1、低照度攝像與熱成像技術（全面 版）資料低照度攝像與熱成像技術！攝像機的一個重要參數是最低照度， 人們關注最低照度是因為人們對夜晚黑 暗等環境下的監控需求， 安防是不分白晝的， 因此夜晚成像技術是非常有用并有 廣泛需求和前景的技術。照度為一亮度單位，顧名思義，是指攝像機在攝取影像時，對周圍環境照明 亮度的需求，1LUX大約等于1燭光在1米距離的照度，我們在攝像機參數規格 中常見的最低照度，表示該攝像機只需在所標示的 LUX 數值下，即能獲取清晰 的影像畫面，此數值越小越好，說明 CCD 的靈敏度越高。同樣條件下，黑白攝 像機所需的照度遠比尚須處理色彩濃度的彩色攝像機要低 10 倍。行業內人士強調

2、，照度能低到多少，不僅要看鏡頭的光圈大小（ F 值），更 要看是在什麼條件限制下才能出現所標示的 LUX值，以光圈大小（F值）而言， 光圈愈大則其所代表的F值愈小，所需的照度愈低。另外電子靈敏度，單一畫面 累積幀數，紅外線是ON還是OFF等均對最低照度有影響。 低照度攝像機低照度攝像主要技術：日夜轉換型、低速快門和超感度攝像機。日夜轉換型：攝像是利用黑白影像對紅外線感度較高的特點，在一定的光源條件，利用線路切換的方式將影像由彩色轉為黑白，以便于搭配紅外線。而白天彩色/晚上黑白的攝像機因受限于 CCD 感度,本身并無法改變 ,只是利用線路切換及搭配紅外 光的方式將功能提升 ,不能算是低照度攝像機

3、。低速快門：又稱為（畫面）累積型攝像機：其原理是利用電腦記憶體的技術，利用該技 術，可以實現 0.0008 星光級的情況下應用。此技術的原理可以看出，他還是離 不開“光源”，必須要求環境必須有光的存在，即使它很微弱，因此如果在完全黑 暗的條件下，它無效。并且，圖象的成像是以犧牲圖象的連續性為代價的（注意 其原理是延長曝光時間使 CCD 充分感光，有一個光的積累過程）。此類型低照 度攝像機適用于較靜態場所的監視。超感度攝像機：超感度攝像機（ EXVIEW/HAD） ，又稱 24 小時攝像機，其彩色照度可達0.05LUX，黑白則可達0.003-0.001LUX （亦可搭配紅外線以達 OLUX）不僅

4、能清晰的辯識影像，更是實時連續的畫面。此類型攝像機主要是采用 SONY 元件廠 所推出的EXVIEW/HAD/CCD （超感CCD）,其運用專利技術將 CCD每一畫素 的開口率提高，進而達到更低照度的要求，由于該 CCD 的制造成本仍高，相對 的成品制造商要研發此類攝像機的技術門檻也較高。EXVIEW HAD CCD+畫面累積技術，并且基本消除了拖影現象。主動紅外技術利用CCD攝像機（黑白模式），可以感應紅外光譜原理，給 CCD攝像機配 置紅外照明光源（紅外燈），利用物體反射紅外光源的紅外光達到成像的目的， 缺點使紅外照明距離短，靈敏度不高、并且容易紅暴。熱成像技術紅外線輻射是自然界存在的一種

5、最為廣泛的電磁波輻射， 它在電磁波連續頻 譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。 這種紅外線輻射是基于任何物 體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動， 并不停地輻射出熱紅 外能量。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大 ; 反之，輻射的能量愈小。熱成像技術原理：通過非接觸探測，將物體輻射產生的紅外能量（熱量）轉 換為電信號，經過處理形成熱輻射圖象。凡是溫度高于絕對溫度零度（零下 270 攝氏度）的物體均向外輻射紅外能量，溫度越高，紅外輻射越強。因此，熱成像 技術不同與低照度技術，即使在絕對黑暗（沒有可見光）的環境下也可以成像； 也不同語主動紅外技術，它不需要額外的紅外設備。熱

6、成像技術 VS LowLightTM 低照技術LowLightTM 低照技術采用高感光 CCD （如Exview HAD CCD等）、DSS數 字快慢門調節來提高攝像機的低照性能。曝光時間的增長使 CCD 更充沛感光， 從而增強圖像亮度及清晰度。 LowLightTM 低照技術的應用優點在于設備簡單（僅攝像機即可）、價格大眾化 （技術已普及），缺點則在于圖像亮度以犧牲圖像 連續性為代價，而最終 LowLightTM 低照技術仍需依靠照明光源并局限于可見光 光譜內。當環境呈黑暗、煙霧或遮擋時，低照技術顯然無所適從。熱成像技術由于依靠紅外輻射成像不依賴可見光，無論環境光照強或弱、能 見度（遮擋）高

