合成孔径雷达文献综述.pdf

合成孔径雷达文献综述一、前言合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称 SAR)是一种高分辨力成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。由于其具有克服云、雾、雨、雪的限制对地面目标成像，可以全天时、全天候、高分辨力、大幅面对地观测的特点，引起了各国的高度重视。近年来，随着合成孔径雷达关键技术的不断发展，SAR 成像分辨力不断提高、信号处理能力不断增强、数据传输速率不断增加、设备体积不断减小、质量不断降低，SAR 在军事侦察，打击效果评估和国民经济等领域上尽显优势。本文主要介绍合成孔径雷达的基本原理、发展历程、技术热点和发展趋势，并对合成孔径雷达在民用及军事方面的应用进行简述。二、概述1、基本原理普通雷达的方位分辨力取决于天线的方位波束宽度，但由于方位波束宽度与天线口径成反比，与雷达工作频率成正比，而天线的尺寸和工作频按距离率均受实际工程实现的限制，因此常规雷达的方位分辨力较低，特别是远距离处的横向距离分辨力更低，远不能满足实际需要。合成孔径雷达就是为提高方位分辨力而产生的一种新的技术，即通过雷达平台的移动，把一段时间内收到的信号进行相干合成，从而获得高的方位分辨力。1）实孔径成像雷达在实孔径成像时，是利用实际天线口径产生的窄波束来直接得到方位分辨力的。假设天线长为Lx的天线，接受来自满足远场条件且偏离视轴的点源的回波信号，如图 1 所示。其中，3dB为单程半功率波束宽度，为雷达工作波长。则在距离 R 处的方位向距离（横向距离）分辨力为a R3dB 0.88R/Lx由上式可以看出此时方位向距离分辨力与实际孔径天线的长度成反比，与雷达工作波长、雷达斜距成正比，因此要获得高的分辨力，必须利用大口径天线和高的工作频率。但实际工程中，实孔径成像时的方位分辨力即横向距离分辨力是非常差的，需寻找改善方位分辨力的方法。2）非聚焦合成孔径成像利用雷达平台产生的虚拟天线则可解决实孔径天线长度有限的问题。即将一段时间内雷达接收到的信号按实孔径天线那样进行合成，产生大的合成孔径天线，以改善雷达的方位分辨力。假设雷达按直线飞行，速度为V，累计时间为 T，对应的合成孔径长度 L=VT。雷达在运动中不断发射并接收来自纵向距离为 R，横向距离维x0的点目标回波，如图 2 所示。经过数学分析可确定最大的合成孔径长度为1L VT 1.2 R得到相应的半功率点的方位分辨力为a 2 x00.5 R从屋里概念上讲，雷达工作在非聚焦合成孔径成像方式时，没有对每个回波信号进行相位补偿。因此回波信号之间存在相位差，可以合成的最大孔径必须使回波信号的最大相位差受严格控制，以确保回波信号的有效积累。雷达在非聚焦合成孔径成像时，方位分辨力不仅与实孔径天线长度无关，而且与R成正比。所以与实孔径成像相比，此时的方位分辨力得到了较大的改善。3)聚焦合成孔径成像聚焦合成孔径雷达不同于上述非聚集合成孔径雷达的地方在于，在成像要对每个回波信号的相位按参考点进行补偿，使得所有回波信号相同，获得较好的积累效果，即所有的回波聚焦在一处。雷达在聚焦合成孔径成像时，雷达与目标之间的几何关系如图1.2 所示。通过数学分析可得半功率点处的方位分辨力为a 0.44R/VT（1.1）在正侧视时，VT的最大取值是主波束在距离R 处对应的空间长度，即L VT 0.88R/Lx（1.2），得Lx为天线真实孔径长度，将式（1.2）代入式（1.1）a Lx/2（1.3）这就是雷达在聚焦合成孔径成像时，所能获得的最佳方位分辨力。由式(1.3)可看出，此时方位分辨力已于波长、距离 R 无关，从而雷达的方位分辨力得到了很大的改善，这就是合成孔径成像的基本原理。