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雷达成像原理.doc
Microwave radar
第一章 雷达基础知识
1．1雷达的定义
1．2雷达简史
1．3电磁波
1．4脉冲
1．5分贝值表示方法
1．6天线
1．7雷达散射截面
2．1傅立叶变换
2．2雷达硬件组成
2．2．1振荡器
2．2．2波形产生
2．2．3混频器
2．2．4调制
2．2．5发射机
2．2．6波导
2．2．7双工器
2．2．8天线
2．2．9限幅器
2．2．10低噪放大器
2．2．11系统噪声
2．2．12解调
2．2．13正交混频
2．2．14 A/D转换器
2.3天线
2.3.1天线的概述
2．3．2方向性函数
2.3.3天线增益
2．3．4天线口面上辐射场的渐变处理
2．3．5余割平方天线
2．4相控阵天线
2．4．1一维线阵列天线
2．4．2二维相控阵
第三章 外部环境对雷达系统的干扰
3.1雷达散射截面（RCS）
3.1.1简单目标的RCS
3.1.1.1理想导体球
3.1.1.2平板
3.1.1.3角反射器
3.1.1.4 Luneburg透镜
3.1.2 复杂目标的RCS
3.1.3计算RCS的方法
3.1.4极化因素
3.1.4.1 极化散射矩阵
3.1.4.2 简单目标的极化散射矩阵
3.1.4.3 更一般的极化基
3.2 传播与杂波
3.2.1 雷达波在大气中的折射
3.2.2 地表弯曲效应
3.2.3雷达波在空气中的衰减
3.2.4雷达波在雨水中的衰减
3.2.5雷达波在地表的反射
3.2.6 多路效应
3.2.7 表面杂波反射
3.2.8 降水引起的雷达反向散射
3.3 外部噪音
第四章：基本雷达信号处理
4.1 从噪声和杂波中间测回波信号
4.1.1检测器特点
4.1.2检测的基本理论
4.1.3噪声中检测无波动目标
4.1.3.1：已知相位的单脉冲的相参检测
4.1.3.2单脉冲包络检测
4.1.3.3 n个脉冲的相参积分：
4.1.3.4 n个非相参脉冲的积分变换损失：
4.1.4 施威林情形
4.1.4.2 波动损失
4.1.5：噪声中目标检测小结：
4.1.6:次积分：无振动目标
4.1.7目标
4.2 雷达波形
4.2.1总的雷达信号
4.2.2 匹配滤波器
4.2.3：匹配滤波器对于延迟，多谱勒平移、信号的响应，
4.2.4 雷达模糊函数
4.2.5 例1：一个单脉冲；距离和速度分辨率
4.2.6 例2：线性频率调制脉冲；脉冲压缩
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
4.2.7.1 单脉冲串
4.2.7.2 线性调频脉冲串
4.2.7.3其它脉冲序列
4.2.8 相差处理间隔
4.2.9 CPI的例子,求解雷达方程
4.3 雷达测量精确度
4.3.1单脉冲
4.3.2 卡尔曼绕界限
4.3.2.1在频率上得卡尔曼-绕界限
4.3.2.2延迟上的卡尔曼绕界限
4.3.2.3角度上的卡尔曼--绕界限
4.3.2.4卡尔曼-绕界限的例子。
4.3.2.5总结：
第六章 成像雷达简介
6.1 距离—速度压缩
6.2 旋转目标：逆合成孔径雷达
6.3 逆合成孔径雷达用于大范围目标
6.4 点扩展函数
6.5 标准二维逆合成孔径雷达：小角度
6.6 二维逆合成孔径雷达：大角度
6.7三维逆合成孔径雷达
6.8 波数空间与极化设计方法
6.9 ISAR注释
6.10 ISAR的其他情况
6.11近场ISAR
6.12变化情况未知的目标及旋转
第七章 合成孔径雷达
7.1SAR介绍
7.1.1 SAR模型
7.1.2距离和速度等值线
7.1.3动态补偿
7.1.4斜面或平面
7.1.5SAR对脉冲重复频率的要求
7.1.6距离转移
7.2SAR波形及处理
7.2.1快时处理
7.2.1.1SAR中的线性调频（LFM）
7.2.1.2非线性调频处理
7.2.1.3非畸变过程
7.2.1.4LFM脊态
7.2.2慢时（slow time）处理
7.3SAR成像质量
7.3.1脉冲响应
7.3.2信噪比（SNR）
7.3.3合成旁瓣比率
7.3.4倍增噪声比率（MNR）
7.3.5SAR的对比和光学成像
7.4SAR关键参数概述
7.5特殊SAR应用
7.5.1运动目标
7.5.2振动目标
7.5.3.1影像（Shadows）
7.5.3.2滞后
7.5.3.3立体
7.5.3.4干涉合成孔径雷达（IFSAR）
7.5.4前瞻SAR
7.5.5植被穿透SAR（FPSAR）
7.5.6极化SAR
7.5.7隔行扫描SAR/ISAR模式
7.5.7.1灵活波束搜索SAR
7.5.7.2隔行扫描搜索和集束模式
7.5.7.3灵活波束集束SAR
7.5.7.4其他灵活波束实例
第八章 SAR/ISAR 数字成像
8.1 数字图像构造（信号处理）
8.1.1 使成像和复成像
8.1.2 离散付立叶变换
8.1.3 补零
8.1.4 数字SAR/ISAR图像形成
8.1.5 点扩展方程
8.1.6 距离窗
8.2 数字成像的增强（图像处理）
8.2.1 超分辨力和旁瓣降低技术导论
8.2.2 DFT(FFT)处理
8.2.3 周期图
8.2.4 最小方差方法
8.2.5 高分辨力向量图
8.2.6 自适应旁瓣抑制
8.2.7 空间变量变迹法
8.2.8 超级SVA
8.2.9 其他频谱估计技术和应用
8.2.10 举例的结果
radar
Microwave
imaging and advanced concepts
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雷达成像原理
第一章 雷达基础知识 ......................................................................................................................5
1．1 雷达的定义 ....................................................................................................................... 5
1．2 雷达简史........................................................................................................................... 5
1．3 电磁波............................................................................................................................... 5
1.4 脉冲...................................................................................................................................... 8
1.5 分贝值表示方法 ..................................................................................................................9
1.6 天线.................................................................................................................................... 10
1 .7 雷达散射截面 ...................................................................................................................12
2．1 傅立叶变换 ..................................................................................................................... 14
2．2 雷达硬件组成 .................................................................................................................15
2．2．1 振荡器...............................................................................................................15
2．2．2 波形产生...........................................................................................................15
2．2．3 混频器...............................................................................................................16
2．2．4 调制................................................................................................................... 16
2．2．5 发射机...............................................................................................................16
2．2．6 波导................................................................................................................... 16
2．2．7 双工器...............................................................................................................17
2．2．8 天线................................................................................................................... 17
2．2．9 限幅器...............................................................................................................17
2．2．10 低噪放大器 .....................................................................................................17
2．2．11 系统噪声 ......................................................................................................... 18
2．2．12 解调 .................................................................................................................19
