雷达前视成像技术的研究现状

　　摘 要：为弥补由于雷达前视方向没有足够的多普勒带宽而难以利用合成孔径雷达(SAR)成像技术的问题，雷达前视成像技术得到了多角度且深入的研究，并在导弹精确打击、地形识别、目标定位以及飞机自主着陆等方面投入了应用。本文全面介绍了前视成像技术的研究历程，根据成像原理、雷达模型、探测信号的不同对该技术做了系统分类，主要阐述了基于卷积反演的成像技术、单脉冲成像技术、微波关联技术、阵列雷达成像和双基前视成像的基本原理和特点，并总结了各种前视成像技术的研究现状及发展趋势。

　　本文源自樊晨阳; 贺思三; 郭乾， 电光与控制 发表时间：2021-07-08《电光与控制》(月刊)创刊地1970年，是中国航空工业集团公司主管、中航工业洛阳电光设备研究所主办、中国航空学会航空武器系统专业分会协办的跨电子、光学、自动控制和计算机等多学科的综合性学术刊物。

　　关键词：合成孔径雷达;前视成像;卷积反演;阵列雷达

　　0 引言

　　雷达成像技术通过发射特定的微波电磁信号和对接收信号的成像处理可以实现对观测区域目标散射系数分布信息的获取，相比于光学、红外等成像技术，不受光照、温度以及多数气象条件等的制约，能够进行低能见度成像。多普勒波束锐化(DBS)与 SAR 成像技术是常用的二维成像手段，它们利用观测平台与目标方位向的相对运动产生的多普勒频移差别分辨出波束内不同目标的方位信息。

　　当雷达处于前视状态时，平台的运动方向和天线主波束指向基本一致，观测区域相对于雷达平台的多普勒频率变化近乎消失致使用于侧斜视状态的 DBS 与 SAR 成像方法失效，前视成像效果因天线孔径大小严重受限。雷达前视成像技术在目标侦查和追踪、导弹精确打击、飞机自主着陆以及气象地质评估方面具有广阔的应用前景，世界各国的研究者在此领域展开了诸多探索和研究[1]，并提出了多种解决方案。如图 1 所示，首先从基站数目上出发，可以分为单基前视成像和双基前视成像：单基前视成像通过对接收回波信号的处理实现角度信息的高精度估计或超分辨估计实现前视成像[2、36];双基前视成像基本原理与传统 SAR 相似，利用双基地观测目标导致的多普勒频率差异获得相对某一基站的前视成像[37-42]。本文分别对单天线扫描、阵列天线以及双基 SAR 等前视成像方案的基本原理、特性与研究现状作系统介绍，并对其发展趋势进行归纳总结。

　　1.单天线前视成像技术

　　单天线前视成像技术主要采用实波束扫描模式对观测区域的持续性扫描探测，对单次回波的通道数没有具体要求，其通过天线扫描积累各方位回波数据序列并进行距离向脉冲压缩获得初步成像结果，再针对前视观测区域和应用设备的特点采用合适的方法进行方位高分辨实现前视成像，具体执行方案包括单脉冲前视成像技术、基于卷积反演的成像技术、实波束谱估计成像技术以及扫描时间角度相关(STAC)成像技术。

　　1.1 单脉冲前视成像技术

　　单脉冲成像技术由于其硬件结构和执行算法的相对简单目前被广泛应用。在文献[3-5]中，吴迪等人持续研究了单脉冲前视成像算法，从成像结果的失真和噪声等角度分析了成像质量，对实际应用中鉴角曲线存在偏差波动的问题提出了一种自聚焦算法，提高了该技术的实用性。由于前视成像技术最初是当作 SAR 成像技术的补充而研究的，文献[6]提出了联合成像的方法，前视扫描区域雷达回波采用单脉冲成像，测斜视区域进行 SAR 成像，再通过 Gabor 滤波器组对回波信息进行特征提取，最后匹配边缘区域特征信息以拼接成扇区成像结果，该方法在工程上具有可行性，提高了整体成像的精度、质量和直观性，但在像素级融合拼接效果上还有待提升，接痕明显。

　　单脉冲成像技术应用于多个强散射目标或连续分布的目标时，往往会生成虚假目标并伴有角闪烁现象，降低成像质量。对此，文献[7]提出结合最大似然角估计将目标信噪比估计算法推广到对同一距离位置处三个目标的检测和分辨，仿真和微波暗室实验表明该种方法能够很好地实现多目标检测成像。

