合成孔径雷达的现状与未来

合成孔径雷达的现状与未来

1.合成孔径雷达的有关简介

合成孔径雷达就是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较大的等效天线孔径的雷达，也称综合孔径雷达。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。所得到的高方位分辨力相当于一个大孔径天线所能提供的方位分辨力。

合成孔径的概念始于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。美国于1978年发射的“海洋卫星”A号和 80年代初发射的航天飞机都试验了合成孔径

雷达的效果，证明了雷达图像的优越性。

SAR侦察卫星具有全天时、全天候、不受大气传播和气候影响、穿透力强等优点，并对某些地物具有一定的穿透能力。这些特点使它在军事应用中具有独特的优势，必将成为未来战场上的杀手锏。因此，各航天国家纷纷计划或正在发展自己的SAR侦察卫星。我们完全有理由相信，21世纪是SAR卫星飞速发展的新世纪。

2.合成孔径雷达的发展现状

星载SAR 可能是目前应用最为成功的空间微波遥感设备。1978 年6 月美国成功发射Seasat 卫星,开创了星载SAR 空间微波遥感的先河。其后,以航天飞机为平台的SIR2A、SIR2B 和SIR2C/ X2SAR(其中X2SAR 由德国和意大利联合研制) 等空间SAR 设备也相继研制成功。多频段、多极化、多模式工作的SAR 逐步成为现实[7 ] 。1988 年12 月美国用“阿特兰蒂斯”号航天飞机投放的“长曲棍球”(LACROSSE) SAR 卫星,其空间分辨率已达1 m ,在海湾战争中发挥了重要作用。目前,美国正在发展小型多功能的SAR 卫星技术(Light SAR) ,它将使L (C 或X) 频段SAR 的空间分辨率达到(1～3) m ,设计寿命5 a 。

前苏联/ 俄罗斯于1991 年3 月发射成功载有S频段SAR 的Almaz

卫星,目前正致力于研制空间分辨率5 m 的多频段、多极化、多模式工作的Almaz 改进型SAR 卫星。

欧空局于1991 年7 月和1995 年4 月分别发射成功ERS21 和ERS22 卫星,其SAR 工作于C 频段,使用固定视角(23°) 和VV 极化,主要用于海洋、陆地及气象的长期观测[8 ] 。

法国自1992 年就开展了X 频段星载SpotSAR的研制工作。日本于1992 年2 月发射成功JERS21卫星,其SAR 工作于L 频段,主要用于资源勘探。日本还打算于2003 年发射ALOS 卫星,其SAR 仍工作于L 频段,能够以多极化、多视角、多模式工作,空间分辨率有了明显改进(可达10 m 以下) 。加拿大于1995 年11 月成功发射的RadarSAT 卫星,工作于C 频段并采用HH 极化方式,由于其天线具有一维(距离向) 电扫描、波束成形和波束快速转换(开关) 能力,使得该卫星的工作模式达7 类共25 种之多,是目前应用工作模式最多的SAR 卫星。加拿大还计划于2002 年发射RadarSAR22 卫星,工作频率仍为5. 3 GHz ,但是采用了微带固态有源

相控阵天线方案,能够以全极化(HH、VV、HV、VH、LHC、RHC) 方式工作,视角在20°～50°范围内可变,最高空间分辨率可达3 m 以内[9 ,10 ] 。

3.合成孔径雷达未来发展趋势

SAR技术的空间应用，使其成为20世纪末最受欢迎的侦察仪器之一，对它的应用和发展还刚刚开始。SAR卫星在未来将有更加广阔的发展和应用前景。

（1）多参数(多频段、多极化和多视角)

SAR技术发展的一个最重要的趋势就是充分利用地物电磁特性，地物电磁特性与电磁波的频率、极化和入射角有着密切的关系，因此利用不同频率、不同极化以及不同入射角的电磁波对地物进行观测，能够得到更加丰富的地物信息。

(2) 干涉SAR

SAR干涉技术已经成为SAR技术发展的重要领域。它解决了SAR对地物第三维信息(高程信息或速度信息)的提取。目前干涉SAR有以下3种形式：①单道干涉，将双天线刚性安装在一个飞行平台上，在一次飞行中完成干涉测量，又称为空间基线方式；②双道干涉，属于单天线结构，分时进行二次测量，要求二次飞行轨道相互平行，又称为时间基线方式；

③差分干涉，在航迹正交向安装双天线的单道干涉与第3个测量相结合，测量微小起伏和移位的干涉。

(3) 聚束SAR

SAR有多种成像体制，主要是带状成像(Strip map)和聚束成像

(Spotlight)两种。带状SAR的天线波束与飞行航迹成固定交角，随着载体的移动，在地面形成条状的连续观测带，适于大面积观测。聚束SAR 则不同，它的天线波束在合成孔径时间内始终凝视着照射区域，实现小区域成像。聚束SAR比带状SAR具有较高的分辨能力。此外，大多数目标的散射特性随观测角剧烈地改变，由于聚束SAR在宽观测角范围内成像，因而获得的图像信息比带状SAR更加丰富。聚束SAR与带状SAR是两种优势互补的体制。

(4) SAR卫星星座

目前许多应用部门希望卫星能缩短对某一特定地区的重复观测周期，获得高时间分辨率的动态信息。解决这个问题，除了采用较小的轨道倾角增加中、低纬度地区的覆盖密度以缩短重复周期外，还可以组织卫星观测的国际合作，例如SIR-C与X-SAR的联合飞行，今后还将组织SIR-C/X-SAR与ERS/Envisat或Radarsat的SAR编队飞行。然而只有积极研制对地观测小型卫星星座，才是解决动态侦察的最有效办要技术困难是：既要保证侦察技术性能，又要降低其重量和功耗，还要有足够的测轨与姿态控制精度，以保证侦察数据的质量。

(5)小卫星编队组网

由若干颗微小卫星组成一定形状的飞行轨迹，以分布方式构成一颗“虚拟卫星”。这是小卫星向更快、更省、更好的方向发展，也是当前正在为小卫星开拓的另一个崭新的应用领域。编队飞行的军事应用是最早受到关注的领域之一。一方面，组成编队飞行的卫星可以实现对地观测，获取地面目标信息；另一方面，多颗卫星的协同工作，可以实现更