2、发展历史空间分辨力是衡量雷达性能的关键指标之一。分辨力越高，雷达所能提供的目标信息越多，从而对军用和民用的作用越大。1951 年 6 月美国古德依尔宇航公司的威利首先提出最初的频率分析的方法改善雷达的角分辨力，他将其称为多谱勒波束锐化。与此同时，伊里诺斯大学控制系统实验室的一个研究小组采用相干机载侧视面雷达数据，研究运动目标检测技术。1952 年，C.W.Shervin 第一次提出了采用相位校正的全聚焦阵列概念，另外他还提出了运动补偿概念。正是这些新思想最终导致了X波段相干雷达的研制。20 世纪 60 年代，合成孔径成像技术由于受到技术水平的限制，SAR 仍采用光学处理，但在处理方法上提出了一种新的极坐标存储格式。该方法可以有效地减缓由于回波信号在距离维的移动超过距离分辨单元造成的问题。到了 20 世纪 70 年代，合成孔径雷达的处理由光学处理转向数字处理，并使实时处理成为可能。Krik 等人为美国空军研制出了世界上第一部真正的数字SAR 处理系统，获得高质量的图像，该系统具有正侧视、斜视和聚束照射三种模式。20 世纪 80 年代后，除美国外的更多的国家拥有了合成孔径雷达。国际典型载合成孔径雷达见表 1。目前，国外机载合成孔径雷达的分辨力达到0.1m，星载合成孔径雷达分辨力达2到 0.3m。我国从 20 世纪 70 年代中期开始研究合成孔径成像技术和SAR 系统。到近年研制的机载合成孔径雷达的分辨力优于0.5m。3、应用情况由于合成孔径雷达采用了许多先进技术，因而具有许多常规雷达不具有的能力。如:远距离全天候成像能力、高分辨能力、自动目标识别能力、穿透丛林能力以及机上处理能力。正是由于合成孔径雷达具有了如此多的先进性能，使其在民用与军用领域都能发挥重要的作用。1）民用领域机载合成孔径雷达容易实现较高的分辨力。当然，对分辨力的要求要视具体的用途而定。通常民用距离和方位二维分辨力10 m 10 m 即可。二维成像合成孔径雷达民用领域有:（1）区域性(例如数十万平方公里)大面积小比例尺寸全貌图;（2）水文学应用(例如水灾区实时成像);（3）农作物监测和森林监测;（4）降雨量估计;（5）土壤含水量估计和冬季积雪面积判断;（6）大城市及其四周城镇的规划布局;（7）对地面岩石分析，可初步估计地下是否有石油或其它矿产资源;（8）能对考古作贡献，例如古城市遗迹、黄河故道等;（9）对海洋中船只监测和海难救援;（10）高纬度地区海洋中的冰层流动，并判定新生成易破冰层。为更准确满足上列某些要求，现代机载合成孔径雷达均采用多频段多极化的手段。2）军用领域合成孔径雷达在军事领域应用广泛，各类星载和机载合成孔径雷达成为监视、侦察的中坚力量。军用合成孔径雷达要求的分辨力高，带条成像1.0 m1.0 m，聚束成像 0.3 m0.3m。二维成像的主要军用领域有:(1)探测敌方纵深军情;(2)侦察敌方炮兵阵地、坦克和部队结集区;(3)侦察敌方较前沿机场和场内飞机类型;(4)侦察敌方交通枢纽，例如火车站及军港;(5)经过导弹或飞机轰炸敌方军事设施后评估敌方损失;(6)从地杂波中发现敌方运动目标。4、技术研究热点3合成孔径雷达发展的技术热点主要集中在以下几个方面。1)多参数(多极化、多频段、多视角)SAR系统合成孔径雷达系统发射不同波段、不同极化的电磁波且电磁波以不同入射角照射地物时，合成孔径雷达系统会接收到不同的地物微波散射信息。不同的极化方式能使被探测的地物具有不同的电磁响应，即具有不同的后向散射特性。地物层次变化对比亦不相同。因此，采用多极化方式可以显著改善信号和图像的详细性和可靠性再加上在不同频段和不同的视角下对地观测，就可以完整地定量分析地面目标的雷达散射特性。