窄波束FMCW雷达逆合成孔径雷达成像：一种跟踪滑动窗口实现方法

《Results in Engineering》：Narrow-Beam ISAR Imaging on a Custom FMCW Radar: A Tracking Sliding-Window Implementation

　　

针对定制调频连续波（FMCW）雷达中窄波束硬件限制的问题，提出了一种结合波束跟踪与滑动窗口方法以延长逆合成孔径雷达（ISAR）相干处理间隔（CPI）的实现方案。该研究完全基于自主研发硬件平台所采集的实测数据进行验证。研究结果表明，所提出的闭环波束跟踪机制能够有效延长可用的相干观测时间，配合基于图像质量准则的两阶段滑动窗口ISAR成像处理，可在窄波束条件下实现运动车辆目标的高分辨率成像，显著改善了跨距分辨率与图像质量。

论文解读文章

一、研究背景与问题

在现代交通监控与边境安全领域，远距离车辆识别对高分辨率毫米波（mmWave）感知技术的需求日益迫切。近年来，低成本77 GHz调频连续波（FMCW）雷达凭借其工作灵活性、对恶劣天气的鲁棒性以及精细的距离分辨能力，已成为广泛采用的环境感知手段。然而，当需要扩展探测与成像距离时，雷达系统面临严重的硬件与信号处理挑战。为补偿远距离传播损耗并维持足够的回波质量，雷达架构通常依赖多芯片级联天线阵列与数字波束形成（DBF）技术来集中辐射能量。但高增益阵列配置通常导致波束宽度相对较窄，这为逆合成孔径雷达（ISAR）成像带来了实际矛盾：ISAR的高跨距分辨率要求雷达与目标之间的相对运动合成足够长的孔径，即需要足够长的相干处理间隔（CPI）。在传统固定波束或慢速扫描系统中，快速运动的车辆会在足够的CPI累积完成之前迅速穿越并脱离有限的角覆盖范围，这种“波束跨越限制”大幅缩短了有效观测时间，从而限制了可实现的跨距分辨率，并损害了ISAR图像的结构完整性。

现有研究已针对机动目标的非平稳性提出了多种信号处理策略，如相干处理间隔选择、子孔径处理以及基于图像质量准则的运动补偿与自聚焦方法。然而，这些方法仅能改善已获取回波数据的利用效率，对于高增益窄波束系统，数据采集阶段即存在额外限制：运动目标可能在足够长的相干孔径获取之前就已离开有效照射区域。在此情况下，后续的CPI选择、子孔径处理或自聚焦虽能优化已采集回波的利用，却无法恢复因目标脱离照射而未被采集的相干观测数据。因此，如何在数据采集阶段直接延长窄波束系统对运动目标的相干观测时间，成为亟待解决的关键问题。

二、研究内容与意义

针对上述问题，本研究在自研的多芯片级联77 GHz FMCW雷达平台上，协同实现了干涉测角、数字波束形成（DBF）、波束转向与滑动窗口处理。在数据采集阶段，采用闭环波束跟踪机制以延长可用的相干观测间隔；在后续处理阶段，利用滑动窗口ISAR成像方法对延长后的回波序列进行处理。研究通过室外真实车辆目标的实验，全面评估了固定波束与波束跟踪两种配置下的可用相干观测间隔、跨距成像能力与图像质量。该研究的意义在于，在低成本窄波束毫米波雷达的实际约束下，实现了既有技术的集成与工程化验证，为窄波束雷达在远距离运动目标ISAR成像中的应用提供了可行的技术路径。

三、主要关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：其一，基于干涉测角的闭环波束跟踪机制，利用目标回波的干涉角度测量值更新DBF转向系数，使高增益波束持续跟随运动目标；其二，两阶段滑动窗口ISAR成像处理，从连续慢时间回波序列中提取候选处理窗口，并根据图像质量准则（如熵、锐度等）评估选择合适成像窗口；其三，针对跨帧波束权重更新引起的相位变化进行补偿处理。实验数据全部来自自研的八芯片相参级联77 GHz FMCW雷达平台，该平台包含64个物理发射通道与64个物理接收通道，采用64单元均匀线阵（ULA）配置。

四、研究结果

窄波束FMCW雷达配置与波束跨越限制分析。 研究人员详细描述了自研雷达平台的硬件架构与参数配置。该平台采用八芯片相参级联架构，工作频率77 GHz，完整上扫频带宽1.15 GHz，有效处理带宽约1.006 GHz，配置距离分辨率约0.149 m，最大无模糊距离305.2 m。阵列采用64单元均匀线阵，阵元间距1.95 mm（λ/2），阵列方向图半功率波束宽度（HPBW）约1.5°，波束扫描范围?35°至35°。实测车辆回波信号的局部峰值背景比（PBR）均值为38.61 dB，范围为33.71–45.51 dB，表明回波信号质量良好。研究分析指出，在1.5°的窄波束条件下，快速运动车辆在短时间内即可穿越波束覆盖范围，严重限制了可累积的相干处理间隔。

闭环波束跟踪与滑动窗口ISAR成像方法。 研究人员提出在数据采集阶段采用闭环波束跟踪机制，利用干涉测角获取目标角度信息，实时更新DBF波束转向系数，使波束持续对准运动目标。同时，针对延长后的回波序列，采用滑动窗口方式提取候选CPI，候选窗口长度包括32、64、128、256个chirp，对应持续时间3.136至25.088 ms，窗口重叠率75%。对于跨帧的256-chirp窗口，在相干处理前补偿波束权重更新引起的相位变化。随后根据图像质量准则评估各候选窗口的成像质量，选择最优成像窗口。

室外实车实验验证与图像质量对比。 研究人员开展了室外真实车辆目标的ISAR成像实验，对比了固定波束与波束跟踪两种配置下的成像性能。实验结果表明，在固定波束配置下，由于波束跨越限制，可用的相干观测时间较短，ISAR成像的跨距分辨率受限；而在波束跟踪配置下，有效相干观测时间显著延长，能够支持更长CPI的相干处理，从而获得更高的跨距分辨率。通过不同窗口尺寸的图像质量指标定量对比，验证了滑动窗口选择机制的有效性，即在时变目标运动条件下能够选取合适的成像窗口以保持图像聚焦质量。

五、讨论与结论

讨论部分。 研究人员讨论了验证范围、局限性及实时实现可行性。本研究的验证主要基于特定场景下的室外实车实验，对于更复杂的多目标场景、极端机动条件以及不同天气环境下的性能仍需进一步验证。在实时实现方面，闭环波束跟踪需要在帧间完成角度估计与波束更新，对处理平台的实时计算能力提出要求，但当前ZYNQ-7100平台已具备在线波束跟踪与数据采集能力，表明实时实现具有可行性。

结论部分。 本研究在自研低成本窄波束77 GHz FMCW雷达平台上，实现了闭环波束跟踪与滑动窗口ISAR成像的集成方案。干涉测角与DBF波束转向相结合，有效延长了窄波束条件下对运动目标的相干观测时间；滑动窗口ISAR处理结合图像质量准则，在时变运动条件下实现了高质量的跨距成像。室外实车实验验证了该方案的有效性，表明波束跟踪配置相比固定波束配置能够显著提升可用的相干观测间隔与成像质量，为低成本窄波束毫米波雷达在远距离运动目标ISAR成像中的应用提供了有效技术途径。