　　结合俯仰维的方位估计，单脉冲技术可推广至三维前视成像。文献[8]分析了单脉冲三维前视成像的可行性，并针对相邻目标的相互干扰问题结合 Relax 算法降低了其影响;文献[9]借助虚拟合成阵列以及逆散射法估计了观测区域的目标分布，然后结合转台成像原理完成俯仰向分辨，提高了单脉冲三维前视成像的精度，但该方法计算量较大，且在有干扰情况下性能下降较快。

　　1.2 基于卷积反演的前视成像

　　扫描模式下雷达回波序列经过运动补偿后，在方位维可以认为是雷达天线方向图和同一距离单元目标在角度上的分布情况进行卷积的结果，根据时域卷积模型在频域上表现为相乘的原理，可以将回波序列和天线方向图矩阵变换到频域直接进行除法运算来得到观测区域方位向分布信息。但由于天线方向图带宽是有限的且在对应频域存在零点使得噪声信息在卷积反演过程中被放大以至于淹没真实信息，直接解卷积方法不能得到稳定解，是病态欠定的。

　　在直接解卷积方法受到噪声和方向图频域低通而失效的情况下，早期的研究思路是通过滤波的方法[10]或者迭代算法[11]求解方位向散射系数分布来提升成像分辨率。总体来说这些算法在高信噪比情况下能有效提升前视成像的分辨率，但具有收敛速度较慢和伪峰问题，对低信噪比情况适用性差。为进一步提升卷积反演前视成像技术的性能，正则化理论开始作为一种解决思路被引入求解过程 [12-13]，其本质是通过增加约束条件，平衡目标信息恢复和噪声抑制之间的矛盾，以在噪声环境下得到足够清晰的分辨结果，从而把原病态问题良态化处理。

　　正则化约束方法的主要实现算法包括迭代收缩阈值算法、基追踪算法、贪婪迭代算法、梯度投影算法等，在参数数值的选取一般由 L 曲线法、广义交叉验证理论及 SURE 方法等决定。这类方法实现形式各异，对应的性能也稍有差别，但相对于早期迭代求解算法的图像恢复能力及对噪声的稳健性都有不同程度的提升。文献[14]将截断奇异值方法应用到稀疏目标超分辨成像，首先进行针对噪声信息的回波预处理，重构信号卷积模型及正则约束项，可以在低信噪比(5dB)环境下完成雷达前视超分辨成像，提升了稀疏强散射点目标条件下超分辨成像方法的抗噪性能。文献[15]针对基于振幅信息的卷积反演方法在雷达平台速度快的情况下表现较差的问题，提出了进一步利用多普勒相位信息的复反卷积方法，该方法综合考虑信号幅度及相位信息得到了相应的信号复卷机矩阵，并基于正则化理论完成了前视成像，得到了一定条件下的平台高低速界限，指出高速时其成像效果明显优于传统算法，低速时无明显差异。

　　\在正则化理论的基础上，通过对不同天线工作模式下反卷积算子的修正，很多研究人员对多通道卷积反演技术进行了改进和提升，总体思路是利用多个通道如单脉冲雷达和差通道提供的信息平抑单通道时频谱存在零点引起的噪声放大问题，并针对天线方向图的特点确定各通道权值算法等来完成方位分辨。文献[16]首次提出将多通道卷积反演理论用于雷达成像领域，深入研究了其突破瑞利极限实现高分辨的原理，提升了成像效果;文献[17] 进一步研究了单脉冲多通道解卷积成像方法，在信噪比较高的情况下将实孔径雷达成像的方位分辨率提升了一个数量级，指出高频噪声也受对天线方向图的截取形状的影响，该算法由于运算量较大，实时性有待进一步提升且迭代结果鲁棒性欠佳。文献[18]基于单脉冲雷达提出一种利用和差双通道的正则化成像算法，该方法依据最大后验概率准则建立多通道 L1 正则化模型，由多通道迭代收缩阈值算法来解得前视成像结果，并指出该多通道算法可以等效为一种级联滤波器，结果表明该方法能进一步提升算法效率，有较强的场景复原能力以及噪声抑制能力。

　　单天线模式下基于卷积反演的雷达前视成像方法能够实现很好的效果，可以基于现有的雷达硬件系统进行成像运算，结构简单，不需要过多的成本投入，研究思路比较成熟。

　　1.3 实波束谱估计前视成像

　　考虑到扫描天线回波测量矩阵与阵列天线方向矩阵具有相似的数学模型，可以将阵列信号处理方法用于卷积反演问题，有学者就此提出了适用于单天线扫描模式的 Scan MUSIC 算法[19]、ESPRIT[20] 算法等，验证了阵列信号处理办法用于提高扫描雷达成像方位分辨率的可行性。文献[21]针对实波束回波中相干源问题，提出了一种最小方差波束形成方法，由于需要对观测场景进行大量扫描以估计回波信号协方差矩阵，该方法能够在非运动平台上取得较好的成像效果，平台高速运动时会面临有效快拍数不足的问题。对于该情况，文献[22]针对快拍数问题提出了一种迭代自适应算法，通过迭代的方法不断更新自相关矩阵以保证精确估计协方差矩阵，减少了对快拍数的依赖，提升了该方法的实用性。

