Radar Forward-Looking Imaging Based on Chirp Beam Scanning论文阅读

1. 论文研究目标与实际意义

1.1 核心问题

雷达前视成像（Radar Forward-Looking Imaging）在飞行器导航、自动驾驶等场景中至关重要，但其方位分辨率受限于物理孔径尺寸 $D$，理论极限为 $\lambda /D$。传统合成孔径雷达（SAR）无法对正前方目标生成等效大孔径，导致前视场景成像质量低下。

1.2 研究目标

提出一种基于调频波束扫描（Chirp Beam Scanning, CBS） 的新型成像方法，通过主动调制天线波束模式，在方位维度生成类调频信号的“宽频带”特性，结合脉冲压缩技术与稀疏表示（Sparse Representation, SR），突破物理孔径的方位分辨率限制。

1.3 产业意义

• 自动驾驶：提升前向障碍物分辨能力（如相邻车辆分离）
• 航空导航：增强低能见度条件下跑道异物检测精度
• 军事应用：解决导弹末端制导的高精度前视成像需求

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2. 基础模型与核心创新

2.1 传统前视成像的瓶颈

物理限制：方位分辨率理论极限为 $\lambda /D$（$D$为孔径，$\lambda$为波长），传统实波束扫描（Real Beam Imaging, RBI）无法突破此限制。
模型对比：

距离维：回波 $s(t)=\text{发射波形}\ast \text{目标分布}$ → 脉冲压缩可解耦
方位维：回波 $s(\varphi )=\text{天线方向图}\ast \text{目标角分布}$ → 方向图未调制，分辨率受限

传统方法仅在距离维通过脉冲压缩（Pulse Compression） 实现高分辨率（因发射信号已调制为宽带），而方位维被视为“窄带脉冲”，分辨率被硬件限制。

2.2 调频波束扫描（CBS）的核心框架

2.2.1 调频波束定义与物理意义

创新思想：将方位维回波重构为「脉冲压缩问题」，需主动调制波束方向图使其具备「宽频带」特性。 通过阵列激励调制，在主瓣内引入二次相位变化，定义调频波束（Chirp Beam）：
数学定义（式1）：
$$E_{\text{chirp}}(\phi ,\varphi )=\text{rect}\left(\frac{\phi -\varphi }{{\Phi }_0}\right)\exp \left(j2\pi \frac{K_a}{2}(\phi -\varphi {)}^2\right)$$

• $\phi$：目标方位角
• $\varphi$：波束指向角（扫描变量）
• ${\Phi }_0$：波束主瓣宽度
• $K_a$：方位调频率（单位 ${\text{rad}}^{-2}$），控制相位二次变化率

物理意义：在波束主瓣内引入线性调频（Chirp）相位，使方位回波具备频率啁啾特性，为脉冲压缩奠定基础。

2.2.2 调频波束的硬件实现：均匀线阵（ULA）激励设计

基于均匀线阵（Uniform Linear Array, ULA） 的MISO雷达架构（图1）：

关键方程：阵列方向图 = 期望调频波束（式3）
$$E_{\text{chirp}}(\phi ,\varphi )=\sum _{n=-N}^N{I}_n(\varphi )\cdot \exp (j2\pi f_c$$