摘  要： 包絡(luò)對齊是逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)平動補償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，是圖像重構(gòu)的基礎(chǔ),。依據(jù)設(shè)備所使用包絡(luò)對齊方法,，在積累互相關(guān)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法改進(jìn)，提出迭代相關(guān)對齊法,。不同于原方法,，迭代相關(guān)法使用平均距離像作為參考包絡(luò)對各次回波作相關(guān)對齊，并進(jìn)行多次迭代,，直至收斂,，有效地防止對齊漂移和突變誤差的發(fā)生，從而保證了包絡(luò)對齊的精度和穩(wěn)定度,。仿真結(jié)果表明,，該方法能顯著提高包絡(luò)對齊精度從而提高ISAR成像質(zhì)量，且運算量增加不大,。
關(guān)鍵詞： 包絡(luò)對齊,；ISAR；迭代相關(guān)

    逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像技術(shù)是在合成孔徑雷達(dá)技術(shù)上發(fā)展起來的,。ISAR成像系統(tǒng)為雷達(dá)靜止,、目標(biāo)運動的成像系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)雷達(dá),，它是一種高分辨率成像雷達(dá),，能夠遠(yuǎn)距離獲得非合作運動目標(biāo)的精確圖像[1]。ISAR成像前需對運動目標(biāo)進(jìn)行平動補償來抵消每次回波相對于雷達(dá)的平動變化,，從而只保留目標(biāo)的轉(zhuǎn)動（即轉(zhuǎn)盤模型）,，此時只需要進(jìn)行相應(yīng)的成像算法即可得到目標(biāo)圖像。本文主要討論包絡(luò)對齊的方法，包絡(luò)對齊的作用就是針對距離單元進(jìn)行校正,，前提是將同一散射點的子回波調(diào)整到同一距離單元中,，否則會嚴(yán)重影響成像的質(zhì)量，因此包絡(luò)對齊是ISAR成像中的關(guān)鍵技術(shù),。
1 ISAR成像原理
    成像雷達(dá)分為兩類：合成孔徑雷達(dá)（SAR）和逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）,。SAR通常安裝在飛機、衛(wèi)星等運動平臺上對地面成像,，而ISAR則固定在地面對非合作目標(biāo)進(jìn)行成像,，其成像方式如圖1所示。
    圖1（a）為機載SAR工作模式,，波束始終指向同一成像區(qū)域來獲得該區(qū)域場景的高分辨率圖像（合成孔徑越大分辨率越高）,。將機載直線飛行造成的雷達(dá)與照射區(qū)域之間的距離變化進(jìn)行補償后，SAR可看作飛機繞雷達(dá)做圓周運動,，如圖1（b）所示,。等效于雷達(dá)跟蹤不同目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，這就是一般ISAR的工作模式[2],。

    通過以上分析可知,，在運動補償最理想的情況下，目標(biāo)相對于雷達(dá)的平動分量不存在,，而只有轉(zhuǎn)動分量,，則對目標(biāo)成像相當(dāng)于把目標(biāo)移動到轉(zhuǎn)臺上，對轉(zhuǎn)臺上的轉(zhuǎn)動目標(biāo)進(jìn)行成像,，這就是經(jīng)典的轉(zhuǎn)臺成像,。
    因此，為使ISAR高質(zhì)量對目標(biāo)成像,，運動補償是其關(guān)鍵技術(shù),，其中包括包絡(luò)對齊和相位校正兩部分。而包絡(luò)對齊為后續(xù)校正和成像的基礎(chǔ),。在距離向?qū)⒛繕?biāo)回波對準(zhǔn)后,，方位向補償以及其他散焦問題將成為考慮的重點[3],。由此可見包絡(luò)對齊在ISAR中占有重要地位,，本文著重研究包絡(luò)對齊的一種新迭代方法。
2 包絡(luò)對齊
    如前所述,，當(dāng)雷達(dá)工作在高頻區(qū)間時,，根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)的散射點模型，若干離散的散射點可被近似看成構(gòu)成雷達(dá)目標(biāo)的基本單元,，依此可知,，此時經(jīng)目標(biāo)反射的雷達(dá)回波可被認(rèn)為發(fā)射脈沖經(jīng)過各散射點后向散射形成的各脈沖回波的向量和。相對來說，逆合成孔徑雷達(dá)在成像期間目標(biāo)的轉(zhuǎn)角非常小,，大概只有2°～3°,，所以可以認(rèn)為目標(biāo)的反射系數(shù)和散射點相對位置基本不變。然而,，視角的微小變化,，會使散射點相對于雷達(dá)的距離發(fā)生變化，各個距離單元的回波幅度也會隨視角的變化而變化,。因此描述目標(biāo)散射點模型和回波序列關(guān)系成為包絡(luò)對齊的基礎(chǔ),。
2.1 散射點模型和回波序列
    當(dāng)對兩個波形相同而起點不同的信號作對齊處理時，可采用不同的延遲計算兩者之間的相關(guān)系數(shù),。當(dāng)相關(guān)系數(shù)最大時,，兩波形會完全重合，此時對齊是最準(zhǔn)確的,。然而,，這種方法只是針對相鄰兩次對齊的情況，在實際成像中,，所需要幾百個甚至更多的序列,，即需要進(jìn)行更多的相鄰相關(guān)對齊[4]。此時這種方法就不太實用,，其誤差很小,，但會發(fā)生誤差積累效應(yīng)從而產(chǎn)生包絡(luò)漂移；同時若在回波序列中有個別瞬時波形存在特異變化,，則該處的包絡(luò)對齊會產(chǎn)生很大的誤差,，相鄰相關(guān)后會發(fā)生包絡(luò)突跳，這些誤差會使后期成像變得非常差,。為定量地研究這些誤差,，首先討論基本的回波序列和目標(biāo)散射點模型的關(guān)系[5]。

