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上海交通大学博上学位论文摘要成像雷达以其全天候、全天时工作能力、可穿透叶簇或地表等独特优点，广泛 应用于国民经济和国防建设的各个领域，是目前国内外研究的热点。本论文提出将 逆散射层析成像技术应用于成像雷达，以实现高质量雷达成像。从电磁散射机理、雷达信号采集和图像重建算法三方面综合分析衍射层析成像技术在超宽带合成孔径 雷达和探地雷达中的应用，探讨新型雷达成像机制。目前，合成孔径雷达仅对大面积连续区域或反射率对比明显的目标成像效果较 好。与常规窄带合成孔径雷达相比，超宽带合成孔径雷达的大带宽和宽波束导致其 无论在系统实现还是成像处理方面均具有特殊性。超宽带情况下的散射机理上分复 朵，此时雷达成像质量与系统成像模型、重建算法密切相关。传统的雷达回波处理 方法忽视了回波中最利于目标检测与识别的衍射信号。由于地下介质组成相当复杂,且具有非均匀、损耗和色散等特性，以及各种杂散回波的存在，探地雷达信号处理 与一般的空间雷达有较大差别，其成像效果还不尽如人意。雷达成像本质上属于逆散射问题。层析成像可提供多维逆散射问题的一种统一、完善的成像处理方法。衍射层析成像利用散射场实现目标的高质量重建，由于它以 波动方程为基础，计入包含衍射在内的较完全的散射机理，因而具有理论上的最佳 成像能力。故本文探讨衍射层析成像应用于成像雷达以实现高质量成像。首先从逆散射层析成像的角度论述雷达成像，结合理想微波成像准则，提出用 空间谱域分布来定性评价成像系统。理想微波成像应包含高质量的几何成像和物理 成像两方面：几何成像提供目标形状、位置、三维及内部结构信息；物理成像提供 目标的物理或电特性，如介电常数、磁导率及电导率。空间谱域方法简单直观，物 理概念明晰，利于选择与优化成像系统的结构，且可推广应用于一般性的成像系统。接着采用空间谱域分布分析衍射层析成像特性。着重讨论衍射层析成像实现高 质量成像的理论与实际两方面因素的限制，通过对衍射层析成像特性的深入分析，找出适用于其它成像系统尤其是成像雷达的相关结论。上海交通大学博士学位论文在上述分析的基础上，首次提出将衍射层析成像技术应用于超宽带合成孔径雷 达以实现高质量成像。从电磁散射机理出发，指出点目标成像理论是制约超宽带合 成孔径雷达成像的根本所在，提出适于超宽带合成孔径雷达的多站数据采集和重建 算法，给出空间谱域分析、数值验证和实验方案，并讨论衍射层析成像技术在新体 制合成孔径雷达中的潜在应用。类似地，将衍射层析成像技术应用于探地雷达，分析多站数据采集方式以及与 之相匹配的重建算法。探讨数据采集的目的在于实现数据的有效采集，考察探地雷 达的数据获取质量，尤其是现有商用探地雷达无法获取的低空间谱信息。探讨反演 成像的目的是从逆散射层析成像的角度研究雷达信号的最佳处理。最后对雷达关键部件中的大功率电调滤波器做了初步研究.本文对衍射层析成像技术应用于微波成像雷达实现高质量成像做了初步探索，取得了不少有益结论，并用理论和数值结果进行了验证。该研究对于新型成像雷达机 制有着重要指导意义和潜在应用价值。关键词：逆散射；衍射层析成像；合成孔径雷达；探地雷达；超宽带；成像；可调 滤波器上海交通大学博士学位论文AbstractImaging radars have been the focus of worldwide research and found broad applications in national economy and defense fields due to the characteristics of providing allweather,day-and-night imaging capability,as well as foliage or ground penetration.The application of tomographic inverse scattering techniques to imaging radars is presented to realize high quality radar imaging in this thesis.Diffraction tomography is applied to ultra wideband synthetic aperture radar(UWB SAR)and ground penetrating radar(GPR)with the comprehensive consideration of the electromagnetic scattering mechanisms,the signal acquisition system and the image reconstruction algorithm.The objective is to investigate the new radar imaging modality.Nowadays,SAR can only have relatively