　　1.4 STAC 技术前视成像

　　STAC 技术最初由 J.Mcintosh 提出并进行了初步仿真验证[23]，该技术参考距离向脉冲压缩技术，通过对发射脉冲信号序列的频率进行缓慢的编码调制，同时令雷达以稳定的速度对观测目标进行扫描，在方位向形成伪角度脉冲包络，此时将脉冲压缩技术应用于角度范围即可实现雷达前视方位向分辨。

　　2 阵列天线前视成像

　　阵列天线前视成像技术根据发射信号的特点，可以分为利用波束形成技术扫描的阵列天线角度超分辨技术和发射随机辐射场的微波关联成像技术。

　　2.1 阵列天线角度超分辨技术

　　前视成像雷达不能实现方位超分辨从 SAR 的角度考虑主要是因为无法借助平台运动获得足够大的合成孔径，一种解决思路是通过更改天线分布配置等硬件操作，在平台运动切航迹方向构成天线列阵，结合相应的阵列信号超分辨处理技术便能提高雷达方位分辨能力[24]。这种阵列天线角度超分辨系统具备较高空域自由度且计算复杂度不高 [25]，目前已被广泛研究和实验。

　　美国学者Bassem R.Mahafza[26]最早提出了利用在切航迹方向布设阵列天线的前视成像方法，并通过仿真验真了可行性，文献[27]对该系统做了进一步的探讨，研究了该系统的几何架构、分辨率评估和脉冲重复频率要求等。上世纪末，德国宇航局研制出视景增强区域成像雷达(SIREV) [28]，在切航向线上放置了线性阵列天线，如图 2 所示，该系统利用直升机平台进行了前视成像实验，通过采用单发多收的阵列天线工作模式，能够获得方位向的高分辨以实现雷达前视成像。这种方法本质上是依靠大孔径天线完成方位超分辨，通过对多幅图像进行相干平滑处理后提升了图像对比度和信噪比，但由于系统比较复杂，对搭载平台结构大小有较高的要求。

　　移动平台由于尺寸的限制不能任意加长阵列、增加阵元，因此采纳相应的数据处理技术来提高分辨率成为了进一步的研究方向，比较常用的算法有多重信号分类算法、旋转不变技术算法等子空间分解类算法和针对相干信号的空间平滑类算法等。文献[29]提出了一种基于改进 MUSIC 算法的阵列雷达前视成像方法，该方法通过修正初步估计的协方差以及空间平滑去相干处理后，采用 MUSIC 算法得到空间谱并通过最大似然估计方法得到幅度信息，积累各距离上的谱曲线即可获得成像结果。另外，通过阵列天线发射雷达信号，机载阵列前视三维成像的研究也取得了一定进展，文献[30]提出了一种线频调变标的 3 维前视成像算法，该算法不需要对散射体的精确定位进行插值运算，并讨论了点扩展函数的等深面形状以及几何畸变校正对成像的影响。

　　2.2 微波关联成像技术

　　微波关联成像技术是量子关联成像技术在微波领域的推广应用，利用双光子的纠缠特性从底层粒子的角度实现宏观成像[31-32]。在该理论的支持下，考虑到微波比光波适应性和应用范围更广，学者们开始把微波关联成像技术引入雷达前视成像领域 [33-34]，利用相控阵雷达生成具有时间、空间二维随机性的辐射场，并分析了应用该随机辐射场的成像技术特点。文献[35]分析对比了噪声条件下直接关联算法、伪逆算法、正则化算法等对微波关联成像模型求解的成像质量的差异，提出一种在噪声干扰下应用改进的全变差正则化算法实现微波关联高质量成像的方法，并指出网格失配误差和阵元位置误差等导致了辐射场误差;文献[36]为实现关联成像的超分辨效果，提出了基于压缩感知的稀疏求解方法，并将二维关联成像技术扩展到三维关联成像。微波关联前视成像技术主要限制在于辐射场的空间随机性有限，需要阵列雷达技术进一步的发展和支持。

　　3 双基地前视成像技术

　　双基地前视方法在成像的过程中，通过分置发射机和接收机于不同平台解决了前视盲区问题，具有隐蔽性强和抗干扰性、截获性好等特点，多普勒分辨率和距离分辨率的计算方式变得更加灵活，该方法主要收发搭载平台包括星载、机载、弹载、车载、固定基地等，可以组成多种成像模式[37]。