7、或低均不影響有效成像。因此，熱成像技術完全解決了必須依靠 “可見光”的技術瓶頸，將視頻監控系統的應用擴展至更大范圍。 熱成像技術 V.S 主紅外技術不少用戶對主紅外技術與熱成像技術的理解常出現混淆。事實上，兩者技術 雖然都借由紅外光譜成像，但是其成像原理卻大不相同。主紅外技術利用CCD攝像機（黑白模式下）可感應近紅外光譜（卩 m）的原理，在CCD攝像機附近架設輔助紅外照明設備（如紅外燈等），利用物 體反射紅外源的紅外光達到成像目的。紅外熱成像技術是感應中、遠紅外光譜（3.08.0卩m、8.014.0卩m）,利用（非制冷）氧化礬微測輻射熱儀感應物體所輻射散發的紅外能量來成像。主動紅外技術至今未得

8、到廣泛應用， 問題在于紅外輔助照明設備的技術弊端 重重。照明范圍小、靈敏度低、耗能大；體積笨重、使用壽命短，最致命的弱點 是紅外輔助照明設備所散發的紅外光線極易被探測到，從而自我暴露。熱成像技術由于感應來自物體輻射散發的紅外能量， 完全拋棄問題重重的紅 外輔助照明設備，從根本上杜絕以上弊病及弱點。 一體化熱成像定位系統的光學參數及意義微測輻射熱儀微測輻射熱儀是一體化熱成像定位系統的攝像機組件， 通常有制冷與非制冷 兩種類型。以非制冷型為佳， 因為非制冷型微測輻射熱儀無需液氮和斯特林制冷， 可長期無維護連續工作，壽命長且工作時無聲音，啟動時間短。無論室內、戶外 使用，儀器不受陽光、氣候和其它高溫

9、物體的影響。熱靈敏度可簡單定義為儀器或使觀察者能從背景中精確分辨出目標輻射的最小溫度。 熱靈敏度值越小，代表熱靈敏度越高。視場它是光學系統視場角的簡稱， 表示能夠在光學系統像平面視場光闌內成像的 空間范圍。 當物體位于以光軸為軸線， 頂角為視場角的圓錐內的任一點 （在一定 距離內）時能被光學系統發現， 即成像于光學系統像平面的視場光闌內， 也即物體能在熱成像攝像機中成像的物空間的最大張角叫做視場，一般是aoXB o的矩陣視場。類似 CCD 攝像機有效像素的概念。視場越大，圖像清晰度越高。像素尺寸像素尺寸指aoxp o矩陣視場內每個像素的大小。一般，像素尺寸越小，熱靈敏度越高。光譜響應這是指熱成

10、像攝像機對紅外光譜的響應范圍， 通常有中紅外光譜及遠紅外光譜兩種響應范圍。以遠紅外光譜(卩m)為佳，因為中紅外光譜(3.0-8.0 卩m)的波長較短，較容易穿透有些物質，使其最終無法正常成像。現場溫度范圍現場溫度范圍是指熱成像攝像機能感應成像的最高溫度， 物體一旦超過該溫度，攝像機將無法給出邊緣圖像。這類似普通 CCD 攝像機的受光過飽和現象。 溫度范圍越高，熱成像攝像機的圖像動態范圍越廣。另外，為方便讀者識別以上參數指標，現以 FLIR 一體化熱成像定位系統的 規格參數為范例：非制冷氧化磯微測輻射熱儀(uncooled, Vanadium Oxide Microbolometer)；熱靈敏度

11、(sensitivity):;視場(array format): 320 x 240；像素尺寸(pixel size): 38 卩 m；光譜響應(spectrum respons： 卩 m，遠紅外感應(LWIR)；現場溫度范圍(scene temp range：至150C，最高可達 560C(可選)； 圖像顯示模式( display format)：White Hot、Black Hot、Sepia、Rainbow。紅外熱成像技術的優缺點1、紅外熱成像技術的優點 紅外熱成像技術是一種被動式的非接觸的檢測與識別，隱蔽性好：由于紅外熱成像技術是一種對目標的被動式的非接觸的檢測與識別，因而隱 蔽性好

12、，不容易被發現，從而使紅外熱成像儀的操作者更安全、更有效。 紅外熱成像技術不受電磁干擾，能遠距離精確跟蹤熱目標，精確制導由于紅外熱成像技術利用的是熱紅外線，因而不受電磁干擾。采用先進熱成 像技術的紅外搜索與跟蹤系統， 能遠距離精確跟蹤熱目標， 并可同時跟蹤多個目 標，使武器發揮最佳效能。 紅外熱成像技術可精確制導， 使制導武器具有較高的 智能性和發射后不用管的能力， 并可尋找最重要的目標予以摧毀， 從而大幅度提 高了彈藥的命中精度，使其作戰威力成幾十倍地提高。 紅外熱成像技術能真正做到 24h 全天候監控 紅外輻射是自然界中存在最為廣泛的輻射，而大氣、煙云等可吸收可見光和近紅外線，但是對35y

13、m和814ym的紅外線卻是透明的，這兩個波段被稱 為紅外線的 “大氣窗口 ”。 因此，利用這兩個窗口，可以在完全無光的夜晚，或 是在雨、雪等煙云密布的惡劣環境， 能夠清晰地觀察到所需監控的目標。 正是由 于這個特點，紅外熱成像技術能真正做到 24h 全天候監控。 紅外熱成像技術的探測能力強，作用距離遠利用紅外熱成像技術進行探測的能力強， 可在敵方防衛武器射程之外實施觀 察，其作用距離遠。目前手持式及裝于輕武器上的熱成像儀可讓使用者看清 800m 以上的人體 ，且瞄準射擊的作用距離為 23km； 在艦艇上觀察水面可達 10km ； 在 1.5km 高的直升機上可發現地面單兵的活動； 在 20km

