雷达成像原理Word文档格式.doc
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3.1.4.3更一般的极化基 40
3.2传播与杂波 41
3.2.1雷达波在大气中的折射 41
3.2.2地表弯曲效应 42
3.2.3雷达波在空气中的衰减 43
3.2.4雷达波在雨水中的衰减 43
3.2.5雷达波在地表的反射 43
3.2.6多路效应 44
3.2.7表面杂波反射 45
3.2.8降水引起的雷达反向散射 46
3.3外部噪音 46
第四章:
基本雷达信号处理 50
4.1从噪声和杂波中间测回波信号 50
4.1.1检测器特点 50
4.1.2检测的基本理论 50
4.1.3噪声中检测无波动目标 52
4.1.3.1:
已知相位的单脉冲的相参检测 52
4.1.3.2单脉冲包络检测 52
4.1.3.3n个脉冲的相参积分:
52
4.1.3.4n个非相参脉冲的积分变换损失:
53
4.1.4施威林情形 53
4.1.4.2波动损失 53
4.1.5:
噪声中目标检测小结:
54
4.1.6:
次积分:
无振动目标 54
4.1.7目标 55
4.2雷达波形 55
4.2.1总的雷达信号 55
4.2.2匹配滤波器 56
4.2.3:
匹配滤波器对于延迟,多谱勒平移、信号的响应, 58
4.2.4雷达模糊函数 58
4.2.5例1:
一个单脉冲;
距离和速度分辨率 60
4.2.6例2:
线性频率调制脉冲;
脉冲压缩 61
4.2.7例3:
相关脉冲序列:
在距离和速度上的分辨率和模糊度 62
4.2.7.1单脉冲串 63
4.2.7.2线性调频脉冲串 64
4.2.7.3其它脉冲序列 65
4.2.8相差处理间隔 66
4.2.9CPI的例子,求解雷达方程 66
4.3雷达测量精确度 67
4.3.1单脉冲 67
4.3.2卡尔曼绕界限 67
4.3.2.1在频率上得卡尔曼-绕界限 68
4.3.2.2延迟上的卡尔曼绕界限 69
4.3.2.3角度上的卡尔曼--绕界限 69
4.3.2.4卡尔曼-绕界限的例子。
70
4.3.2.5总结:
71
第六章成像雷达简介 72
6.1距离—速度压缩 72
6.2旋转目标:
逆合成孔径雷达 72
6.3逆合成孔径雷达用于大范围目标 75
6.4点扩展函数 76
6.5标准二维逆合成孔径雷达:
小角度 77
6.6二维逆合成孔径雷达:
大角度 80
6.7三维逆合成孔径雷达 81
6.8波数空间与极化设计方法 81
6.9ISAR注释 82
6.10ISAR的其他情况 83
6.11近场ISAR 84
6.12变化情况未知的目标及旋转 85
第七章合成孔径雷达 89
7.1SAR 89
7.1.1SAR模型 90
7.1.2距离和速度等值线 91
7.1.3动态补偿 91
7.1.4斜面或平面 92
7.1.5SAR对脉冲重复频率的要求 92
7.1.6距离转移 93
7.2SAR波形及处理 94
7.2.1快时处理 94
7.2.1.1SAR中的线性调频(LFM) 94
7.2.1.2非线性调频处理 95
7.2.1.3非畸变过程 96
7.2.1.4LFM脊态 98
7.2.2慢时(slowtime)处理 98
7.3SAR成像质量 99
7.3.1脉冲响应 99
7.3.2信噪比(SNR) 99
7.3.3合成旁瓣比率 100
7.3.4倍增噪声比率(MNR) 100
7.3.5SAR的对比和光学成像 101
7.4SAR关键参数概述 102
7.5特殊SAR应用 102
7.5.1运动目标 102
7.5.2振动目标 103
7.5.3.1影像(Shadows) 104
7.5.3.2滞后 104
7.5.3.3立体 105
7.5.3.4干涉合成孔径雷达(IFSAR) 105
7.5.4前瞻SAR 107
7.5.5植被穿透SAR(FPSAR) 107
7.5.6极化SAR 108
7.5.7隔行扫描SAR/ISAR模式 108
7.5.7.1灵活波束搜索SAR 109
7.5.7.2隔行扫描搜索和集束模式 110
7.5.7.3灵活波束集束SAR 111
