合成孔径雷达的现状与发展趋势_盖旭刚.pdf
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1、传感技术檸檸檸殠檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠檸檸檸殠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雷达的基本原理与应用情况 ,讨论了当前国内外合成孔径雷达研究的一些主要热点方向,并给出了部分具有代表性的合成孔径雷达系统主要参数,最后,对未来合成孔径雷达发展趋势进行了探讨性研究。关键词用领域合成孔径雷达发展趋势应研究现状引合成孔径雷达( SAR) 是一种高分辨率成像雷达,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 。合成孔径雷达的首次使用是在20 世47A纪 50 年代后期,装载在 RB-57D 战略侦察飞机上 。经
2、和 RB-过近 60 年的发展 ,合成孔径雷达技术已经比较成熟 ,各国都建立了自己的合成孔径雷达发展计划,各种新型体制合成孔径雷达应运而生,在民用与军用领域发挥重要作用。11 1基本原理工作原理与其它大多数雷达一样 ,合11- 26 收到,盖旭刚、本文 2010-王惠斌均系空军驻京丰地区军事代表室工程师 ,陈晋汶、韩俊分别系空军雷达学院训练部讲师、博士生82檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠摘要简要介绍了合成孔径成孔径雷达通过发射电磁脉冲和接收目标回波之间的时间差测定距离,其分辨率与脉冲宽度或脉冲持续时间有关,脉宽越窄分辨率越高。合成孔径雷达
3、通常装在飞机或卫星上,分为机载和星载两种。合成孔径雷达按平台的运动航迹来测距和二维成像 ,其两维坐标信息分别为距离信息和垂直于距离上的方位信息 。方位分辨率与波束宽度成正比 ,与天线尺寸成反比,就像光学系统需要大型透镜或反射镜来实现高精度一样,雷达在低频工作时也需要大的天线或孔径来获得清晰的图像。由于飞机航迹不规则 ,变化很大,会造成图像散焦 。必须使用惯性和导航传感器来进行天线运动的补偿,同时对成像数据反复处理以形成具有最大对比度图像的自动聚焦。因此,合成孔径雷达成像必须以侧视方式工作 ,在一个合成孔径长度内 ,发射相干信号,接收后经相干处理从而得到一幅电子镶嵌图 。雷达所成图像像素的亮度正
4、比于目标区上对应区域反射的能量 。总量就是雷达截面积 ,它以面积为单位 。后向散射的程度表示为归一化雷达截面积,以分贝( dB) 表示。地球表面典型的归一化雷达截面积为: 最亮 + 5 dB,最暗 40 dB。合成孔径雷达不能分辨人眼和相机所能分辨的细节,但其工作的波长使其能穿透云和尘埃 。1 2波段分布现今世界上已有各种频段的合成孔径雷达以满足不同用途 。有 HF、VHF、P、L、S、C、X 及毫米等波段。瑞典研制了一个超宽带合 成孔径雷达,其波段自HF ( 20MHz )延 伸 至 VHF( 90 MHz) 。机载合成孔径雷达多数用三个频段,按不同用途选定,例如 L、S、X 三频段或 P、
5、L、 C 三频段等。 国外研制成功的三频段全极化机载合成孔径雷达已经很多,林肯实验室用 Ka 波段( 33 GHz) 进行高分辨力 0 3 m0 3 m和多极化进行了目标自动识别试验。星载合成孔径雷达在 20 世纪 90 年代前期是单频段的,之后也发展成三频段的 。例合如美国在 1999 年发射的 EOS-言飞航导弹2011 年第 3 期传感技术成孔径雷达采用L、C、X 三频段。2应用情况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 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,
6、带 条 成 像 1 0 m 1 0 m, 聚束成像 0 3 m 0 3 m。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。3技术研究热点1952 年,Shervin C W 第一到更为广阔的民用领域。美国是发展合成孔径雷达的先驱,技术最成熟且装备最先进。至 20 世纪 70 年代,美国的机载合成孔径雷达就发展了四代,其分辨率从最初的10 m 提高到小于 1 m,广泛用于军用侦察/
7、监视 /目标指示及地形测绘 。美国的星载合成孔径雷达是20世纪 70 年代以后才得以发展的 ,1978 年 6 月美国宇航局成功发A ) ,射了海洋 1 号卫星(Seasat-在卫星上首次装载了合成孔径雷达。 该 雷 达 对 地 球 表 面1 108km2的面积进行了测绘,标志着合成孔径雷达已成功地进人了空间领域。此后,星载合成孔径雷达技术得到飞速发展 ,俄罗斯、日本、加拿大 、印度、欧共体等国家的一系列星载合成孔1991 年欧洲宇航局径雷达升空。1 卫星和机载多成功发射 ERS-频段偏振测定合成孔径雷达系统的成功研制可认为是合成孔径雷达技术的两大飞跃 。目前,国外合成孔径雷达研制的新技术很多