14、 高的偵察機 上可發現地面的人群和行駛的車輛， 并可分析海水溫度的變化而探測到水下潛艇 等。 紅外熱成像技術可采用多種顯示方式，把人類的感官由五種增加到六種只有當物體的溫度高達1000 C以上時，才能夠發出可見光被人眼看見。而所 有溫度在絕對零度（-273 C）以上的物體，都會不停地發出熱紅外線。如一個 正常的人所發出的熱紅外線能量大約為 100 W。這些都是人眼看不見的，但物體 的熱輻射能量的大小， 直接和物體表面的溫度相關。 熱輻射的這個特點使人們可 以利用紅外熱成像技術對物體進行無接觸溫度測量和熱狀態分析， 并可采用多種 顯示方式顯示出來。 如對視頻信號進行假彩色處理， 便可由不同顏色顯

15、示不同溫 度的熱圖像； 若對視頻信號進行模數轉換處理， 即可用數字顯示物體各點的溫度 值等，從而看清人眼原來看不見的東西。 所以可以說， 紅外熱成像技術把人類的 感官由五種增加到六種。 紅外熱成像技術能直觀地顯示物體表面的溫度場，不受強光影響，應用廣泛紅外熱成像儀則可以同時測量物體表面各點溫度的高低， 直觀地顯示物體表面 的溫度場，并以圖像形式顯示出來。由于紅外熱成像儀是探測目標物體的紅外熱輻射能量的大小，從而不像微光 像增強儀那樣處于強光環境中時會出現光暈或關閉，因此不受強光影響。紅外熱成像技術除主要應用軍事方面外，還可廣泛應用于工業、農業、醫療、 消防、考古、交通、地質、公安偵察等民用領域

16、。并且，還可將這種技術大量地 應用到安防監控領域中，以方便實現智能安防監控。2、紅外熱成像技術的缺點 圖像對比度低，分辨細節能力較差由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而一般目標溫差都不大，因此紅外熱圖像對 比度低，使分辨細節能力變差。 不能透過透明的障礙物看清目標，如窗戶玻璃。 由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而像窗戶玻璃這種透明的障礙物，使紅外熱成像儀探測不到其后物體的溫差，因而不能透過透明的障礙物看清目標。 成本高、價格貴 目前紅外熱成像儀的成本仍是限制它廣泛使用的最大因素，但肖特基勢壘非致冷紅外焦平面陣列的出現， 提供了一種以低成本獲得高分辨力、 高可靠性器件 的有效手段。隨著科技的發展，關鍵技術

17、的突破，并提高加工效率，今后的成本 會大為降低的。熱成像攝像機和低照度、紅外攝像機主要性能對比表指標熱成像攝像機低照度、紅外攝像機技術水平很高低照度較高，紅外很低工作照度OLUX （全黑）至少是星光或配紅外燈工作頻段卩 m0.75-1.0 卩 m探測器類型非制冷氧化磯微測輻射材料CCD鏡頭焦距般疋疋焦多數是變焦拍攝距離最遠可達幾十公里最遠不到300米拍攝靈敏度感應溫度變化，很高感應光線變化，白天較咼，夜晚較低透霧性可以透霧拍攝不可透霧拍攝拍攝范圍全視場紅外燈照射到或有微光的地方隱蔽性被動感應，不發光，隱蔽性好配紅外燈，沒有隱蔽性圖像色彩一般黑白，帶有偽彩白天彩色，夜晚黑白分辨率較低（320x2

18、40）或 640x480彩色較高，黑白較低目標移動影響對畫面沒有任何影響低照度下影響畫面的連續性圖像清晰度溫差大時很好，小時較低光線好時很好，光線低時一般視頻傳輸分析碼流小，便于傳輸和分析一般碼流較大、便于分析，傳輸占帶寬多產品價格相對普通攝像機，很高中低價位，高檔產品價格稍高紅暴現象畫面不受任何光線干擾光線變化對畫面影響很大安裝操作非常簡單安裝簡單，操作相對復雜普通玻璃遮擋不能透過可以透過工作壽命5萬小時以上紅外燈壽命短，低照度攝像機較長低含沙水流運動特性綜述劉兆存 徐永年 時間：2007-11-25 12:12:00摘要：本文著重綜述了清水水流（在固定一可動邊界條件下）、挾沙水流的流速分

19、布特征、紊動特性、能量間分配關系等流動現象的內部規律， 并系統分析比較了 它們的異同，文中還兼論了卡門常數。關鍵詞：清水水流挾沙水流流動規律1引言擬序結構的研究豐富了人們對湍流的認識，近年來非線性科學的發展對湍流研究起了很大的推動作用。流體運動過程中的流速能量分布關系及其規律和猝發的特征及性質，一方面是研究挾沙水流等的基礎， 另一方面本身有其重要的理論意義和實踐意義，本文探討低含沙水流和清水特性的異同。2猝發現象猝發現象的具體描述參見有關文獻1，研究表明：當Reh=uh u （u為平均流速，h為水深）10000時，用外部參量（u，h）無量綱化猝發周期 T是不正確的，和混合參量（v ,h,u*,