7.5.7.4其他灵活波束实例 111
第八章SAR/ISAR数字成像 113
8.1数字图像构造(信号处理) 113
8.1.1使成像和复成像 113
8.1.2离散付立叶变换 114
8.1.3补零 114
8.1.4数字SAR/ISAR图像形成 115
8.1.5点扩展方程 115
8.1.6距离窗 116
8.2数字成像的增强(图像处理) 118
8.2.1超分辨力和旁瓣降低技术导论 118
8.2.2DFT(FFT)处理 119
8.2.3周期图 120
8.2.4最小方差方法 120
8.2.5高分辨力向量图 121
8.2.6自适应旁瓣抑制 121
8.2.7空间变量变迹法 122
8.2.8超级SVA 123
8.2.9其他频谱估计技术和应用 124
8.2.10举例的结果 124
第一章雷达基础知识
1.1雷达的定义
雷达是指“发射电磁波信号并接收在其作用范围内的被观测物体(目标)的回波的装置”[1]。
雷达(radar)源于“radiodictionandranging”的首字母缩写。
现存的许多有用的系统都有同样的描述。
有时,人们使用声波(或超声波)而不用电磁波,这样的系统成为声纳。
按这种定义,蝙蝠使用的是声纳而并非雷达。
声纳的原理和雷达的原理很相似,但声纳不在本书的讨论范围内。
如无特别声明,本书假设电磁波能量从雷达硬件输出到天线,再从天线辐射出去,而后从一个或多个物体返回的回波通过先前辐射能量的天线接收,最后传输回雷达的硬件设备。
这样的雷达成为单站雷达,也就是说,电磁波的发射和接收在同一位置处。
有时我们也会提到双站,多站雷达。
在双站雷达系统中,发射天线和接收天线在不同位置处。
在多站雷达系统中,可能电磁波从一个或多个位置处发射,并在一个或多个位置处接收。
对于雷达讨论详见参考书目[2-16]。
1.2雷达简史
雷达的历史,特别是早期历史富有传奇色彩。
当Budrieri[17],Burns[18],Swords[19]等人作好一批优秀的论文之后,雷达的历史就随之开始了。
在1886年HeinrichHertz证实了无线电波的传播。
1904年德国的杜塞尔布市的Huelsmeyer获得了第一个雷达的专利。
Huelsmeyer称他的发明为“发射、接收赫兹波的装置,如在波的投射方向上存在金属物体如舰船、火车等,该装置可以示警”。
1922年Tayler和Young在华盛顿的海军实验室完成了第一部舰船探测雷达。
1922年Hyland制作了第一部飞机探测器。
在1941年美国陆军的雷达发现了接近珍珠港的日军机群,但当值的军官认为那是假目标。
二战期间,英国的ChainHome雷达系统的快速发展,对于英国成功的防御德军的空袭起了很重要的作用。
战后,雷达更是飞速发展,人们制造出了各种类型的雷达一直延用至今。
1.3电磁波
早在1865年JamesClerkMaxwell提出了电磁基本方程(麦克斯韦方程)预测了电磁波的存在。
电磁波由波动的电场和磁场构成。
电磁波的传播速度可通过自由空间的基本电磁属性来计算。
ε0(对于自由空间)=8.85×
10-12kg-1m-3s-2coul2
μ0(对于自由空间)=4π×
10-7kgmcoul
c==2.998×
108m/s(1.1)
这种计算速度的方法同样适用于可见光。
这也就说明了可见光也是一种电磁波。
Hertiz证明了不可见的电磁波的存在,我们称之为无线电波。
现在我们知道电磁波有一个连续的波谱,包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、γ射线。
通常雷达这个术语是指利用无线电波的系统。
本书只是电磁波的简介,读者若想进一步研究,可供参考的文章很多,如Jackson[21]和Stratton[22]的文章。
电磁波的理论可使用不同的单位量纲系统表示,本书中使用的是公认更合理的千克-米-秒的量纲系统。
[文献22,16-23页]。
图1.1描绘了在真空中传播的几种简单的电磁波在某一特定时刻的波形。
电场(E)和磁场(H)在空间上都是正弦变化的(黑体表示矢量)。