good results for large area imaging or the object forming a striking contrast to background in reflectivity.Compared with the usual narrowband SAR,UWB SAR has wide bandwidth and wide beamwidth that bring the particularities in both system implementation and image formation.The scattering mechanisms are very complicated and the quality of radar imaging is highly dependent on the system model and the reconstruction algorithm in UWB case.The traditional radar echo processing does not take the diffraction signal into account,which is most suitable for target detection and identification furthest.Since the earth materials have complex composition and are nonunifbrm,dispersive,lossy,and there exist ground cl utters GPR signal processing differs greatly from that of the conventional atmospheric radar.GPR imaging is still far from perfectRadar imaging belongs to the inverse scattering problem in nature.Tomography can offer the uniform and perfect image formation processing to multidimensional inverse scattering problems.Based on the wave equation,diffraction tomography exploits the objects scattering fields to perform reconstruction and takes more scattering mechanisms in上海交通大学博士学位论文including the diffraction effect into consideration.These features make diffraction tomography have the optimum imaging ability.Thus this thesis investigates the application of diffraction tomography to imaging radars to realize high quality imaging.First,radar imaging is treated from the viewpoint of tomographic inverse scattering.With the ideal microwave imaging criterion,the spatial spectral coverage is presented to evaluate the imaging system qualitatively.The ideal microwave imaging should include two aspects of information.One is the geometric imaging such as shape,location,3-D structure or even internal structure of the target and the other is the probe into inherent physical or electrical properties of the target,that is,permittivity,conductivity and permeability.Spatial spectral analysis is simple and is applicable to choosing and optimizing the structure of imaging systems.The method also has a potential fbr other imaging systems.Second,the