合成孔径雷达技术分析

【摘要】合成孔径（SAR）技术作为现代雷达应用中一种较先进的技术，因其能全天候、全天时地提供高分辨率的雷达图像而广泛应用于航空、航天等军事及国民经济的许多领域。本文主要介绍了现代合成孔径雷达技术的起源、发展、应用、特点，阐述其基本工作原理，对目前常用实时数据成像处理的基本算法及处理流程进行了分析。最后就未来研究与应用方面的发展趋势及前景做了简要论述。

【关键词】合成孔径;数据成像;实时处理

1.引言

未来战场状况瞬息万变，实时掌握正确的情报信息是取得战争主动权的重要因素，对敌照相侦察是进行情报收集的有效手段。然而利用各种天然环境与人为工事、配合黑夜与恶劣气候条件、隐蔽及掩护部队（武器）行踪可使得传统光学影像无能为力，这也给雷达影像以发展契机。

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。它是二十世纪高新科技的产物，是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法，以真实的小孔径天线获得距离向和方位向高分辨率遥感成像的雷达系统。合成孔径雷达工作不受大气传播和气候影响，能进行远距离探测且具有分辨力高、穿透力强、能有效地识别伪装和穿透掩盖物，成像清晰并且覆盖面积大。

近年来由于超大规模数字集成电路的发展、高速数字芯片的出现以及先进的数字信号处理算法的发展，使SAR具备全天候、全天时工作和实时处理信号的能力，能够提供高分辨率的雷达图像而成为现代航空、航天军事情报侦察的重要工具，同时它还广泛应用于国民经济的许多领域。在军事方面，合成孔径雷达主要用于战略侦察测量、地图测绘地面军事目标，监视战场情况，发现隐蔽和伪装的目标，查明敌方的情况，航空遥感、卫星海洋观测、战场监视、图像匹配制导、动目标指示、伪装识别及检测等。在民用方面，合成孔径雷达在国土测绘，资源普查、城市规划、资源勘探、深空测绘、抢险救灾环境遥感及天文研究等领域发挥了重要作用。

2.合成孔径（SAR）技术发展概况

众所周知，雷达所能提供目标的细节程度取决于雷达在距离和方位上分辨两个紧密间隔物体的能力。雷达的距离分辨力主要受雷达发射的脉冲宽度的限制，而方位分辨力又受雷达天线波束宽度制约。虽然可以通过减小脉冲宽度来提高距离分辨率，通过提高雷达的工作频率和增大天线的尺寸改善方位分辨率，但是在实际应用中这些参数的选择又受雷达的功能、硬件的物理尺寸、大气衰减、环境噪声等因素的影响，使得分辨率在一定程度上难以提高。并且雷达波束产生的原始图像限制了它进行地面测绘的有效性，使得成像质量不高。随着航空航天技术的飞速发展和实际需求，为了解决这些实际问题并提高性能，合成孔径雷达技术便应运而生，它在地面测绘时尤其显示出其优越的性能。

合成孔径的概念始于上世纪50年代初期。当时，美国有些科学家想突破经典分辨力的限制，提出了一些新的设想：利用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高分辨力;用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得高分辨力。

50年代末，美国研制成第一批可供军事侦察用的机载高分辨力合成孔径雷达。60年代中期，随着遥感技术的发展，军用合成孔径雷达技术推广到民用方面，成为环境遥感的有力工具。70年代后期，卫星载合成孔径雷达和数字成像技术取得进展。1978年，美国宇航局成功发射全球第一颗载有合成孔径雷达的人造卫星。80年代，星载合成孔径雷达和数字图像实时处理技术投入实际应用。美国于80年代研制的航天飞机上的合成孔径雷达，证明了其雷达图像的优越性。90年代，能够提供三维信息的干涉式SAR的研究成为发展的新热点。美国率先研制出适用于无人机的合成孔径雷达。至今，合成孔径雷达已经历了四代。进入21世纪，合成孔径雷达将进一步提高雷达的分辨率和数字处理成像的速度;扩展工作频段，实现同时多频段和多极化工作方式，提高对目标识别的可靠度;发展对运动目标成像的逆合成孔径雷达技术;进一步开展合成孔径雷达图像的应用研究。