在相位上,电场和磁场相互垂直,并且都垂直于传播方向。
每秒通过某特定位置的波峰的个数成为频率(f)。
f可用每秒的周期数来量度(赫兹)。
在雷达系统中,频率通常是指载波的频率。
两个相邻波峰之间的距离成为波长λ。
λ=c/f=2π/λ=2πf/c并且k=e*h(^表示单位向量)。
瞬时的能量通量密度(w/m2)表示为|S|=E×
H=cε0E2=c0μH2。
S为波印亭矢量[22]。
场强的单位是V/m,波印亭矢量S的单位是W/m2,因此可以推出,常数cε0的单位是1/Ω或S。
cε0==1/377Ω(1.2)
cε0的倒数有时被成为自由空间的阻抗。
一般用矢量表示电场E的方向。
如图1.1(a)所示的波形,矢量的值是常数(不记正负号)。
的方向决定了波电磁波的极化形式。
若矢量的数值为常数,则称电磁波是线极化。
若重力场存在,并且波的传播方向与重力场方向垂直,则称这样的线极化波是水平极化或垂直极化的。
更常见的情况是,E(或H)的方向与传播方向垂直,但在垂直关系下,指向不固定。
此时,E的方向可以用两个相互正交,且都垂直与的矢量表示。
这样的波不再是线性极化的。
在一般情况下,电场E可以用一组垂直于传播方向的椭圆形螺旋线来描绘。
这样的波是椭圆极化波(特殊情况下为圆极化波),波形如图1.1(b)(c)所示。
线极化波的表达式为(E的模值为常数,且E所在平面与k垂直)
E(r,t)=E0cos(ωt-k·
r+φ0)(1.3)
其中,r是一个三维空间坐标矢量,ω是角频率,单位是rad/s,ω=2πf,t是时间,φ0为初始相位(一般为0)。
于是有d=ω/c,c=λf=ω/k,波的周期Tp=1/f=2π/ω。
由于正弦信号的均方值等于其振幅的一半,所以平均辐射强度为:
|S|=1/2cε0E02。
(1.4)
(单位为W/m2)。
当只考虑时间切片时,电场强度可以看作是一个复数信号的实部,进而用余弦函数来表示:
E(r,t)=Re(E0exp(j(ωt-k·
r+φ0)))。
(1.5)
在r=0处,E(0,t)=Re(E0exp(j(ωt+φ0)))=E0cos(ωt+φ0)。
其中j为-1的平方根。
E0cosφ可表示复平面上旋转向量的实部。
如图1.2所示,图中角度Φ的余弦值就等于相位值,相位的变化率就是角速度ω:
ω=dω/dt(1.6)
此图就是有名的阿干特图Argand(两垂直轴,一为实数轴,一为虚数轴)。
等相位面称为波面,波的传播方向与波面垂直。
真空中的光速,也是电磁波的速度为c=299792458m/s。
这个值是光速的精确值,利用光速人们定义了米这个长度单位。
光速的近似值为300000m/s,实际上真正的光速为300000m/s·
(0.999308),除少数特殊情况外,工程上一般使用近似值。
下列数值很常用,应该熟记。
c=3×
106km/s
c=300km/ms
c=300m/s
c=30cm/s
表1.1中列出了雷达频率---波长的关系。
表1.2列举了各个波段的命名。
除了高频(HF),超高频(VHF)和甚高频(UHF)是首字母的缩写外,其他的波段名都人为的使其无字面意思。
这主要是出于保密的考虑。
当时在二战时期,虽然可以将波段的名称公开,但对具体的频率值是要保密的。
表1.1频率——波长对应表
频率
波长
1MHz
300m
10MHz
30m
100MHz
3m
1GHz
30cm
10GHz
3cm
100GHz
3mm
表1.2雷达波段
波段
频率(GHz)
HF
0.003~0.03
VHF
0.03~0.3
UHF(P)
0.3~1
L
1~2
S
2~4
C
4~8
X
8~12
Ku
12~18
K
18~27
Ka
27~40(通常为35)
V
40~75
W
75~110(通常为95)
1..4脉冲
本书中讨论的雷达是各个波段下的脉冲雷达。
(f:
0.1~100GHz,波段:
VHF~W)即雷达波形是一系列孤立的脉冲,在很短的时间片内雷达有能量辐射,在长时间短内不辐射能量。
除了这中种脉冲雷达,还有连续波体制的雷达。
图1.3表示了典型的脉冲串,最理想的脉冲是脉冲的上升时间和下降时间都为0,实际上真实脉冲都是存在上升和下降时间的,但通常可以理想化。