characteristics of diffraction tomography are discussed using the spatial spectral coverage.The discussion lays the emphasis on the theoretical and practical factors that limit the imaging quality.These analyses are conducted thoroughiy in order to draw the conclusions that can be applied to other imaging systems,especially imaging radars.Third,the application of diffraction tomographic techniques to UWB SAR is proposed for the first time to realize high quality imaging.It is pointed out from the electromagnetic scattering mechanisms that the point-target imaging theory is the fundamental limitation of UWB SAR to realize high quality imaging.The multistatic data acquisition and the reconstruction algorithm suitable for UWB SAR are presented.The spatial spectral analysis,the numerical validation and the experimental scheme are givenThe potential applications of diffraction tomographic techniques to newly developed SAR systems are also included.Fourth,the diffraction tomographic technique is applied to GPR imaging similarly.The multistatic data acquisition and the matching reconstruction are analyzed,GPR data acquisition is evaluated with the purpose of studying the effective data collection way and IV上海交通大学博士学位论文especially the influence of low spatial spectral information which can not be attained by the existing commercial GPR.The reconstruction is discussed from the tomographic inverse scattering theory to find an optimum solution to radar echo processing.Finally,as a key component of radar,the high-power electronically tunable filter is designed and realized.To sum up,the application of diffraction tomographic techniques to microwave imaging radars is investigated to realize high quality imaging in this thesis.Some encouraging conclusions are drawn.Theoretical and numerical results validate the feasibility.This research has the important significance and the great potential value for novel imaging radar systems.Key words：inverse scattering;diffraction tomography;synthetic aperture radar(SAR);ground penetrating radar(GPR);ultra wideband(UWB);imaging;tunable filterv上海交通大学博士学位论文第一章绪论1.1 研究背景及意义自雷达诞生以来，人们就希望实际雷达能像人眼那样对目标成像，而不仅仅是 一个尖头脉冲或亮点。