2．2．13 正交混频 .........................................................................................................20
2．2．14 A/D 转换器 ..................................................................................................... 21
2.3 天线.................................................................................................................................... 22
2.3.1 天线的概述 .............................................................................................................23
2．3．2 方向性函数 .......................................................................................................24
2.3.3 天线增益.................................................................................................................27
2．3．4 天线口面上辐射场的渐变处理...................................................................... 28
2．3．5 余割平方天线 ...................................................................................................29
2．4 相控阵天线 ..................................................................................................................... 30
2．4．1 一维线阵列天线...............................................................................................31
2．4．2 二维相控阵 .......................................................................................................33
第三章 外部环境对雷达系统的干扰 ............................................................................................33
3.1 雷达散射截面（RCS） ....................................................................................................34
3.1.1 简单目标的 RCS....................................................................................................34
3.1.1.1 理想导体球 ..................................................................................................35
3.1.1.2 平板 ..............................................................................................................35
3.1.1.3 角反射器 ......................................................................................................36
3.1.1.4 Luneburg 透镜 .........................................................................................37
3.1.2 复杂目标的 RCS...................................................................................................37
3.1.3 计算 RCS 的方法...................................................................................................38
3.1.4 极化因素.................................................................................................................38
1
3.1.4.1 极化散射矩阵 .............................................................................................38
3.1.4.2 简单目标的极化散射矩阵 .........................................................................39
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 ..........................................................................................................49
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.........................................................................................51
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
4.1.3.3 n 个脉冲的相参积分： .............................................................................. 52
4.1.3.4 n 个非相参脉冲的积分变换损失：.......................................................... 52
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
4.2.9 CPI 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
2
4.3.2.2 延迟上的卡尔曼绕界限 ..............................................................................68
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。 ............................................................................ 69
4.3.2.5 总结： ..........................................................................................................71
第六章 成像雷达简介 ....................................................................................................................71
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...................................................................................74
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........................................................................................................80
6.8 波数空间与极化设计方法 ...............................................................................................81
6.9 ISAR 注释..........................................................................................................................82
6.10 ISAR 的其他情况 ........................................................................................................... 82
6.11 近场 ISAR ........................................................................................................................84
6.12 变化情况未知的目标及旋转 ..........................................................................................84
第七章 合成孔径雷达 ....................................................................................................................88
7.1SAR..................................................................................................................................... 89
7.1.1 SAR 模型................................................................................................................ 89