20、u）相 比，最佳參量是用內部參量 （v ,u*）無量綱化猝發周期并推導知：（u2*Tb/u 190）（y+=yu*/u+15）。2研究了零壓力梯度下光滑平板和零壓力梯度下表面糙度由粗糙向光滑轉變時內部 邊界還未恢復局部平衡情形時的猝發規律。在猝發現象中，引射（Ejections）時對應的速度脈動為U 0,掃掠時，（Sweeps）對應的速度脈動為U 0,V 0,v 0,（U 、V ）以+為上標表示）和引射（u 0,v 0,=表示湍S圖1三次積Triple products流平均，-表示非湍流平均 （為簡單計，這里只討論光 滑情形）。在外區，引射較掃掠更頻繁 發生，因而對當地剪切貢 獻更大，在內層

21、中，二者 對剪應力貢獻大致相等， 發生總時間也大致相同。 在整個邊界層厚度中，引 射較掃掠對u 2和v 2 貢獻更大，二者之和約為 40%勺 u2-uv 和 v2-uv ， 由圖1中易知引射和掃掠 控制著能量和切應力的慣 性傳輸。經過推導知由式可知：卡門常數是流體運動內部流場特性的參數，從一個局部平衡區到另一個局部平衡區，卡門常數也在變化，即卡門常數是一個反映流體運動特性的 局部量，是空間點坐標和時間的函數，但卡門常數又是流體運動性態的一個系統 整體參數，而非獨立的變量。準確地講，又稱之為卡門參數。6分析了.、畫和回亙勺譜分布情形（無壓強梯度的平板流動）指出，不同的邊界情形有不同 的流動，似乎

22、顯示了不同邊界表面粗糙情形不僅影響邊界層內部物理量分布不 同，而且外層的物理量分布也不同。在邊壁可動情形下的猝發情況研究近來也取得了一些成果，7研究了在不同密度的淤泥質床面上水流運動的猝發周期并和剛性床面的結果作了比較。結果表明，按內部參量 T+b=u2*/v 口 無量綱化的猝發周期，較同條件的清水在近壁區明顯增大。文獻8的研究結果表明，懸浮泥沙的尺寸和波數增加，將使底壁水流更容易猝發，流 動雷諾數增加將抑制猝發； 泥沙的縱向流速比水流縱向流速大得愈多，愈不容易導致流體猝發的形成，但當泥沙的縱向流速比水流的縱向流速為小時（天然情形中常常這樣），較易導致猝發的產生。9的研究表明，泥沙尺寸在一定范

23、圍內愈大，將使猝發次數增加，使湍流度 和雷諾應力增加；泥沙含量增加，使猝發頻率和流條平均空間尺寸不變。觀察表明，似乎是 近壁區的低速流條的上升和破裂控制著泥沙的傳輸，泥沙大部分在低速流條區積聚，后被流體上舉帶離床面，開始運動的。10的研究再一次表明，猝發歷時隨壁粗糙度的增加而減少。 順便指出，11研究高分子減阻中，相同摩阻流速條件下，減阻液和清水中兩種情形下猝發 歷時和猝發空間長度之比值都近似為一常數值，約為1.67。3平均流速和脈動流速3.1流速分布對流速分布的研究(這里以明渠為研究對象)人們作了大量工作，自從普朗特提出流速分布的對數公式后，50年代12曾給出了在整個邊界層都適用的流速分布公

24、式umaa/u *=1/kln( S /y)+ n /k f (y/ S )式中k為卡門常數，S為邊界層原子度，n /k f (y/ S )為尾流函數。據1314的研究，在 明渠中，可以認為對數率一直適用到水面，即認為尾流函數為零。這里采用竇國仁流速分布公式式中u為距壁面y處的時均流速，ri和rt分別為層化和率流的發生率。vi、vt分別為層流和率流的流速成分布，其它符-13。從湍流的內部結構入手，研究流速分布是一個重要的方向。15通過研究后得出，令=u/u*,n =u*y/ u，則光滑邊壁時外區流速分布可表示為在上述流速分布公式中，對如下變換群變換，其形式保持不變u 1=入。,u 1=入 u上

25、述變換也稱之為重整化群變換，(a為重整化群參數) 在粗糙和過渡情形時，16經過研究后認為令J則可得包括光滑、過渡、粗糙在內的明渠流速的分布公式為易知，在上述流速分布公式中，若令因 _則上式在上述變換群變換下其形式保持不變。應當指出公式推導的物理基礎是外流區，對近壁區其物理假定并不成立，但卻開辟了一條從流體內部結構入手分析其流速分布規律的途 徑。3.2脈動結構明渠紊流的脈動結構采用竇國仁提出的下述公式因zl式中k為卡門常數, 為邊界層原子度，-為 紊流時的平均流速。圖2紊流度分布Distribution of turbulentintensity（a:H=15mm,x=4.85m;b:H=20m