    從上式中看到,，在一定的散射點分布模型下,，|sn(m)|2由自身項和交叉項兩部分組成。由于在小的觀測角范圍內(nèi)目標(biāo)散射點的強度|?滓n,，k|是不變的,，而散射點的時延rn，k(m)所引起的散射點位置變化很小,，所以自身項為不隨m變化的穩(wěn)定項,。但交叉項中，相位?茲n,，k,，l(m)隨觀測序號m變化較快,，使得交叉項為隨m變化較快的起伏項。對于目前寬帶雷達(dá)的距離分辨率,，多數(shù)距離分辨單元內(nèi)包含的散射點個數(shù)在10的數(shù)量級上,，因而多數(shù)距離單元的|sn(m)|2有一定的穩(wěn)定值，同時也隨觀測序號m有一定的起伏[6],。
    若在目標(biāo)相對于雷達(dá)的散射點模型基本不變的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),，將式(2)對m求平均，則由于信號的自身項不變,，而交叉項互相抵消,，當(dāng)積累次數(shù)很多時，交叉項就會減得很小,，因此得到的平均功率像基本為其自身項：
  
    上式說明,，只要不考慮各距離單元間散射點的遷移，各次觀測時間的平均功率像近似為散射點強度在徑向的標(biāo)量和[7-9],。因此,，如果對觀測期間各次回波的功率像求平均，可得到一較穩(wěn)定的平均功率像,，其開方即為平均距離像,。
    此處所得到的平均距離像同時也是后續(xù)迭代計算的標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 迭代相關(guān)對齊法
    經(jīng)過上面的分析可以看出,，各次回波距離像包含了兩項內(nèi)容,，即散射點的交叉項和自身項。各次回波之間的相關(guān)性受回波包絡(luò)幅度的起伏影響,，而這一影響正是由交叉項引起的,。但是可以采用在包絡(luò)對齊之后，對各次回波包絡(luò)求平均值的方法使得交叉項互相抵消,，使平均距離像受到的影響幾乎可以忽略,，從而使平均距離像與各次回波都有較強的相關(guān)性。如果采用平均距離像作為參考包絡(luò)對各次回波作相關(guān)對齊會得到較好結(jié)果,。
    此種方法是在包絡(luò)對齊之后進(jìn)行的,，而在包絡(luò)對齊之前無法得到好的平均距離像，因此只能采用其他方法,。本文針對上述幾種情況提出了迭代相關(guān)法,，對這一問題進(jìn)行了很好的解決。
    (1)采用相鄰幅度相關(guān)法等一般方法進(jìn)行一次包絡(luò)對齊,，并將包絡(luò)對齊后的距離像進(jìn)行求平均得到一次平均距離像[10],。此時得到的平均距離像會比較差，因為可能存在漂移和突跳誤差,。
    (2)用得到的這一比較差的平均距離像與各次回波距離像作相關(guān)處理,，進(jìn)一步以相關(guān)系數(shù)最大為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)補償剩余包絡(luò)對齊誤差?？蛇M(jìn)一步對對齊后的距離像求平均,，消除前面得到的平均距離像本身的較大誤差，得到一新的平均距離像估計,，并繼續(xù)用這一平均距離像來校正各次回波的包絡(luò)對齊誤差,。
    對上述過程進(jìn)行迭代，直至收斂,，這一過程稱為迭代相關(guān)對齊法,。實際表明一般4～6次即可收斂。其流程圖如圖2所示,。

3 仿真結(jié)果對比
    從以上分析可以看出,，為了有效消除交叉項的影響，應(yīng)該取時間間隔較大的功率像求平均,，平均距離像是各次回波的包絡(luò)平均,。本文使用仿真模擬，生成256次回波,，每次回波中的散射點間有微小時延,，且振幅不變。現(xiàn)以不同數(shù)目的等間隔回波作平均得到平均距離像,，仿真結(jié)果如圖3所示,。

    其中，圖3(a)使用全部的256次回波作平均,，圖3(b),、圖3(c)、圖3(d)分別采用50次,、30次和10次回波,，可以看出幾乎沒有差別，說明穩(wěn)定的平均距離像只需采用10次回波作平均就可以得到了,。因此大大縮減了運算時間,。    在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)使用仿真數(shù)據(jù)對某型號飛機進(jìn)行處理和分析,，如圖4所示,。
    可以看出，原方法即積累互相關(guān)法包絡(luò)和迭代相關(guān)法均未發(fā)生包絡(luò)漂移和突跳的情況,，而積累互相關(guān)方法在對目標(biāo)主體的對準(zhǔn)方面并沒有迭代法積累效果明顯,，成像清晰度也較迭代法遜色。
    本文首先介紹了ISAR雷達(dá)的工作原理,，并闡述了包絡(luò)對齊對成像效果的重要影響,。從散射點模型出發(fā),，分析了距離像相關(guān)性，使用距離平均像概念推導(dǎo)出迭代相關(guān)法,。其中距離平均像與所有的距離像有很強的相關(guān)性,，因此可以將它作為相關(guān)模板進(jìn)行對齊。最后通過仿真數(shù)據(jù)選擇出計算平均距離像所需回波次數(shù),，同時與積累互相關(guān)法進(jìn)行對比,，可以看出迭代相關(guān)法對成像效果有明顯改善。
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