅里葉變換，就能得到高分辨、聚焦良好的ISAR圖像?？偨Y(jié)起來(lái)，F(xiàn)MCW-ISAR艦船成像的流程如圖2所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本節(jié)通過(guò)仿真FMCW-ISAR對(duì)船只點(diǎn)散射模型的成像過(guò)程，驗(yàn)證前面所提補(bǔ)償方法的效果。仿真雷達(dá)參數(shù)如表1所示。船只的點(diǎn)散射模型如圖3所示。

考慮到海浪起伏導(dǎo)致的船只擺動(dòng)等影響，這里選擇1個(gè)較大的目標(biāo)速度50 m/s(并非船只航速)。通過(guò)R-D成像得到的結(jié)果為圖4(a)。可以看到，船只的散射點(diǎn)連成一片，圖像上出現(xiàn)許多虛假散射點(diǎn)，整體質(zhì)量較低。通過(guò)2.2節(jié)提出的脈內(nèi)補(bǔ)償方法補(bǔ)償差拍信號(hào)后，經(jīng)過(guò)同樣的成像處理操作得到的圖像如圖4(b)所示。值得一提的是，這兩幅ISAR像的表現(xiàn)方式完全一致(幅度均是按分貝值歸一化的)。顯然經(jīng)過(guò)補(bǔ)償圖4(b)的成像質(zhì)量更高，虛假散射點(diǎn)較少，能夠與船體的散射點(diǎn)模型對(duì)應(yīng)起來(lái)。計(jì)算圖4(a), 圖4(b)的熵值，分別為7.1990和7.0523。補(bǔ)償后圖像熵值下降，圖像聚焦性更高。說(shuō)明本文提出的補(bǔ)償方法能夠有效地提升成像質(zhì)量。

圖2 R-D成像算法流程圖Fig.2 Flow chart of R-D imaging algorithm

4 艦船目標(biāo)外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)脈內(nèi)補(bǔ)償與成像結(jié)果

本節(jié)利用艦船目標(biāo)的外場(chǎng)實(shí)測(cè)回波數(shù)據(jù)驗(yàn)證第2節(jié)中提出的回波脈內(nèi)補(bǔ)償方法是否有效。雷達(dá)參數(shù)見(jiàn)2.1節(jié)(雷達(dá)工作在X波段；帶寬B為400 MHz；雷達(dá)到目標(biāo)的距離為53 km)。成像目標(biāo)為貨船，船長(zhǎng)190 m。圖5是其光學(xué)照片。圖6是R-D成像時(shí)補(bǔ)償前后距離像的對(duì)比，其中圖6(a)，圖6(b)分別為2組不同調(diào)頻周期補(bǔ)償前后的1維距離像對(duì)比結(jié)果，圖6(c)，圖6(d)分別為補(bǔ)償前后的距離維壓縮結(jié)果，圖6(e)，圖6(f)分別是補(bǔ)償前后的包絡(luò)對(duì)齊結(jié)果，2組采用的包絡(luò)對(duì)齊方式均為積累互相關(guān)法[18]，且積累脈沖數(shù)相同?？梢钥吹?，補(bǔ)償后1維距離像各個(gè)峰值的寬度有一定程度的變窄。從整個(gè)距離像上看，由于補(bǔ)償后1次回波內(nèi)每個(gè)散射點(diǎn)基本只占1個(gè)距離單元，因此相鄰1維距離像的相似性增強(qiáng)，更有利于包絡(luò)對(duì)齊。對(duì)比圖6(e)，圖6(f)可看出，補(bǔ)償后幾個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)在包絡(luò)對(duì)齊的距離像上基本一直處于同一個(gè)距離門(mén)內(nèi)，而補(bǔ)償前即使進(jìn)行了包絡(luò)對(duì)齊操作，散射點(diǎn)仍然存在越距離單元徙動(dòng)的現(xiàn)象。這可以說(shuō)明2.2節(jié)提出的補(bǔ)償方法能夠有效削減長(zhǎng)周期帶來(lái)的脈內(nèi)走動(dòng)影響，抑制1維距離像拓寬和包絡(luò)對(duì)齊不準(zhǔn)的現(xiàn)象。

表1 仿真雷達(dá)參數(shù)Tab.1 Parameters of radar in simulation

圖3 船只的散射點(diǎn)模型Fig.3 The scatter model of ship target

圖4 散射點(diǎn)模型仿真成像結(jié)果Fig.4 ISAR images of scatter model

圖5 貨船目標(biāo)光學(xué)照片F(xiàn)ig.5 Optical photo of boat target

實(shí)驗(yàn)中采用恒定相位差消除法[18]作為相位校正方法。完成運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，最終的成像結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)，由于距離像拓寬、包絡(luò)對(duì)齊精度有限，直接用R-D算法處理得到的ISAR像在距離-方位2維都有一定程度的展寬，造成了圖像模糊，并且在圖像邊緣出現(xiàn)了虛假散射點(diǎn)。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，圖像模糊現(xiàn)象明顯減輕，聚焦性提升。經(jīng)過(guò)計(jì)算，圖7(a)熵值為9.3151，圖7(b)熵值為8.9368。熵值得以減小也可以說(shuō)明補(bǔ)償后圖像質(zhì)量得到了提高。