可见，多参数合成孔径雷达系统必将会越来越受到重视。当前，具有代表性的多参数合成孔径雷达如表2 所示。2)三维高分辨力图像矩干涉合成孔径雷达(InSAR)干涉式合成孔径雷达(InSAR)技术是在合成孔径雷达基础上发展起来的一种新技术，代表了 SAR 的又一发展方向。干涉 SAR 技术将 SAR 的测量从二维拓展到三维空间，具有测绘成果覆盖面大、精度高、有统一的基准等优点，是一种非常重要的遥感测绘技术。干涉SAR 系统通过在 SAR 飞行平台上装载两路相互独立的 SAR 通道(两通道的天线之间保持一恒定距离)，分别对地面同一区域进行测绘得到2 幅 SAR 图像进行干涉处理，得到干涉相位图，再经相位展开算法计算目标与不同天线之间的距离差。根据干涉SAR 系统的成像几何关系来计算出地面目标的高度值。3）超宽带合成孔径雷达超宽带合成孔径雷达(UWBSAR)是将超宽带技术和合成孔径技术结合起来，使其同时具有很高的距离分辨率和方向分辨率。能够对叶簇、地表等覆盖下地目标进行探测和高分辨成像识别，同时它工作在微波的低波段，能提高对隐身目标的探测能量。林肯实验室研制的UHF-合成孔径雷达频带为 200MHz400MHz，研制该雷达是为检测在掩体内或埋地不深的物体。雷达重频为200MHz，水平极化，在1995 年 10 月的试验中，该雷达能明显探测到隐蔽在掩体内的军用车辆。伊拉克战争中，美军利用FOPEN 合成孔径雷达和 GPEN 等超宽带系统对伊军地下军事设施进行探测，取得了一定的效果。当前典型的 UWB SAR 系统有关参数见表 3。4）聚束合成孔径雷达聚束式工作模式，是指在 SAR 飞行过程中，通过调整天线波束的指向，使波束始终“聚焦”照射在同一目标区域。由于实行了“聚束”手段，增加了SAR 在方位向的合成孔径时4间，等效地增加了合成孔径的长度，根据 SAR 方位向的理论极限分辨率约为天线方位向尺寸的一半，由此可以提高SAR 方位向的分辨率。显然，SAR 以聚束模式工作时不能形成连续的地面观测带。但是，它获得的高方位分辨率，在许多应用场合是非常有价值的。因此，聚束 SAR 技术应当得到重视。当前，合成孔径雷达实现聚束模式工作需要解决如下几项关键技术:天线波束控制、运动补偿和高分辨率成像处理算法等。5）小型化合成孔径雷达合成孔径雷达质量体积过大和能耗过高限制了其工作的平台，为了使合成孔径雷达卫星获得更大的发展和更广泛的应用，必须在保持和完善功能的前提下，进一步降低合成孔径雷达的体积、质量、功耗和成本。小型合成孔径雷达卫星工作在 ka、X、C 和低频等多种频段，能提供从 lm10m 或再粗糙些的空间分辨率。工作模式包括条状图、光电扫描和配合动目标指示扫描，以及特殊的海上模式。小型化合成孔径雷达可广泛用于全天候侦察、目标瞄准定位、地面移动目标跟踪显示和搜救活动。2004 年，韩国研发出一套合成孔径雷达系统，其质量只有 37kg，能在 15km 内对各种复杂地形进行探测，并提供高分辨率图像。2006 年 8月美国 ImSAR 公司和 Insitu 公司声称合作研发了世界上体积最小、质量只有 0 45kg 的最小合成孔径雷达样机NanoSAR(图 4)。6）逆合成孔径雷达逆合成孔径雷达(ISAR)与合成孔径雷达一脉相承，都是利用雷达与目标间相对运动所产生的合成孔径对目标成像。不同的是逆合成孔径雷达通常对非合作运动目标(如飞机、舰船、导弹等)进行成像。逆合成孔径雷达具有产生目标像的能力，它通过显示及存储中、高分辨率的图像来提供目标的位置、距离、方向和外观信息。在现阶段，逆合成孔径雷达成像已经应用于目标分类、辨识和战场上的敌我识别以及精确武器制导等军事领域，如美国的AN/APS21378(V)5 监视系统配备的逆合成孔径雷达可以探测地面、水面目标的二维成像，以检测、分类和跟踪目标。