0 写在前面

巅峰产生虚伪的拥护，黄昏见证真正的信徒。

ISAR成像一般对导弹、舰船、飞机等目标进行成像。要想成像，必须提高分辨。SAR对自身运动和场景参数，需要对数据进行各种校正、补偿算法，而ISAR目标参数基本未知，处理流程相对简单些。掌握的信息越少，可以操作的空间就越小，反而让问题变得简单。

1 基本介绍

雷达可以通过发射宽带信号来提高距离分辨，用几百兆可得到亚米级距离分辨率。ISAR逆合成孔径雷达是依靠雷达与目标间的相对运动，形成合成阵列来提高横向分辨率。

• ISAR一般是雷达不动(实际上也可是运动的)，目标运动。运动是相对的，也可看成是目标不动，而雷达在空间根据目标的平动和转动逆向地形成虚拟合成阵列，利用合成阵列的大孔径提高目标的横向分辨率。
• ISAR的合成阵列流形十分复杂，原因在于ISAR形成阵列的主动权在目标，目标航向、速度，姿态的变化都会影响合成阵列空间分布。
• 机动目标在空间形成极其复杂的虚拟阵列，且不可能准确测量的。好在得到亚米级的横向分辨率，雷达对目标视线的变化(目标相对雷达射线的转角)只要很少几度，由于目标的惰性，姿态变化不可能十分复杂。
• ISAR观测目标尺寸比SAR所要观测的场景小得多，一般目标不超过几十米，大的也只有百余米，当目标位于几十千米以外时，电波的平面波假设总是成立的，因而为成像分析带来方便。

上节已经介绍了逆合成孔径雷达成像常用转台模型，详情见:

当目标作平稳飞行时，通过平动补偿，运动目标转换为平面转台目标，如果成像要求的转角(相干积累角)很小，其间散射点的移动量远小于距离单元长度，则分析处理可以大大简化。而实际的逆合成孔径雷达成像在许多场合是满足上述条件的。

2 ISAR转台模型

运动目标相对于雷达的运动可分为平动分量和转动分量，平动分量为目标姿态相对于雷达射线保持不变，在平面波照射的近似条件下，目标上各散射点相对于雷达的距离变化量相同，即它们的子回波具有相同的多普勒，当目标只有平动时，它的距离像是不变的。转动分量为目标围绕某基准点转动，设目标作平稳飞行，若将其平动分量加以补偿，则等效为平面转台，且在很小的转角范围(因为 ISAR 成像所需转角很小)转速近似是均匀的。如上节所示，若转台作顺时钟向旋转，则位于转台中心轴上的散射点子回波的多普勒为 0，右侧的 为正，左侧为负，且偏离中心轴越远，多普勒值也越大。

转台的旋转使各散射点子回波发生两个方面的变化:包络时延和相位变化。 两者都是由于散射点发生径向走动，但它们的影响程度是不同的，相位的影响是相对于雷达波长的，微波雷达波长为厘米级，因而毫米级的径向走动都会产生明显的相位变化；而包络位移是相对于距离分辨单元而言的，它通常比距离单元长度小得多。虽然如此，在成像的转动期间，总会有一些散射点从一个距离单元进 入到邻近的距离单元，称为越距离单元徙动(MTRC)。我们在前面 SAR 的成像处理中知道，横向分析是按距离单元进行的，发生 MTRC 会对成像效果有影响， 主要是分辨率下降。

一个比较粗略的近似是，在 ISAR 成像的转动过程中，只考虑散射点子回波的相位变化，而认为不发生散射点的越距离单元徙动。在这一近似条件下，转台模型的 ISAR 成像大大简化，因为在转动过程各距离单元里的散射点是一定的，只是由于其距中心轴的横距不同，它的子回波多普勒也不同。因此，将各距离单元的回波作傅里叶变换就可得到散射点的横向分布，从而实现转台成像。

在有些情况，上述假设是过于近似的，后面我们将加以修正。目标的运动也不一定是平稳的，如转动不均匀，甚至有三维转动。这些都将在后面讨论。这里 我们先从最简单的情况开始，先讨论运动的平动补偿。