此外，我們另取了1段不同時(shí)刻的回波做同樣的補(bǔ)償和成像處理，得到的成像結(jié)果如圖8所示。圖8(a)，圖8(b)分別為補(bǔ)償前、補(bǔ)償后的ISAR像，它們的熵值分別為8.4226, 8.0613。再一次說(shuō)明，前面提出的脈內(nèi)補(bǔ)償對(duì)提高成像質(zhì)量是有效的。

從圖7、圖8的成像結(jié)果看到，補(bǔ)償快時(shí)間脈內(nèi)走動(dòng)后，方位向分辨率提升效果也比較明顯。究其原因，雖然補(bǔ)償脈內(nèi)走動(dòng)的直接作用是消除1維距離像的拓寬，改善距離分辨率，但1維距離像的拓寬影響的不僅是距離維。首先，由于同一個(gè)散射點(diǎn)可能出現(xiàn)在相鄰多個(gè)距離門(mén)中，這會(huì)使方位壓縮后圖像上出現(xiàn)虛假目標(biāo)點(diǎn)，引起距離和方位2維的模糊。其次，由于不同調(diào)頻周期的脈內(nèi)調(diào)頻率是變化的，因此每個(gè)散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的慢時(shí)間信號(hào)分量包含3種相位：平動(dòng)相位、轉(zhuǎn)動(dòng)相位和脈內(nèi)調(diào)頻相位。其中轉(zhuǎn)動(dòng)相位是方位分辨的依據(jù)，其余2種相位會(huì)造成方位向的散焦。平動(dòng)相位可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償去除。而脈內(nèi)調(diào)頻相位會(huì)同時(shí)隨快時(shí)間和慢時(shí)間變化，因此無(wú)法通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償消除，這造成了未進(jìn)行脈內(nèi)補(bǔ)償?shù)膱D像方位向的模糊，見(jiàn)圖7(a)和圖8(a)。所以補(bǔ)償脈內(nèi)走動(dòng)后，方位向的分辨率也得到了明顯改善。

許多情況下相關(guān)文獻(xiàn)考慮到艦船目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度不是很高的情況，此時(shí)可忽略FMCW-ISAR對(duì)其成像時(shí)脈內(nèi)走動(dòng)的影響。而實(shí)際上，由于受海浪等自然因素影響，艦船目標(biāo)起伏造成的速度、加速度會(huì)使脈內(nèi)調(diào)頻率增大，調(diào)頻周期內(nèi)目標(biāo)走動(dòng)往往是不可忽略的，這可以從圖7、圖8的成像結(jié)果中看出。所以文中分析和補(bǔ)償脈內(nèi)走動(dòng)對(duì)艦船目標(biāo)ISAR成像是具有一定意義的。

5 結(jié)論

圖6 補(bǔ)償前后距離像對(duì)比Fig.6 Comparison of range profiles before and after compensation

圖7 ISAR成像結(jié)果1Fig.7 The results of the 1st ISAR imaging

本文針對(duì)FMCW-ISAR對(duì)艦船目標(biāo)成像時(shí)，由于調(diào)頻周期過(guò)長(zhǎng)而使得目標(biāo)脈內(nèi)走動(dòng)不可忽略，最終引起1維距離像拓寬和圖像分辨率下降的問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)建模，我們發(fā)現(xiàn)，由于調(diào)頻周期較長(zhǎng)，傳統(tǒng)R-D成像時(shí)的“走-?！奔僭O(shè)不再成立，脈內(nèi)的目標(biāo)距離走動(dòng)將引起快時(shí)間的2次項(xiàng)，會(huì)導(dǎo)致1維距離像拓寬，影響最終的成像結(jié)果。為了補(bǔ)償脈內(nèi)調(diào)頻項(xiàng)，我們介紹了1種最小熵原則下的解線調(diào)頻估計(jì)和補(bǔ)償方法，對(duì)每次回波分別進(jìn)行補(bǔ)償處理。對(duì)船只散射點(diǎn)模型的仿真數(shù)據(jù)和艦船目標(biāo)外場(chǎng)實(shí)測(cè)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償和成像的結(jié)果驗(yàn)證了所提出算法在FMCW-ISAR成像中能夠有效地消除距離像拓寬現(xiàn)象，提高成像分辨率和成像質(zhì)量。

圖8 ISAR成像結(jié)果2Fig.8 The results of the 2nd ISAR imaging