伴随现代科技的发展和人类孜孜进取的探求精神，成像雷达 的发明使得雷达真正成为名副其实的“千里眼”，人们得以在雷达屏幕匕看到目标的 真实图像，获取更多有用信息。时至今日，已有各种不同形式、服务于不同目的的 成像雷达，在国民经济和国防建设中扮演着日益重要的角色。成像雷达技术目前成 为国内外广受关注、发展迅速、竞争激烈的研究热点成像雷达属有源系统，它主动向目标发射电磁波（微波波段）并接收目标散射 回波进行成像。尽管X射线成像、激光成像、白光照相、热红外成像或超声波成像 等均是用照射源照射目标，并用合适的传感器接收回波进行成像，但这些习惯上并 不称为雷达；仅在微波领域的这种有源成像系统才称之为雷达。概括起来，采用微 波作为探测手段具有如下独特优点：第一，可穿透大气层和云、雨、雪、雾等，具 有全天候、全天时工作能力；第二，对地表也有一定的穿透能力，包括自然植被、上壤或人工掩体等；第三，能提供不同于可见光和（热）红外谱段遥感的信息；第 四，微波成像用于生物医学时，可显示生物组织的分子特性，且没有放射性。上述 特点使得微波成像（雷达）技术广泛应用在地球物理、农林生产、工程勘查、无损 检测、生物医学、考古、科研和军事等领域雷达成像的根本原理是采用各种方法提高雷达的诸维分辨率，使其分辨单元的 尺寸与被成像的目标尺寸相比小得多，从而得到目标不同部位的信息，以构成雷达 图像。按照实现距离分辨或角分辨的方式，成像雷达大体上可分成三类，即实孔径 成像雷达、合成孔径成像雷达和二者兼有的成像雷达，如图14所示。前两种类型的 成像雷达获得高距离分辨率的方法是一致的，通常是靠发射宽带信号并在接收时采 用各种脉冲压缩技术。在获得方位向或俯仰向分辨率的方法上，实孔径成像是通过 第一章绪论实际天线波束宽度来获得角分辨的，而合成孔径成像则是利用雷达与目标之间的相 对运动所产生的目标上两个相邻位置点之间的多普勒频移增量来实现高的角分辨率 的。第三种类型的成像雷达除利用合成孔径原理获得某一角度维高分辨外，还利用 实天线孔径获得距离或另一角度维的高分辨信息。此外，成像雷达按照用途可以分 为空间成像雷达、探地雷达、海洋成像雷达、军用成像雷达等。图卜1成像雷达分类 Fig.1-1 Categories of imaging radars.在这些形式各异、种类众多的成像雷达中，目前发展最快、应用最广的是合成 孔径雷达w(Synthetic aperture radar,简称 SAR)和探地雷达雨(Ground penetrating radar,简称GPR)。SAR利用脉冲压缩技术实现距离分辨，借助回波的多普勒偏移实 现方位分辨，对目标反射率进行成像。SAR在雷达成像方面实现了跨越，随后在此 基础上还发展了各种新体制SAR,如逆合成孔径雷达(ISAR)、干涉合成孔径雷达(InSAR)等。GPR采用电磁波对地下或物体内部不可见目标实现定位和成像。经 过长期发展和不断改进，两者在系统理论、成像方法以及雷达图像的理解与应用等 方面都取得了长足的进步，成为微波探测的有力手段，在不同应用领域发挥着举足 轻重的作用。本论文将重点分析这两种成像雷达。上海交通大学博士学位论文随着科技水平的不断提高和应用需求的无限扩展，人们借助各种手段一直致力 于改善成像雷达的分辨率，并试图从雷达回波信号中获取更多有用信息22”对成像 而言，人们已不仅仅满足于视觉成像，还希望得到有关目标的各种物理参数，这样 一方面可以将大千世界生动地展现在眼前，另一方面可以直接得到各种感兴趣的目 标参数，这样更加利于图像的判读。因此，本论文所指的“成像”包含目标的几何 成像和物理成像两方面，几何成像包括目标形状、位置、三维及内部结构，物理成 像包含目标的物理属性或电特性，如介电常数、磁导率及电导率等。以这一标准衡 量，目前成像雷达的效果还不尽如人意。以SAR为例，在几何成像方面，SAR仅对大面积连续区域、信杂比高的目标成 像效果好；在物理成像方面则刚刚起步，尚待深入。为获得图像的精细分辨和穿透 叶簇、地表等实现对隐蔽目标的探测，人们寄希望于超宽带（Ultra wideband,简称 UWB）SAR。然而UWB SAR在几何和物理成像两方面并没有达到人们所预期的效 果；由于仅UHF、VHF频段的电磁波穿透效果较好，在实现穿透成像的同时分辨率 因此而降低；在图像解译方面，存在着按照常规窄带SAR理论难以解释的寄生响应。为此，本论文旨在从最根本的成像机制方面探讨如何实现高质量雷达成像。雷达成像在本质上归结为逆散射问题，即利用测量所得的散射场推断目标散射 体信息”九逆散射问题属不适定问题，因此现行该问题的求解方法大多以弱散射近 似或物理光学近似为前提将问题本身线性化。以散射和逆散射理论为基础的成像机 制有着广阔的应用，尽管具体实现方式在不同领域形式迥异，但它们的原理是相通 的。例如，医学中的X射线投影、CT扫描、核磁共振、B-超，地球物理中的跨井测 量等，都是基于逆散射理论的计算机层析成像的具体实现方式。