一个脉冲所持续的时间叫作脉冲宽度。
一般取纳秒或微秒为单位。
图1.3中所示的脉冲都是等宽度的,这种情况最常见。
两个脉冲之间的时间间隔叫作脉冲重复间隔,脉冲重复间隔通常也是等长的(但不全是),这对脉冲的发射很必要。
若脉冲重复间隔(用tR表示)是固定大小的,则称它的倒数为脉冲重复频率。
雷达的重复频率一般从0.1~300k赫兹不等。
本书中脉冲的重复频率用fR表示,脉冲宽度用τ表示,它们的乘积是一个关于时间的分数,称为占空比,用fD表示,有:
fD=fRτ(1.7)
占空比通常用百分数表示,对于脉冲雷达占空比一般从1%~40%。
峰值功率是指在一个脉冲内功率的平均,用Ppeak表示。
平均功率是指在一个重复周期内功率的平均,用Pavg表示。
设一线极化波,在一个脉冲内功率按正弦变化,周期为Tp/2,则此时峰值功率Ppeak不是瞬时最大值,而是等于最大值的1/2。
这是由于余弦信号的均方值和最大值之间存在1/2的关系。
例如某雷达极化波选用的参数如下:
τ=100us,tR=1ms,fR=1kHz,fD=10%,Ppeak=100w,Pavg=1000w
1..5分贝值表示方法
功率的比值通常用分贝值表示。
定义式为:
dB=log10(P1/P2)。
(1.8)
例如两个功率值之比为0.01,则对应于-20dB,分贝(decibel)顾名思义是以1贝尔(bel)的十分之一为单位。
而贝尔这个单位这个量纲源于发明家AlexanderGrahamBell的姓。
功率比值的分贝表示为10log10(P1/P2)。
表1.3中列处了比值与分贝值的对应关系。
有趣的是这些值的近似与某些整数或整数半很接近。
建议读者记住这些近似值。
表1.3分贝值与比值的对应关系从(1到10)
比值
分贝值
近似分贝值
1
0.000
2
3.010
3
4.771
5
4
6.020
6
6.990
7
7.7892
8
8.451
8.5
9.031
9
9.542
9.5
10
10.000
1..6天线
在本节中仅简单介绍天线的相关知识,主要是针对雷达方程进行讨论。
在以后的2.2.3节会有更详尽的论述。
天线被定义为“系统中用来发射电磁波和接收电磁波的收发部件”。
电磁波是通过天线来传输的:
(1)从雷达硬件传播到自由空间(空气或其它介质)
(2)从自由空间传回到雷达内部。
许多天线是圆盘形的,其直径一般用D表示。
对于这样的圆盘天线2.2节给出了它的方向性函数。
方向性函数是以角度为自变量的函数,反映了天线辐射强度随角度的变化,最强的辐射区成为天线主瓣,与主瓣相邻的两侧存在旁瓣,典型的天线方向图如图1.4所示。
主瓣的指向就是天线的辐射方向。
图1.4中所示的天线,在空间的辐射强度会随距离的远近而变化,距天线越近,辐射强度越大,反之越小。
天线的波瓣之间还存在0功率点。
这些点处的辐射强度与波瓣内的峰值相比很小,可以忽略,但并不真正为0。
如果有一个天线的形状示边长为D的正方形平板,而且D远大于波长λ,则辐射强度在天线面上的分布是均匀的,另外,在天线口面垂直并与天线的一边平行的平面内,辐射功率从峰值下降到0经过的角度为λ/D弧度,两个半功率点之间的宽度0.886λ/D(也称为半功率宽度或-3dB宽度)。
如果有一个天线是直径为D的圆盘,也是均匀辐射,它的主瓣中从峰值到0点经过的角度为1.22λ/D弧度,(这个数值在光学系统中很常见)。
下面简单介绍一下本节将要使用到的符号,这些符号表示法参考了文献[24]的第一章。
在2.3.2节将对这些符号的物理意义及其相互关系作更为详细的分析。
。
Ptrans:
雷达发射功率,是指由雷达硬件传输到天线的功率(是峰值值还是平均值根据上下文而定)。
Pr:
天线辐射功率。
是指天线向外辐射的功率,(单位:
w(瓦))
ηr:
辐射效率。
ηr=Pr/Ptrans。
Φ(θ,φ):
是指辐射强度方向性系数(单位:
w/rad(瓦/弧度)),使用的空间坐标系为球坐标。
Φaverage=Pr/4π
D(θ,φ):
天线方向性函数。
D(θ,φ)=Φ(θ,φ)/Φaverage=4π·
Φ(θ,φ)/Pr。