26、m,x=5.00m;c:H=30mm,x=4.85m;d:H=40mm,x=4.8m編號虛線為對應曲線的基線，H為水深，x為相對于起始點沿流向距離）董曾南在光滑壁面 明渠均勻紊流的試驗中 將水流沿水深方向依次 劃分為粘性底層、過渡 層、紊流層，其紊流度（標征 的大小的量） 可參看圖2。若平均流速和脈動流，則有a1 a-KS ” _!11 1兇1， !a(17)(18)(19)平均流粘性耗散能相對于E 3所占的百分比若 u*y/ u 0, 5貝U E1/E3=87.3%若 u*y/ u 5, 10 則 E2-E1/E3=9.2%若 u*y/ u 0, 10 則 E2/E3=96.5%若 u*y/

27、 u 10, 15貝U E4/E3=3.4%I!N n jn亠lin ra Al hi 一一 =”因順便指出 分布結果比較復雜，具體結果參照文獻17。取i- i_ I .(20)(21)(22)(23)(24)=u2*/2H x H+S ln( S /(H+ S )+9/2H 2k2 u 2(a1-4b+4(b 21-ab-2c1)u +(a1b21-2a1C1+4biC1) x2 2 2 2(1/ u -2/a1)+1/2 x 1/ u2-(2/a1) x 2(a b-b 1+2C1)u+2(aQ-a1b1-4bc)u -2c*a 1+0)332224+1/3 x 1/ u -(2/a 1)

28、 x a1b1-2a c+4b1c1) u +4c1(ab+C1)u +創+1/41/ u 4-(2/a1) x222 2552-2c 1(a 1b 1+C1) u -2a 1c 1 u + a 1 u c 1 x 1/51/ u -(2/a 1) + Ina 2 ux -2 u +2(4b1-a 1) u +2(a1b1-b21+2c1)+a 1/2- u x (a 1+4v)-4b 1-(a 1/2) 2- u 上式中 a1=Hku*+2 u ,b1=ku* S +2u ,c1=ku * Su + u 2.順便指出,KTUMM naHHiMdiMI.兇也可依照Ex無任何實質性困難的求出。3

29、.3湍流現象其實針對湍流概念，18給出了一個極好的描述，它聯系了渦運動與紊運動的物理關系, 以及表達了紊運動在時間和空間上都是一種局部現象。令1/入七=粘性應力/紊動應力=卩(du/dy ) /- p u v 對于充分發展紊流取u* S / u 11,u*y/ u 12,k=0.4知(采用竇國仁公式)入 t 1.5在湍流流速場分布中， 19 找到了如下的速度場之間的廣義自相似性關系 x=入 x,t =入 t1-卩,V =入卩 V, (p/ p)=入 2p ( p/ p) , u = X 1+u20Frisch,U etal.A simple dynamical model of intermi

30、ttent fully developed turbulence.J Fluid Mech.197821 錢寧，萬兆惠。泥沙運動力學。北京：科學出版社， 1983.22Giselher,Gust.Observations on turbulent drag reduciton in a dilute suspension of clay in sea water I Fluid23Luchik,T.S.and Tiederman,W.G.Timescale and structure of ejections and bursts in turbulent channel Mech.1987,

31、174.24 秦榮昱等。河流推移質運動理論及應用。北京：中國鐵道出版社， 1996.25 陳長植等。曲率緩變型反弧段水流的紊動特性。水利學報，1994，10.26 李福田。挾沙水流紊動結構的實驗研究。泥沙研究， 1986(1).第二章 距離高分辨和一維距離像雷達采用了寬頻帶信號后 , 距離分辨率可大大提高 , 這時從一般目標 （如飛 機等接收到的 已不再是 “點”回波 ,而是沿距離分布開的一維距離像。雷達回波的性質可以用線性系統來描述 , 輸入是發射脈沖 , 通過系統 （目標 的作用 ,輸出 雷達回波。系統的特性通常用沖激響應（或稱分布函數表示 ,從 發射波形與沖激響應的卷積可得到雷達回波的波

32、形。嚴格分析和計算目標的沖激響應是比較復雜的,要用到較深的電磁場理論 , 不屬于本書的范圍。 簡單地說 , 雷達電波作用的目標的一些部件對波前會有后向散射 , 當一些平板部分面向雷達時還會有后向鏡面反射 ; 這些是雷達回波的主要 部分 ;此外還有諧振波和爬行波等。因此 目標的沖激響應 （分布函數可以用 散射點模型近似 , 即目標可用一系列面向雷達的散射點表示 這些散射點位于后 向散射較強的部位。 由于諧振波和爬行波的滯后效應 , 有時也會有少數散 射點在 目標本體之外。 如上所述 , 目標的散射點模型顯然與雷達的視線向有關 , 例如當 飛機 的平板機身與雷達射線垂直時有很強的后向鏡面反射 ,

33、而在偏離不大的角度 后 , 鏡向反射射向 它方 , 不為雷達所接收。 目標的雷達散射點模型隨視角的變化 而緩慢改變 ,且與雷達波長有關 分析和實驗結果表明 ,在視角變化約 10的 范圍里 , 可認為散射點在目標上的位置和強度近似 不變。 順便提一下 , 前面曾提 到微波雷達對目標作 ISAR 成像 ,目標須轉動 3左右 ,在分析時 用散射點模型 是合適的。雖然目標的散射點模型隨視角作緩慢變化 , 但一維距離像的變化要快得多。 可以想像到 , 一維距離像是三維分布散射點子回波之和 , 在平面波的條件下 , 相當三維子回波以向量和的方式在雷達射線上的投影 , 即相同距離單元里的子回波作向量相加。我