3.合成孔径原理

3.1 基本概念

合成孔径雷达（SAR-Synthetic Aperture Radar）是一种利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一个较大的等效天线孔径的雷达。是用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理的侧视雷达。

从载体分，SAR雷达可分为机载SAR和天基SAR（包含星载SAR和航天飞机载SAR）。从工作模式分有四种，分别为：条带式SAR（可采用正侧视方式或斜视方式）、聚束式SAR（Spotlight SAR）、扫描式SAR和逆SAR（ISAR，也叫干涉SAR）模式。

3.2 工作原理

合成孔径是利用雷达向前运动来产生等效的长天线。雷达每发射一个脉冲，便占据飞行路线上稍远的一个位置。如果把一副较小的天线指向一侧，并将连续脉冲的回波相加，从而合成出一个很长等效线性阵列。在飞机向前飞行时，波束扫过与飞行路线平行的一个宽的地面区域。

工作时，合成孔径雷达按一定的重复频率发、收脉冲。发射各相继脉冲的那些点可以看成是阵列的单元，回波在通过阵列的时间内由各个单元依次接收。接收的回波被距离波门周期性的采样，进行模数转换，数据存储到存储器中。给出一组距离门，其宽度是测绘带宽度的距离区间，每次发射后，来自该区间内距离增量的回波加到对应的距离门中。雷达对接收回波进行积累相加，当积累脉冲的数量满足要求后，每个距离门中的和值就代表了来自单个距离/方位分辨单元的总回波。所以，一组距离门中的和值就代表了来自测绘区宽度的一行分辨单元的回波。

3.3 数据处理成像

早期合成孔径雷达的数据处理成像采用光学方法，可以产生高质量的地图。但是其输入和输出必须用照相来记录，使得处理时间滞后且其设备笨重庞大，加上光学设备对振动敏感，要求精确调整，大多都把数据送回地面处理。

随着科技发展，CPU计算能力和并行处理技术的大幅度提高，可将雷达合成孔径数据进行实时成像处理。目前SAR雷达高分辨率实时成像的最经典、最基本的算法是距离―多普勒算法（RD算法）、Chirp-Scaling（CS）算法。

RD算法把SAR成像等效为两次脉冲压缩，先进行距离向脉冲压缩，将一个合成孔径内的每个脉冲回波进行压缩，获得距离向高分辨率;然后进行距离徙动校正，把属于同一个点目标的脉冲校正到等距离线上;再进行方位向脉冲压缩，获得方位向高分辨率。该方法的优点是算法简单，计算量较小，易于机上实时处理，可得到较精确的成像结果。但该算法的最大缺点是在大的距离弯曲情况下，需要通过插值去除方位向和距离向的耦合，由此带来成像分辨率降低、运算量增加，且可能造成相位失真，但在毫米波成像系统中，由于距离弯曲程度低，RD算法具有一定优势。

CS算法是将二维处理分解成一维处理，它并不采用插值方法实现距离徙动校正，而用Chirp-Scaling相位因子是所有信号距离徙动曲线的轨迹一致，避免了相位失真并减小了运算量，不需内插值，具有很好的成像效果，但信号处理过程复杂。

4.发展趋势

合成孔径雷达虽然具有诸多优点，但也存在其局限性，例如，因所需处理的数据量巨大而导致的反应速度的问题，以及经数据处理后的雷达成像不直观、难解释、费用高等难题。

未来的合成孔径雷达无论是机载还是星载，将是多波段、多极化、多视角、多工作模式的系统。将向着作用距离更远、抗干扰性能更强、提供信息更快、绘图精度更高、有自我保护功能、造价便宜、多种平台和小型化的方向发展，成为空地一体化全天候立体侦察监视系统的主力军。

参考文献

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