G(θ,φ):
天线增益。
G(θ,φ)=ηr·
D(θ,φ)
S(θ,φ):
通量强度,即波印亭矢量强度S(θ,φ)=Φ(θ,φ)R2。
R表示与天线的距离,一般R远大于天线的尺寸。
Ae(θ,φ):
天线的有效面积。
η:
口径系数,η=Ae/A≤1。
Ae是天线的真实口径,而A表示的是天线的物理面积。
Precd:
由天线接收的,传输回雷达硬件的外部物体的回波。
(是峰值值还是平均值根据上下文而定)
若雷达向各个方向均匀辐射,覆盖了4π的立体角,则单位立体角度上得到的辐射功率为平均功率Ptransη/4π。
这样的天线为各向同性天线(但在工程上是无法实现的)。
真实的天线能量集中分布在一定的角度范围内,在其主瓣方向上出现峰值,该峰值比平均功率Ptransη/4π大的多,它们的比值为方向性系数:
(1.9)
电磁波在传输过程中经过无源的电子器件(包括无源天线)会产生损耗(用L表示),包括热损耗,阻抗不匹配的损耗等等。
L通常是一个大于1的数,等于输出功率与输入功率的比值:
(1.10)
在2.2节将会讲到:
G0=G(0,0)(1.11)
若波长远小于天线的尺寸G0将不再和天线的形状有关。
因子η可以分解成多个因子的乘积ηrηiη1η2……[参见参考文献24的第一章]。
ηi是天线的辐射效率,在数值上等于天线实际的方向系数与理论方向系数的比值。
其他因子与另外一些降低天线增益的因素有关,例如馈源对天线口面的遮挡等等。
[参见2.3.2节]。
天线向空间辐射的功率可表示为:
(1.12)
f(θ,φ)是方向性函数,是一个复数,包含相位信息。
f(θ,φ)反映了电场的分布|f(θ,φ)|2与功率成正比。
|f(θ,φ)|的最大值为1。
G(θ,φ)的表达方式有多种,其中两种最常用。
一种表示方法是与主瓣的辐射强度相比,用比值表示,另一种是与天线的均匀辐射强度相比,用比值表示。
后一种表示法引入新的名称“各向同性分贝值dBi”。
用一个例子来说明:
某天线若均匀辐射可以计算出其增益为-35dB,又测得其旁瓣增益为-45dB,则其旁瓣增益为-10dBi。
能量辐射到自由空间中,若无遮挡,而且距离天线足够远,距离R远大于天线的尺寸,则该处的能量密度为:
(1.13)
1..7雷达散射截面
当发射的能量Sincident遇到外界物体的反射时,会被物体反射回雷达,各个物体通常是有意被进行测量的,但有时,“目标”还指那些未知的有待探测的物体。
当电磁波投射到物体上,反射的能量为Φscatter=Sincident·
σ/4π。
在距物体R处的回波强度Sscatter=Sincident·
σ/4πR2。
σ就是所说的雷达散射截面RCS。
从物体在某方向上的RCS在数值上等于物体朝该方向反射的功率与该物体单位面积上得到的功率的比值的4π倍。
若不加特殊说明,测量RCS时所使用的是连续波。
在连续波的照射下,物体在电磁场中是一个等势体,而且电势的建立瞬时完成。
RCS与入射强度Sincident无关(通常是利用一些近似考虑,而认为两者无关)。
因此RCS是目标的属性而与雷达的频率、极化、距离等因素无关。
RCS和面积有相同的量纲,单位为m2,或dBm2(dBsm)。
例如RCS可表示成1000m2,或30dBm2。
若不加特殊说明,RCS指的是单站雷达的后向散射。
RCS的方向性很强,这一点对于双站雷达尤为明显。
如果反射体全部处于辐射场中,而且不存在吸波等能量消耗,再假设一个理想的反射体为各向同性的,即向各个方向上均匀的反射,则将反射体沿波束方向投影,投影面积的大小就等于RCS。
大多数目标并非如此,真实目标的RCS并不等于投影面积。
若一目标比同等面积的理想各向同性的反射体的反射强的多,就称其为高RCS,例如一个垂直波束方向放置的金属平板就是一高RCS体。
类似的,若反射弱于理想各向同性散射体就称其为低RCS体。
RCS被降低的原因可能是主要的反射方向不在后向,也可能是目标的有吸波特性,或两者兼有。
近几年,人们一直在努力研究降
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- 雷达 成像 原理