34、們知道，雷達對目標視角的微小變化，會使同一距離單元內而橫向位置UD13V1 裳W190m 2-1鐘l冋波的維sm不同散射點的徑向距離差改變，從而使兩者子回波的相位差可能顯著變化。以波長3厘米為例，若兩散射點的橫距為10米，當目標轉動0.05。時，兩者到雷達 的徑向距離差變化為1厘米，它們子回波的相位差改變240由此可見，目標 一維距離像中尖峰的位置隨視角緩慢變化（由于散射點模型緩變，而尖峰的振幅可能是快變的（當相應距離單元中有多個散射點。圖2-1是2.1寬帶信號的逆濾波、匹配C波段雷達實測 的飛機一維距離像的例子，圖中將視角變化約 3。的回波重合畫在一起。一維距 離像隨視角變化而具有的峰值位置

35、緩變性和峰值幅度快變性可作為目標特性識別的基礎。本章將用上述散射點模型對高分辨的一維距離像進行討論。濾波和脈沖壓縮根據散射點模型，設散射點為理想的幾何點，若發射信號為（p t，對不同 距離多個散射點目標，其回波可寫成：22( (cir i iR s t A p t ecn=(2.1i A 和 ( i m R t 分別為第 i 個散射點回波的幅度和某時刻的距離 ; ( p ?為歸一化的回波包絡 ; c f 為載波頻率 , c 為光速。若以單頻脈沖發射 , 脈沖越窄 , 信號頻帶越寬 。 但發射很窄的脈沖 , 要有很 高的峰值功率 實際困難較大 , 通常都采用大時寬的寬頻帶信號 , 接收后通過處

36、理得到窄脈沖。 為此 , 我們將 (2.1 式的回波信號換到頻域來討論如何處理 , 這時 有 :2( ( c if f jR cr i in+=刀(2.2對理想的幾何點目標當然希望重建成沖激脈沖,如果 ( P f 在所有頻率沒有零 分量 ,則沖激脈沖信號可通過逆濾波得到,即21(2( e( ( c if jR i r ci iR S f FA t P f cnw-? ?=-?刀(2.3實際 ( P f 的頻帶雖然較寬 ,但總是帶限信號 ,所以一種實用距離成像方法是通過匹配濾波 , 主要將各頻率分量的相位校正成一樣 , 為了提高信噪比再按信 號頻譜幅度加權 ,而頻譜為零部分是無法恢復的。匹配濾波

37、后的輸出為1* ( 2( 1*(2( ( ( ( ( 2e psf ( c i c i r M f r f f j R c f i i f j R i c=?EE(2.4這里 *( P ?為 ( P ?的復共軛 ,而21( psf ( ( f t F P f - ? ?=? ?(2.5在時域上看 , 濾波相當于信號與濾波器沖激響應的卷積 , 對一已知波形的信 號作匹配濾 波,其沖激響應為該波形的共軛倒置。當波形的時間長度為p T , 則 卷積輸出信號為 p T 2。實際上 ,匹配濾波可實現脈沖壓縮 ,輸出主瓣的寬度為B (B 為信號的頻帶寬度 , 為降低副瓣而作加權 ,主瓣要展寬一些 ,即距離

38、分辨率為 2(B c , 脈壓信號的 B 通常較大 (1BT , 輸出主瓣是很窄的 , 時寬為 p T 2 的輸 出中 ,絕大部分區域為幅度很低的副瓣。當反射體是靜止的離散點時 , 回波為一系列不同延時和復振幅的已知波形之 和 , 對這樣 的信號用發射波形作匹配濾波時 , 由于濾波是線性過程 , 可分別處理 后迭加。 如果目標長度相 應的回波距離段為 r ?, 其相當的時間段為 T ?(=c r ?2 , 考慮到發射信號時寬為 p T ,則目標所 對應的回波時間長度為 p T T +?, 而匹配濾 波后的輸出信號長度為 p T T 2+? 。雖然如此 ,具有 離散點主瓣的時間段仍只有T?,兩端

39、的部分只是副瓣區 ,沒有目標位置信息。應當指出 ,通過卷積直接作匹配濾波脈壓的運算量相對較大,可以在頻率域通過共軛相乘再作 IFFT 求得。需要注意的是兩離散信號頻率域相乘相當它們在 時域作 圓卷積 , 為使圓卷積與線性卷積等價 , 待處理的信號須加零延伸 , 避免圓 卷積時發生混疊。實際處理中 ,為了壓低副瓣 ,通常是將匹配函數加窗 ,然后加零延伸為p T T +? 的時間長度 ,作傅立葉變換后并作共軛 ,和接收信號的傅立葉變換相乘后，作傅立葉逆變換，取前T ?時間段的有效數據段。為了便于采用快速傅立葉變換，可能對匹配函數要補更多的零，對接收信號也要補零。 脈壓處理過程的如 圖2-2所示,其