7.1.2 距离和速度等值线.................................................................................................90
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 ................................................................................................................93
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..................................................................................................... 97
7.2.2 慢时（slow time）处理 .........................................................................................98
7.3SAR 成像质量.................................................................................................................... 98
7.3.1 脉冲响应.................................................................................................................98
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.......................................................................................100
7.4SAR 关键参数概述 ..........................................................................................................101
7.5 特殊 SAR 应用 ................................................................................................................102
7.5.1 运动目标...............................................................................................................102
7.5.2 振动目标...............................................................................................................102
7.5.3.1 影像（Shadows）.....................................................................................103
7.5.3.2 滞后 ............................................................................................................104
3
7.5.3.3 立体 ............................................................................................................104
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 ..............................................................................................................107
7.5.7 隔行扫描 SAR/ISAR 模式 ..................................................................................108
7.5.7.1 灵活波束搜索 SAR ...................................................................................108
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 ...................................................................................110
7.5.7.4 其他灵活波束实例 ....................................................................................111
第八章 SAR/ISAR 数字成像................................................................................................. 112
8.1 数字图像构造（信号处理） .........................................................................................112
8.1.1 使成像和复成像..................................................................................................112
8.1.2 离散付立叶变换..................................................................................................113
8.1.3 补零...................................................................................................................... 114
8.1.4 数字 SAR/ISAR 图像形成 ................................................................................. 114
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） .....................................................................................117
8.2.1 超分辨力和旁瓣降低技术导论..........................................................................118
8.2.2 DFT(FFT)处理 .....................................................................................................119
8.2.3 周期图.................................................................................................................. 119
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 ..................................................................................123
8.2.10 举例的结果 ........................................................................................................124
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4
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“radio diction and ranging”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 Heinrich Hertz 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 Chain
Home 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 James Clerk Maxwell 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）=8.85×10-12 kg-1m-3s-2coul2
5
μ0（对于自由空间）=4π×10-7
kg m coul
c=
01/
0
=2.998×108
m/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= c 0μH2。
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 =
0 /
0
=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 Eˆ 表示电场 E 的方向。
如图 1.1（a）所示的波形，矢量 Eˆ 的值是常数（不记正负号）。 Eˆ 的方向决定了
波电磁波的极化形式。若矢量 Eˆ 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 kˆ 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 kˆ 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。
6
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=299792458 m/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 300000 m/s，实际上真正的光速为 300000 m/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。
km/ms
c=3×106 km/s
c=300
c=300 m/s
c=30
cm/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
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