　　有关双基 SAR 前视的研究开始于上世纪 90 年代，一般用距离多普勒及后向投影算法对实测数据进行处理成像[38]。德国国家应用科学研究院通过实验第一次验证了双基雷达的前视模式能够进行二维精确成像[39]，其中发射机处于运动状态，搭载在运输机上，接收机使用 MEMPHIS 雷达并固定在附近建筑物房顶。德国高频物理与雷达研究所(FHR)针对低能见度条件下飞机安全着陆问题应用双基 SAR 对机场跑道进行了前视成像试验[40]，实验中探测信号由车载雷达提供，着落飞行器接收散射信号，如图 3 所示为其设备和实验结果，图中跑道轮廓和角反射器位置都得到了显示，验证了该方法在提高飞机着陆安全性的适用性。国内双基成像实验主要由电子科技大学开展[41]，结果如图 4 所示，该实验利用广义 Omega-K 成像算法来进行成像计算，利用二维 Stolt 频率变换解决二维空间变化问题，具体结果说明该方法能够处理不同状态的平动双基 SAR 雷达前视成像问题。文献[42]研究了双基地前视成像的运动误差及其补偿问题，提出了基于多普勒-慢时间解耦合的运动补偿算法，解决了运动误差二维空变性问题，利用图像最大对比度迭代自聚焦算法提升了补偿的精度，有效提高了非移变模式下的自聚焦前视成像效果。

　　双基地前视 SAR 相对传统的单基 SAR 成像存在很多新的理论和技术问题，比如时频同步问题和运动误差补偿问题等，并且对接收站和发射站的定位和分布有了更高的要求，但也正是由于灵活分置的收发平台方法扩展了 SAR 成像技术的适用范围，可以说多平台收发是 SAR 成像技术的发展趋势。

　　4 展望

　　对雷达前视成像技术的研究到目前为止，在理论上和实验上都取得了长足的进步，但在实际应用领域仍然存在着一些问题，需要针对性地提出改进办法并挖掘前视成像技术的发展潜力。

　　首先对于单天线扫描前视成像，该方法对硬件的依赖程度低，主要依靠正则化理论等实现前视方位超分辨，对算法的性能有较高的要求。目前主要存在的问题在于成像的实时性有待提升：由于该方法工作在波束扫描成像模式下，要对观测区域进行成像需要一定的时间来积累足够的回波脉冲信息，求解算法的复杂性进一步延长成像时间，制约了该方法的实时应用，这需要改进雷达的扫描方式和算法性能。另外目前提出的成像算法大多只利用了回波的幅度信息，未能对相位信息做充足利用：当平台和观测目标处于相对运动状态时，天线方向图会出现畸变，观测到的目标会偏离其真实位置，回波的相位信息不能被忽略，同时由于实际的雷达系统并非完全稳定，相关的波动和误差对成像的影响及有效的自适应补偿方法也是进一步的研究方向。

　　其次对于阵列雷达前视成像，该方法的超分辨成像是建立在复杂的阵列收发硬件系统上的，然而雷达所在平台空间的有限性限制了复杂度的提升，同时单纯利用阵列信号超分辨算法的前视观测区域可识别目标数受限于阵元数，总体提升成像效果的条件比较高。在改进方向上，根本方面有赖于更好的硬件支持和雷达相关行业研究制造领域的进步，另外可以利用互质阵技术降低对阵元数的依赖，在具体的信号处理算法上，可以进一步结合单天线扫描模式下的成像算法，平衡系统复杂度和算法复杂度的关系并提升成像效果。

　　最后对于双基地雷达前视成像，由于收发异地导致整体结构模型复杂化，该方法及所用算法往往需要对大量数据进行复杂处理，再加上双站同步问题和双站空间几何关系引起的成像算法多变性问题，都是当前客观存在的难题。进一步的研究可以先从具体的应用场景出发，利用其收发分离的特点，可以在无人机上搭载小型接收机，形成前视成像网络，并深入分析其运动补偿问题和空间配置问题。

　　5 结束语

　　雷达前视成像技术作为合成孔径雷达成像技术的一个补充，无论是在军事上的导弹精确打击、空中海面目标成像跟踪，还是民用上的飞机起降辅助，都有着巨大的应用空间。就目前该技术的发展情况来看，研究较多且发展比较迅速的成像方案主要有基于正则化理论的解卷积技术、双基成像技术、阵列成像技术等，比较新颖具有一定潜力的包括 STAC 技术和微波关联成像技术，本文对此及其他前视成像方法技术做了较为全面的介绍，同时指出它们的性能特点和应用局限和优势，并分析了各类技术的发展提升方向。