40、中虛框部 分可事先計算好，以減小運算量。接收信號圖2-2匹配濾波脈壓示意圖距離匹配濾波壓縮后，不管是否補零，其距離分辨率為2(B c，距離采樣率 為2(s F c，其中s F為采樣頻率，1s sT F =為采樣周期，距離采樣周期要求小于等 于距離分辨單元長度。2.2線性頻調信號和解線頻調處理大時寬寬頻帶信號可以有許多形式 ，如脈沖編碼等，但用得最多的是線性調 頻(LFM脈 沖信號。由于線性調頻信號的特殊性質，對它的處理不僅可用一般 的匹配濾波方式，還可用特 殊的解線頻調(Dechirping方式來處理。解線頻調脈壓方式是針對線性調頻信號提出的，對不同延遲時間信號進行脈 沖壓縮，在一些特殊場合，

41、它不僅運算簡單，而且可以簡化設備，已廣泛應用于 SAR和ISAR中作脈沖 壓縮。應當指出，解線頻調處理和匹配濾波雖然基本原理相同，但兩者還是有些差別的，為了能正確利用解線頻調方式作脈沖壓縮，我們對它作一些詳細的說明。假設發射信號為=? ?+rect 2122 冗丫 , 其中 ?w =212101rect(u u u , f c為中心頻率,T p為脈寬,為調頻率,t t mT =-為快時間 , m 為整數 , T 脈沖重復周期 , mT t m = 為慢時間。解線頻調是用一時間固定 , 而頻率、 調頻率相同的 LFM 信號作為參考信號 , 用它和回波 作差頻處理。設參考距離為R ref , 則參

42、考信號為?+? - ? -=2212?222?rect , ?(c R t c R t f j ref refm refref ref c e T c R t t t s丫冗(2.7式中 ref T 為參考信號的脈寬 ,它比 T 要大一些 (參見圖 2-3 。某點目標到雷達的距離為t R ,雷達接收到的該目標信號, ?(m r t t s 為? ? ? -+? ?-? -=2212?222?rect , ?(c R t c R t f j p t m r i i c e T c R t A t t sYn (2.8解線頻調的示意圖如圖 2-3,若 ref t R R R - =?,則其差頻輸出

43、為 , ?( , ?( , ?(*m r e f m r m if tt s t t s t t s ?= 即244 2?(42?rect , ?(?-? -=R cR f cR cR t c j p t m if eee T c R t A t t s c ref頻脈沖。冗丫冗丫冗 (2.9若暫將討論限制在一個周期里 (即 R ? 為常數 ,則上式為頻率與 R ?成正比的單如果所需觀測的范圍為 2, 2r R r R ref ref ?+? -, 圖 2-3 中畫出了范圍兩 側邊緣處的回波。2.3(a 中除參考信號外 ,有遠、近的兩個回波。參考信號與回波作其共軛相乘 , 即作差頻處理 , 回

44、波變成單頻信號 , 且其頻率與回波和參考信號的 距離差成正比 ,因而也叫解線頻調處理。由圖 2-3(b 可知 cR f i ? -=2 y。因此 ,對解線頻調后的信號作傅立葉變換 , 便可在頻域得到對應的各回波的 sinc 狀的窄脈 沖 ,脈 沖寬度為 p 1,而脈沖位置與 ?R 成正比 (cR ?-2 丫如圖2-3(b的左側所示。如上所述 , 變換到頻域窄脈沖信號的分辨率為 p 1, 利用 cR f i ?-=2y ,可得相應的距離分辨率為 r p=Bc T cp1212=y ,相應的時間分辨率為B 1, 這與匹配濾波脈沖壓縮的結果是一致的。城址4心|皿I 遠費離冋*Zirjc(12dfHi

45、la空嵐上戢圖2-3解線頻調脈壓示意圖由于用解線頻調作脈沖壓縮的結果表現在頻域里 ，而不像匹配濾波是在時域 里完成，有些 書籍里又把這種方法叫 時頻變換脈沖壓縮”。從頻率域變換到距 離（相對于參考點的，應乘以 系數丫2c -應當指出，如 r ? 一定則解線調頻后的頻率范圍為?- 丫丫,即信號最大頻寬為YCr ?2=B cT r p?2=B R r p?,其中 p R 為 p T 所對應的距離。因此可見 ,比值pR r ? 越小 , 則信號最大頻寬比原調頻帶寬也小得越多, 在聚束式 SAR 和 ISAR 里這一比值有時小到幾十分之一 ,甚至幾百分之一 ,以 ISAR 為例 ,飛機一類目標 的長度

46、一般 小于 100 米 , 對應的時寬為零點幾微秒 , 而大時寬的寬頻帶信號一般 在幾十微秒以上 , 從而可 將信號頻帶從幾百兆赫減小到只有幾兆赫 , 對后續設備 （特別是中放和 D A 變換 可簡化很 多。 當然 , 這一頻帶的降低是以時間加長為代價換來的 ,即用長的時間來處理短時間里的信號 。以上只是結合圖 2-3 作定性說明 ,回過來看看 （2.9 式 ,它還是比較復雜的 , 特別是它有三個 相位項。為簡化分析 ,由于目標一般移動相對緩慢（在 ISAR 中 , 雷達不動目標運動 ;在 SAR 中 ,雷達運動場景和目標通常不動 , 目標相對雷達 運動的速度為雷達速度在目標方向的投影分量 ,