逆散射层析成像技术建立在惠更斯一基尔霍夫衍射理论、Porter-Bojarski积分方 程基础之上，可以提供多维逆散射问题的一种统一且相当完善的成像处理方法向仞。其中，衍射层析成像（Dififraction tomography,简称DT）历经二十多年发展，受到愈 来愈多的重视，目前己广泛应用于超声波工程、生物医学、无损检测、地球物理、光学成像、探地雷达、遥感以及军事应用等诸多领域。它以波动方程为基础，计入 包含衍射在内的较完全的散射机理，利用散射场重建目标图像。由于衍射现象含有 3第一章绪论丰富的被测物目标函数信息，DT正是充分利用了这一衍射信息，能实现对小散射体 和被测物棱边的探测，因而具有理论上的最佳成像能力网。现代科学技术的发展中，不同学科的交叉与融合往往是产生新兴学科领域的契 机，而吸收其他学科的技术成果与手段作为本门学科研究的新工具与方法，则往往 是深化对本门学科研究对象的了解从而推动本门学科发展的关键。这一辩证思想激 发了本课题研究的灵感，借鉴逆散射层析成像尤其是衍射层析成像技术，来实现高 质量雷达成像。本课题是国家863预研项目画。研究的主要任务是基于逆散射理论探讨如何实 现高质量雷达成像，从散射机理、数据采集和重建算法三方面分析逆散射层析成像 技术在微波成像雷达中的应用。1.2 国内外研究概况和动态1.2.1 合成孔径雷达发展概况合成孔径的概念可以追溯到20世纪50年代，至今已有半个多世纪的历史叱 1951年6月，美国Good Rar航空公司的Cari Wiley首先提出“多普勒波束锐化”的思想，成为SAR技术诞生的标志。在以后的几十年里，SAR技术得到了迅速发展。1964年，美国密执安环境研究所(ERIM)成功制成了第一步机载SAR系统。1978 年6月美国成功发射了装载有L波段SAR的海洋卫星Seasat-A,开创了星载SAR 空间微波遥感的先河。其后，以航天飞机为平台的SIR-A、SIR-B和SIRC分别 于1981年11月、1984年10月和1994年4月成功执行对陆地、海洋和多参数观测 任务。其中，SIR-C工作于L、C、X频段，可变视角，L、C频段为多极化多模式 工作，X频段为VV极化。至此，多频段、多极化、可变视角和可变波束的多模式 SAR逐步成为现实。除美国外，世界各国都专注于研制各种星载SAR,如俄罗斯的 Almaz卫星，欧空局(ESA)的ERS、ENVISAT卫星，法国的Horus卫星，德国的 Terra SAR卫星、SARLupe星座，意大利的Cosmo-Skymed星座，加拿大的Radarsat上海交通大学博士学位论文卫星，日本的JERSJ、ALOS卫星。我国于20世纪70年代末开始有关SAR成像的 研究。1979年，中科院电子所成功研制了第一部机载SAR。在国内科研院所、高校 的共同努力下，现已取得了不少成绩，近年来正在开展多种机载SAR、星载SAR的 研制。纵观国内外情况，当前SAR的发展趋势有：1、星载SAR越来越多地使用多频段、多极化、可变视角和可变波束，且采用 空间功率合成的有源相控阵天线，并向柔性可展开的轻型薄膜天线发展。2、超高分辨率和多模式。如美国已发射的5颗军用“长曲棍球（Lacrosee）高 分辨率成像卫星，具有数种工作频段和工作模式，地面分辨率分别为0.3m（精测模 式）、1.0m（标准模式）和3.0m（宽扫模式），另外该卫星还载有雷达高度计、GPS接 收机等精测设备。3、InSAR技术。1974年，Graham首次证实采用InSAR实现地形测绘。ESA分 别于1991年、1995年发射了 ERS-1、ERS-2卫星，它们的数据仅间隔一天，使星载 干涉测量得到广泛应用。InSAR可生成全球范围的高分辨率（以米为量级）数字高 程图，采用差分式InSAR还具有检测地表微小位移（以毫米为量级）的潜力。4、动目标检测与成像技术。通过检测动目标，估算运动速度和补偿位移，形成 适合动目标成像的参考函数，实现聚焦成像。目前的方法包括从简单的单天线单通 道技术到复杂的多天线多通道技术。5、编队飞行的小卫星星座及虚拟卫星技术。小卫星具有研制周期短、更新换代 快、造价低、能快速发射、便于多星组网等优点。编队飞行或星座技术一方面可提 高星载SAR的时间分辨率；另一方面星座中的每颗星不但接收本星雷达发射信号的 回波，还能接收相邻卫星的雷达回波，通过星间链路和信号处理实现虚拟大卫星的 功能。例如，美国提出的多个多功能SAR卫星群的计划，包括STARLITE计划，FIA 计划，SBWASS-AirForce计划等，除能实现对地面景物高精度成像（分辨率0.3m-3m）外，还能高精度跟踪地面运动目标（速度4kmlOOkm/h）,并能获取地面的数字 高程数据（精度可达1m）,同时大大缩短对地面观测的重访周期。6、小型化技术，星上实时成像技术，以及校准技术。5第一章绪论一二:一L ，._.s_UWB SAR是20世纪90年代初发展起来的新体制雷达，它将超宽带技术(相对 带宽大于25%)与合成孔径技术结合起来。世界各国都投入大量人力、物力进行研 究，尤其是美国现已进入实用开发阶段.