8、,并产生了许多新体制合成孔径雷达。表 1 所列为近几年国外具有代表性的合成孔径雷达卫星系统。3 1多参数合成孔径雷达系统多参数包含多极化 、多频段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。2 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
9、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 。飞航导弹2011 年第 3 期次提出了采用相位校正的全聚焦阵列概 念。1957 年 8 月 23 日,Michigan 大学与美国军方合作研究的合成孔径雷达实验系统成功地获得了第 1 幅
10、全聚焦合成孔径雷达图像,合成孔径雷达技术由理论走向实践。后来,由 Cutrona领导为美国军方开发一个高性能的战斗监视雷达,并开发了第一个实用运动补偿系统 。他们使用多普勒导航器来测量远程平均偏移,并结合陀螺仪矫正近程飞机偏航。此后许多国家都拥有了自己的机载合成孔径雷达 ,合成孔径雷达的应用也从军事领域拓展及多视角等内容。当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83传感技术表 1德国放大镜系统( 5 颗)发射时间频段分辨
11、率/m2006 2009 年X 波段0 5 1聚束 模 式、条 带 模工作模式式、扫描合成孔径雷达模式全天时、全天候侦察能力国外典型合成孔径雷达卫星系统以色列 TecSar2008 年 1 月X 波段1广域覆盖、条带模式 、点状模式 、马赛克模式、水平 /垂直多种极化组合成像模式多模式2印度 RISAT-2009 年 4 月多波段1SkyMed意大利 COSMO -星座( 4 颗)2007 2008 年X 波段1多种不同 的地面分辨率模式,分辨率在 1 m 100 m 之间农业、林业、城市 规划、军事情报搜集、敌方重点设施监视军事监视灾害管理、地质勘测、海事管理、环境保护用途表 2系统名称SI
12、R- CIMARCEMI SARRadarsat- IIALOS- PLA SAR国家美国俄罗斯丹麦加拿大日本时间1994 年国外几种多参数合成孔径雷达系统极化方式HH, HV, VH, VVHH, HV, VH, VVHH, HV, VH, VVHH, HV, VH, VV, LHC, RHCHH, HV, VH, VV频段L, CL, C, P, HFL, CCL入射角/( )15 6060 8320 8020 5018 481990 1995 年1997 年2002 年2004 年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
13、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系统相关参数如表 2 所示。3 2干涉合成孔径雷达干涉 式合成孔径雷达( In-SAR) 技术是在合成孔径雷达基础上发展起来的一种新技术 ,普通合成孔径雷达的一个很大缺点是对地球表面的三维目标只能产生二维的雷达图像。地球表面的84三维目标是按照其到合成孔径雷达的斜距和沿航迹的相对位移( 或多普勒频率 ) 被投影到二维的合成孔径雷达图像上的 ,从而1974 年丢失了目标的高度信息。Graham 首次证实采用干涉模式的合成孔径雷达系统可以实现地形(
14、 高程) 测绘。从 20 世纪 80 年代后半期开始,该项技术逐渐走向实用化。 最近10 多年来, 干涉式合成孔径雷达技术已经成为一个新的科研热点。2000 年底,美、德、意联合研制的 SRTM 卫星发射成功 。星载雷达采用双天线雷达干涉法 ,在 10 天的飞行中对地球近 80%的陆地表面进行了干涉成像 ,在30 m 的水平网络上高程测量精度可达6 m,由获取数据产生的三维综合地形信息可用于武器制导、导航等。3 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。林肯实验室研制的UHF-合成孔径雷达频带为
15、200 MHz 400 MHz,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 200 MHz,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 , 美军飞航导弹2011 年第 3 期传感技术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 。3 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图 1AN/APG-76 雷达体积、质量、功耗和成本 。小型合
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