47、 可設其距離 （相對于參考點 ?R 的快時間 t ?（限于一個周期 是固定 , 而對慢時間 m t （跨多個 周期 是移動的。 上面的 定性說明只是討論一個周期里的脈壓 ,即 ?R 為定值 ,因此 （2.9式中的 后兩個相 位項在所討論的時間里為常數 , 所須要注意的只是第一個相位項。 該項表明變換 后 得到的脈沖是單頻的 ,其值為 c常將這一相位項稱為距離項。?R 對于慢時間 m t 是變化的 , ?R 的變化會使對應的距離項中的頻率即 (2.9式中的第一相位項所對應的 i f 發生改變 ,同時也使 (2.9 式中其它兩個相位項的 相位不 再是固定的 , 而會發生變化。 下面我們將會看到 ,

48、 第二相位項的相位變化 使回波產生多普勒 這是正常的，而第三相位項是解線頻調所獨有的，稱為視頻 殘余相位(RVP,它會使多普勒有少許改變。將 (2.9 式后兩個相位項的相位單獨寫出 :2244?+二R cR f c c d 冗丫冗(2.10在 短 的 時 間 里 ， 設 ?R 的 變 化 近 似 是 線 性 的 (高 次 項 可 以 忽 略即mr t V R R +=?0， 而 2?R =20 (m r t V R +?m r t V R R 0202?+玉將？R和2?R 代入 (2.10 式 , 得2(4 (402020m r m r c d t V R R c t V R f c? +-=

49、冗丫冗(2.11由此可得多普勒(24221002?-=Q-=B f cV V R cf cV dt丫冗(2.12式中00?=T B 丫而 cR T 002?= , 即目標相對于參考點的距離為 0?R 時 ,解線調頻 后信號的頻率。得到其實 ,上述結果可對 (2.9 式的時域信號對快時間 (以參考點的時間為基準 作 傅立葉變換2244 2(sinc , (?-? ? ? ? ?+=R cj R f c ji p p m i if eeR c f T AT t f S c冗丫冗丫 (2.13式 (2.13 表明 ,解線頻調脈沖壓縮后 , 在頻域的窄脈沖寬度為 p ,頻移為?-R cY2, 另外還有

50、兩個與 ?R 有關的相位項 ( 多普勒項和RVP 項 , 這些都和上面的說明是一致的。解線頻調方法和匹配濾波脈壓相比較 , 多了 RVP 項 , 它是什么原因產生的 , 是否正常 ,如 果不正常 ,是否可加以消除呢 ?答案是肯定的 。從圖 2-3(b 可見 , 通過解線頻調后 ,矩形脈沖變成單 頻的 ,且頻率與距離的負數 (當對于參考點 成 正比, 這是我們需要的。 但從該圖也可看出 , 各 個單頻脈沖時間上不對齊 , 而是 有一定的時移 (=i f R =- ? , 即時移與解線頻調的頻率成正比。 我們知道 , 時 域的時移相當于頻域添加了線性相位因子,這就是 RVP 項的來源 ,我們可以通

51、 過對圖 2.2(b 的波形作色散延時處理 , 令延時與 i f 成正比 (=i f , 則可將圖 2-3(b 中的所有不同 距離的回波校正成在時間上完全對齊圖 2.2(c, 而 RVP 項也隨之 消失。在實際應用中 ,解線頻調后脈沖在時間上不對齊 ,主要影響還不是 RVP 因 為 (2.12 式中的 0c B f ?, 而是脈壓后的副瓣問題。我們知道,矩形的時域脈沖 通過傅立葉變換的頻率波形為sinc 函數 , 主瓣附近的副瓣是相當高的 , 必須加權 處理以抑制副瓣。 可以看出 , 由于解線頻調 處理只能在時域加權 , 當所有脈沖在 時間上均對齊時 , 各脈沖均能統一地作良好的加權 , 從而

52、 得到低副瓣的脈壓。 對于如圖 2-3(b 所示的時間上錯開的脈沖 ,而我們又只能對 pr T (=cR T r p ?+2 作統一的時間加權 , 對中間的信號加權合適 , 兩端的信號不會合適。 可以說 , 對圖 2-3(b 的信號作脈沖壓縮，除非2p r T c?5】根據疑采樣定劇 信號的最大頻帶寬度等于采樣頻率則何(2 JR)F =處丁匸丫 _ X尸由于采樣數口初和采樣時間J和采樣率耳的關系為當pr T =p T時，解線頻調距離壓縮后采樣率等于分辨率prc T c T c pyyS =21212 （2.212.3 散射點模型與一維距離像寬頻帶信號的功能之一是為雷達目標識別提供了較好的基礎。 現代雷達 , 特別是軍用雷 達常希望能對非合作目標進行識別。 常規窄帶雷達由于距離分辨率很低, 一般目標 （如飛機呈現為 “點” 目標 , 其波形雖然也包含一定的目標信息 , 但十分粗糙。頻寬為幾百兆赫的雷達 目標回波為高距離