雷达成像技术

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SAR是一个有源系统，它以电磁波作为探测载体来观测地 表特征，具有全天候、全天时、远距离、宽幅、高分辨成 像等特点。 SAR在军用和民用领域均有重大实用价值。在 军用方面，SAR可以用于战场侦察、军事测绘及军事目标 检测等，为战略方针或战术方案的制定提供可靠情报。在 民用方面，SAR在农业、林业、地质、海洋、水文、洪水 检测、测绘、天文、减灾防灾、气象等很多方面都有广泛 的应用。
长度，如图11.1所示。例如，若天线孔径为300个波长(在X
波段约为10 m)，其波束宽度约为0.2°
30 km处的
横向分辨率约为100 m。因此，要将上述横向分辨率提高
到1 m，则天线孔径长度要加大到100倍，即约为1000 m，
这实际上是难以做到的。特别地，在飞行平台上，不可能
装配如此巨大的辐射天线。同时，如此长的天线需要的
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图11.2 SAR成像几何关系以及SAR信号的相位和多普勒图
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从图11.2(b)也可以看出，在与飞行航线平行的值线上 的点目标具有相同的冲激响应，而当该平行线与航线的垂 直距离不同时，冲激响应也不相同，主要是调频率发生了 变化。冲激响应的空变性给图像重建的计算带来一定的复 杂性。
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根据天线的基础知识，天线波束宽度等于雷达工作波长λ 与天线孔径Da的比值，因此实孔径雷达的方位分辨率(横 向分辨率)可以近似表示为
(11.1.1) 其中Rs表示目标到天线的距离。从式(11.1.1)可以看出，方 位分辨率与雷达天线的孔径长度成反比，
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图11.1实孔径天线长度与分辨率
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如果要获得较高的分辨率，天线孔径必须达到一定的
第11章雷达成像技术
11.1 11.2 11.3 合成孔径雷达成像 11.4 SAR 11.5 单脉冲雷达三维成像
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现代雷达不完全停留在发现目标并对目标进行定位的 功能，而是在一些应用场合需要区分或识别目标的类型。 1951年，美国Goodyear公司的CarlWiley第一次发现侧视雷 达通过利用回波信号中的多普勒频移可以改善雷达横向(方 位向)分辨率。这意味着通过雷达可以实现对观测对象的二 维高分辨成像，极大地提升了雷达的信息感知和获取能力。 这个里程碑式的发现标志着合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)技术的诞生。简单来说，合成孔径 雷达(SAR)是利用信号处理技术，将主动发射和接收的信 号进行处理，实现以小的真实天线长度(实孔径)对场景目 标进行高分辨成像的系统。
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利用飞行的雷达平台对地面场景实现高的方位分辨还 可用多普勒效应来解释。如图11.2(a)所示与飞机航线平行 的一条地面线上，在某一时刻O，线上各点到雷达天线相 位中心连线与运动平台速度向量的夹角是不同的，因而具 有不同的瞬时多普勒。但是，为了得到高的多普勒分辨率， 必须有长的相干积累时间，也就是说飞机要飞一段距离， 它对某一点目标的视角是不断变化的。图11.2(b)的上图用 直角坐标表示飞行过程中点目标O的雷达回波相位变化图， 当O点位于飞机的正侧方时，目标O到雷达的距离最近， 设以这时回波相位为基准(假设为0)，而在此前后的相应距 离要长一些，即回波相位要加大。
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SAR成像理论和系统经历了逾六十年的发展完善，经历了 从低分辨率成像到高分辨率成像、单一成像工作向多功能 协同工作、单部雷达成像到组网雷达协同工作的发展过程， 雷达成像处理技术也不断拓展到不同的应用领域中。
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按照工作原理和成像方式的不同，合成孔径成像雷达 可以分为合成孔径雷达(SAR)和逆合成孔径雷达 (InverseSAR，ISAR)。它们都是利用了合成孔径的原理， SAR主要是指雷达装载在运动平台上，通过主动发射电磁 波和录取回波信号，获取地物地貌信息；ISAR主要是指雷 达不动，所观测的对象是运动的，雷达通过对回波进行处 理获得目标的电磁散射分布信息。由于它们均利用了雷达 和观测目标之间的相对运动形成的虚拟孔径进行合成孔径 高分辨成像，因此SAR和ISAR的基本原理是相同的。
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不难从距离变化计算出相位变化的表示式，它近似为抛物 线。上述相位变化的时间导数即多普勒变化，如图11.2(b) 的下图所示，这时的多普勒变化近似为线性变化，图中画 出了水平线上多个点目标回波的多普勒变化图，它们均近 似为线性调频信号，只是时间上有平移。也就是说，对于 具有相同最近距离的不同方位点，由于它们相对于雷达而 言的斜距变化(相位变化)具有相同的形式，不同的只是最 近距离的时间不同，如果将信号变换到频域，它们之间只 相差一个线性变化的相位。因此从信号系统的角度看，它 们的信号具有方位时间平移不变性。这是一个非常重要的 特性，在后面成像算法中有很重要的应用。
5பைடு நூலகம்
本章前四节主要介绍SAR的基本概念、SAR两维分辨 原理、SAR成像原理和成像算法。最后一节简单介绍单脉 冲雷达三维成像技术。
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11.1合成孔径
合成孔径技术的基本原理源自于实孔径技术。实孔径 天线雷达对目标形成两维分辨的原理就是采用宽带信号分 辨空间分布的点目标，采用波束形成区分方位向(平行于孔 径方向)的点目标。
T/R组件的数量将导致雷达成本很高。
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念被引入到成像领域。从原理上讲，用小天线(称为阵元) 排成很长的线性阵列是可行的，为了避免方向模糊(即不出 现波束栅瓣)，阵元间距应不超过二分之一波长。若目标是 固定的，为了简化设备可设置一个小雷达，装载单个阵元， 将实孔径天线的所有阵元同时收发接收信号改为小雷达发 射并接收信号，并铺一条直轨，将小雷达放在轨道上的小 车上，步进式地推动小车，而将每一步得到的回波记录下 来，这些回波含有接收处回波的相位、幅度信息，将它们 按阵列回波作合成处理，
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显然能得到与实际阵列相类似的结果，即可以得到很高的 方位分辨率。这样虽然天线的实际孔径很短，但是对每个 被观测的点而言，虚拟的天线孔径却很长。由此类推，将 雷达安装在飞机或卫星上，在飞行过程中发射和接收宽频 带的信号对固定的地面场景作观测，则将接收存储的信号 作合成阵列处理，便得到径向距离分辨率和横向距离分辨 率均很高的地面场景图像，而合成孔径雷达也正是由此得 名的。