3 平动补偿原理

采用转台模型，平动补偿对ISAR至关重要。对宽脉冲，由于信号回波时延很小，在一个相干积累周期内，在慢时间域看距离走动可忽略不计。由于相位是距离变化量相对波长计算的，不可忽略，这也是多普勒测速的基础。

假设理想点目标，主要讨论窄脉冲情况，即宽带信号，此时发射信号的脉冲宽度为纳秒级(宽脉冲一般对应微秒级)。此时，将各次回波以发射脉冲为时间基准进行排列时，回波时延的变化不但不小于脉冲宽度，而通常会比脉冲宽度大很多。若考虑目标相对雷达的径向速度为匀速时，这时在距离-慢时间域为一条斜线，而不是一条水平线了，直接做相干积累会产生大的幅度损失。但如果只取包络(不同距离分辨单元)对应的相位，仍可进行对点目标进行测速。

通常为了后续处理方便，以某次回波为基准将回波的斜线拉成一条水平线，相当于对后面的回波进行了平移，相位保持不变。若假设包络内部的相位不变，对齐的时延误差不超过1/2~1/4个脉冲宽度。通常由于波形会有失真，相位会有微小起伏，因此包络对齐的误差通常不超过1/4~1/8脉冲宽度。一般先对包络进行插值操作，插值可通过频域补零来实现。

上面说的是估计运动点目标的多普勒，如果要像前面所说的将运动目标转换成转台目标那样，将基准点的点目标移到转台的轴心，成为静止目标。这时的回波移动在将包络作时延的同时，对回波的相位也根据时延量作相应的变化，即将回波序列的相位保持为常数，多普勒为 0，这是静止目标的条件。

实际上，为将运动点目标的回波序列转换为静止点目标，其时延调整是很难实现的。包络对齐的精度要求不高，相位就不一样了，相位相对于波长计算的。此时，我们可以保持回波的幅度、相位结果不变进行包络对齐，由此估计对普勒，再根据计算的多普勒计算相邻回波相位并加以补偿。这种方式是完全可以实现的。

以上讨论的是理想点目标的情况，下面我们再来研究复杂目标(如飞机)的情况。根据散射点模型，复杂模型可视为由众多的散射点所组成。运动的复杂目标相对于雷达可分为平动和转动两个分量，平动分量为目标相对于雷达射线的姿态保持不变，作平移运动，在平面波照射的近似假设下，目标平移过程中，它上面的各个散射点到雷达的距离的变化均相同。转动分量为目标围绕某一基准点转动，它也会使散射点回波产生多普勒，但多普勒随散射点所处的位置不同而有所不同，例如转动时的基准点多普勒为 0，在一侧为正，则另一侧为负，且偏离基准越远，多普勒值也越大。

运动复杂目标的平动分量随着其径向速度的不同，其多普勒可能在很大范围里取值，但其瞬时多普勒是单一的，即所有散射点的多普勒均相同。转动分量由于各散射点子回波的多普勒有微小差异，形成很窄的多普勒谱。实际上，复杂目标回波可看成是众多散射点子回波之和，在宽发射脉冲条件下，这些子波的时延差远小于脉冲宽度，回波包络的波形仍和点目标时相似，基本上与发射脉冲相同， 只是前后沿有些失真。由于散射点子回波时延与雷达波长可以相比较，总回波包络为各子回波包络的向量和。回波的频域可以认为是以平动分量产生多普勒为中心和以转动分量产生很窄的多普勒谱构成的。

在高分辨窄发射脉冲的情况，相邻回波距离像的时延变化是不能忽略的，ISAR 成像常需要几百、甚至上千次回波，相干积累时间常以秒计，在此期间包 络时延的变化常比目标长度大很多，必须进行包络对齐。

4 总结讨论

本节介绍了ISAR成像的基本原理，运动补偿主要分为包络对齐和初相校正两部分。后面将介绍包络对齐相关内容。

5参考文献

【1】保铮 邢孟道 王彤 雷达成像技术 北京：电子工业出版社，2005.