国外已研制成功的机载UWB SAR有：美 国ER1M和NAWC开发的P-3 UWB SAR,美国SRI研制的SRI UWB SAR,瑞典FOA 的CARABAS UWB SAR。由于机载系统和飞行实验费用昂贵，可重复性差，美国 ARL还大力发展了地面轨道系统RailSAR,地面车载系统BoomSARo典型的UWB SAR参数见表l-lo表P1几种UWBSAR系统UWB SAR频率范围带宽分辨力?只累角机、星载发射波形P3215900MHz509MHz0.66m X 0.33m31.7机载LFMSRIWO-SOOMHz200MHzJmX Im26机载ImpulseBoomSAR50lGHz1GHz5inX6in车载Impulse目前普遍认为UWB SAR在以下方面具有重要应用前景：穿透叶簇或地表对隐 蔽目标成像识别；提高雷达系统抗干扰能力；增强对低/超低空、掠海目标的探测与 跟踪性能；实现对目标的精细成像与识别；提高雷达系统反隐身能力。其中叶簇穿 透(FOPEN)或地表穿透(GPEN)UWBSAR技术尤为引人瞩目.UWB SAR与常规SAR相比，无论在系统实现还是成像处理等方面均有其特殊 性。若按常规窄带SAR的成像方法进行成像处理，必将导致成像的畸变。现将其成 像特点与亟待解决的问题总结如下：1、UWB SAR的相对带宽极宽、积累角较大，由此带来一系列不同于常规SAR的成像处理特点，如空变的大距离迁移、强耦合性、数据处理孔径 的严重变形和大数据量处理等。2、由于仅低频电磁波穿透能力较强，例如FOPEN UWB SAR只能使用VHF波段(30 MHz300MHz)和 UHF 波段(300 MHz3000MHz),雷达 的成像分辨力因此而降低。6上海交通大学博士学位论文3、UWB SAR的信号频谱覆盖目标散射的瑞利区、谐振区和高频区，散射机理十分复杂。对于工作在UHF.VHF频段实现穿透探测的UWB SAR,实际目标大多处在谐振区，衍射效应显著，目标散射的复振幅响应包含 额外的相位抖动，严重改变了成像特性，使图像不能反映目标的几何形 状信息，给图像解译带来困难。此时雷达回波不再简单地是发射信号的 延迟、多普勒频移，目标重建与雷达成像模型密切相关。4、传统的雷达回波处理方法忽视了回波中最利于目标检测与识别的衍射信号。UWB情况下，目标的冲激响应一般分为早期响应和晚期响应两 部分。早期响应是入射电磁波波前与目标相互作用产生的，包含大部分 后向散射能量，信噪比高，它与目标视角高度相关，反映目标的局部特 性，又称为物理光学分量。目前雷达回波信号处理主要利用早期响此。晚期响应表现为与激励无关的谐振响应，谐振频率与目标电尺寸有关，它是电磁波入射目标所激发的衍射现象，含有最为丰富的被测目标特征 信息，非常利于目标检测与识别。但遗憾的是，由于这部分衍射信号在 雷达回波中属晚期响应，且包含能量小、对噪声敏感，在目前的雷达回 波处理中并未合理地利用。如何接收与提取雷达回波中的衍射信号显得 尤为迫切，但目前国内外这方面的工作才刚刚起步。1.2.2 探地雷达发展概况探地雷达（GPR）是一种利用电磁波探测地下或物体内部不可见目标的设备，具有无损、方便、快速、高分辨率成像等优点，广泛应用于地球物理、工程勘查、环境监测、无损检测、考古、军事和科学研究等领域酬匐。当前物探方法有渗流法、电法、电磁法、重磁法、射线法、地震声学法和超声 测井法等。探地雷达较其它物探方法具有突出优点：采用超宽带脉冲技术的探地雷 达，可实现高分辨成像，分辨率可达数厘米；探地雷达是一种无损探测手段，而不 像其它方法多以破坏目标原始结构为代价进行测试；效率高，实施方便，从数据采 7第一章绪论集到实时成像可一体化；抗干扰能力强，适用工作环境广。GPR的相关工作源于20世纪初。1904年德国人Hulsmeyer首次采用电磁波探测 地下金属目标。1910年，Leimbach和Lowy在他们的专利中提出利用电磁波对地下 目标进行定位的方法。Hulsenbeck于1926年首次采用脉冲技术确定地下目标的结构 特征。1960年J.C Cook用冲激脉冲雷达在矿井中做了实验。70年代后，随着高速 脉冲成形、取样接收、计算机等技术的进步，GPR技术得到迅速发展以及大范围应 用,国内对GPR的研究起步较晚，但由于及时吸收和借鉴了国外的先进技术，近年 来取得不少成果，如中科院长春地理所、东南大学、大连理工大学等科研单位都研 制出了自己的样机,目前国内外推出的商用GPR主要有：美国地球物理探测设备公 司（GSSI）的SIR系列，加拿大探头及软件公司（SSI）的PulseEKKO系列，日本 应用地质株式会社（OYO）的GEORADAR系列，瑞典地质公司（SGAB）的RAMAC 钻孔雷达系统，以及国产LTD系列GPR等。这些GPR所使用的中心工作频率范围 为10MHz1GHz,时窗020000ns,探测深度4080m,分辨率达几厘米，深度符 合率小于5cm。GPR就发射电磁波的形式而言，分为脉冲调制雷达、调频连续波雷达、步频连 续波雷达和冲激脉冲雷达等体制。目前国内外商用GPR几乎都选用冲激脉冲体制，可在一定深度范围内满足高分辨率要求。