逆合成孔径雷达的高分辨成像将应用于武器发射系统，在发射前先利用逆合成孔径雷达产生目标像，然后根据目标属性发射导弹，以利于导弹的寻的与识别。5、未来发展趋势过去的五十多年中，合成孔径雷达技术取得了突飞猛进的发展，在成像方法上由非聚焦处理发展为聚焦处理，在处理方式上由光学处理发展到数字式实时处理，工作波段从单频单极化发展到多频多极化，雷达平台由机载发展到星载，分辨率由几十米发展到现在的1 m 以下(最高达 0.1 m)，工作模式由单一的条带模式发展为聚束模式、扫描模式、干涉合成孔径雷达等多种成像模式集成。进入21 世纪的第二个十年，上述当前各种研究热点将会得到进一步的发展，并将更大程度地从理论走向实践，与此同时，有关合成孔径雷达的新研究领域也将得到发展。1)装备综合一体化未来太空中，各种各样的平台越来越多，太空空间的争夺也越来越严重。为此，星载合成孔径雷达系统可以在其平台上加载其它装备，实现装备一体化。如:现在各国的反卫星技术越来越多，卫星平台的生存面临巨大威胁，因此应该加装自卫武器(如激光武器等)，提高合成孔径雷达的空间生存能力。另外，星载平台合成孔径雷达的侦查任务也不应该仅仅局5限在地面目标，空间中其它卫星系统也应该成为侦察目标。可以在其平台加装具有干扰、窃听甚至具有摧毁功能的武器系统，实现对他方卫星系统的侦察监视，直接截获他方卫星系统获取的情报，省时省力。2)微型化目前有关合成孔径雷达的小型化技术越来越成熟，但仅限于雷达的小型化。未来战场环境日趋复杂，机载雷达受到平台技术参数的限制，不可能深入敌后开展侦察活动。因此，合成孔径雷达与搭载平台都应该不断减小体积与质量，不断向微型化发展，就像国外“蝇眼”照相侦查机一样，将微型合成孔径雷达直接装载到微型无人机上，发挥其穿透烟雾、高分辨率等优势，实现对纵深战场的持续秘密侦查。3)抗干扰合成孔径雷达具有作用距离远、工作频带宽以及不受国界、空间以及地理位置的限制等诸多优势，因此在对其干扰方面具有一定的难度。目前，对合成孔径雷达实施的干扰大致可分为:对有效载荷的干扰、对数据传输链路的干扰和对卫星平台的干扰。因此，应该从干扰的角度出发，研究相应的合成孔径雷达抗干扰技术，确保其在电磁干扰的环境下不受影响。加紧反干扰措施研究，提高合成孔径雷达生存能力。4)多合成孔径雷达组网分辨率越高，扫描波束越窄，合成孔径雷达的成像空间就越有限。因此，在实现工作模式多变的情况下，可以按空间位置进行多星组网，采取星座或星队侦察方式，提高侦察情报的时效性，实现对特定战场的持续监控。不同体制的合成孔径雷达有不同的特点与优势。因此，可以在多种不同体制的合成孔径雷达之间进行相互组网，实现优势互补。此外，合成孔径雷达还可以与地面雷达组网，如现在飞机的隐身欺骗技术越来越高，特别是等离子隐身技术，其超强的对电磁波的散射作用使目标后向散射面积变得非常小，对地面任何体制雷达都有很强的隐身能力，因而可以利用低轨道合成孔径雷达系统接收方向改变的电磁波，实现对其的反隐身。三、结论合成孔径雷达作为一种新型工作体制的雷达，凭借自身的优势，得到了迅速发展，在未来战场上也将起到重要的作用。随着研究的深入与各项软硬件技术的提高，更多新体制的合成孔径雷达系统将会不断问世，合成孔径雷达的研究与应用也会取得重大的突破。四、参考文献【1】雷达与探测（第 2 版）王小谟张光义国防工业出版社【2】合成孔径雷达的主要发展方向和军事应用 陈艺天李斌兵科技视野 2011 年 7月第 21 期【3】合成孔径雷达运动目标检测与成像方法的研究 缪建峰合肥工业大学【4】合成孔径雷达的现状与发展趋势 盖旭刚陈晋汶韩俊王惠斌6