GPR利用电磁波在地下媒质中的传播与散射特性探测目标的位置、结构和特性，受地下媒质的非均匀性、对电磁波的衰减特性等影响，电磁波在地下媒质中的传播 与散射比空间更为复杂，由此带来许多不同于空间雷达的新课题.如何快速有效地进行数据采集以实现高质量成像是目前GPR研究的一个主要课 题，而当前的热点集中在多天线或多站结构，这也是本论文研究的主要内容之一。1.2.3 逆散射层析成像发展概况电磁波的散射与衍射均与电磁波的辐射密切相关。辐射是场源产生的电磁波按 几何光学规律向远处传播而不再返回的现象，当波遇到障碍物或孔、缝时将改变其 8上海交通大学博士学位论文传播方向，被目标物激发的再辐射现象就是散射，其中偏离几何光学规律的散射就 是衍射。电磁逆散射利用测量所得的散射场推断目标信息。散射与逆散射理论有着 重要的应用价值，长期以来受到广泛关注，尤其近20年来随着计算机、数值计算、测量等相关技术的飞速发展，有关逆散射的研究在国内外都相当活跃。时域逆散射 是当前的一个研究热点，即利用目标的瞬态响应(即在瞬态脉冲或UWB入射波的激 励下产生的目标散射波)重建目标或进行目标识别。由于UWB信号在目标探测与识 别领域能提供高的距离分辨和杂波抑制能力，因而这一研究有着非常诱人的应用前 景。逆散射问题属于不适定问题，其解不唯一且不稳定，必须将其转化为适定问题 求解。从待定目标的特性区分，可将电磁逆散射问题区分为介质散射体与理想导电 散射体两大类。虽然目前已提出了许多介质和导体目标特性重建的近似和数值方法；但总的来说，与散射正问题相比，由于逆散射问题的复杂性，对它的研究还不够深 入和广泛。通常逆散射问题的处理是通过弱散射或物理光学等近似方法，将问题线 性化后按常规方法求解，而对散射体不作任何附加约束的逆散射问题求解尚待深入。层析成像的英文(tomography)源于希腊语tomos,本意是断面或切片。所谓层 析成像就是依据在物体外部现测到的数据重建物体截面的图像，它最先用于医学，随后拓展到其他领域吐血。在层析成像发展的早期，计算机水平较低,应用波动理 论进行层析成像研究困难较大，因此人们转而利用波动理论的高频近似射线理 论，发展了很多节省计算机内存和运算量的方法。相对而言，射线层析利用的数据 量少，效率高，计算相对稳定，因而受局部极值的影响较小.但由于受理论基础的 限制，射线只能穿过目标的有限部分，对有限视角的敏感度高，同时由于利用的数 据量少，层析反演出的结果分辨率低，不能用于精细求解。一般来说，应用射线层 析要求在一个波长的范围内波速的变化很小，非均匀体的尺度与探测波长相比大很 多，且介质模型平滑。随着计算机技术的发展以及人们对层析理论研究的不断深入，层析成像开始从 基于射线理论的射线层析向基于波动理论的衍射层析发展。衍射层析成像(Diffractiontomography,DT)由于以散射和衍射理论为基础，能够计入射线层析中 第一章绪论射线不能穿过的区域，使数据的覆盖面积扩大，对有限视角的敏感度降低，尤其适 用于探测波长与目标尺寸可比拟的情况。衍射层析自提出以来就得到迅速发展，将其当前发展总结如下：1、衍射层析严格从波动方程出发求解，同样归结为逆散射问题；2、从利用常规数据的层析向利用广角度、宽频带数据的层析发展；3、从单一数据采集方式向多种数据采集方式灵活运用发展；4、从单参数层析重建向多参数层析重建发展；5、从二维层析向三维层析发展；6、考虑场的矢量性质或去极化效应，发展矢量层析；7、从各向同性媒质发展为各向异性媒质的衍射层析；8、发展逆问题求解的新型近似方法、非线性方法或数值反演方法等。1.3本文的研究内容和主要贡献本论文的研究目的是探讨新型雷达成像机制，从电磁散射机理、雷达信号采集 和图像重建算法三方面综合分析逆散射层析成像技术在微波成像雷达中的应用，以 实现高质量雷达成像。全文主要包含以下内容：第二章作为整个论文的理论基石，从逆散射理论统一论述成像问题，得出相关 结论。在此基础上，提出理想微波成像应包含高质量的几何成像和物理成像两方面。针对一般使用点扩散函数表征成像系统分辨特性的不足，提出以空间谱域分布定性 评价成像系统的成像特性。空间谱域分析方法简单直观，物理概念明晰，利于选择 与优化成像系统的结构，且可推广应用于一般性的成像系统。第三章讨论衍射层析成像实现高质量成像的理论与实际两方面因素的限制。首 先由逆散射理论导出理想情况下衍射层析成像系统对应的空间谱域分布，以此分析 成像特性，然后考虑实际因素的影响。通过对衍射层析成像特性的深入分析，期望 找出适用于其它成像系统尤其是成像雷达的相关结论。10上海交通大学博士学位论文第四章探讨衍射层析成像技术应用于UWB SAR实现高质量成像。由电磁散射 机理深入分析UWB SAR不同于常规窄带SAR的成像特点，指出点目标成像理论是 制约UWB SAR实现高质量成像的根本所在，提出多站数据采集和与之匹配的重建 算法。UWB SAR与衍射层析技术的结合处于尚未探知的领域,系本课题组首次提出。第五章将衍射层析成像技术应用于GPR实现高质量成像，分析GPR多站数据 采集和相应的重建算法。探讨数据采集的目的在于按照理想微波成像准则考察探地 雷达的数据获取