学科前沿讲座报告-毫米波合成多孔径雷达(SAR)的发展状况及应用前景

学科前沿讲座论文

毫米波波合成多孔径雷达（SAR）

的研究现状以及在民用领域的发展前景

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班级：07043301

时间：2010年6月7日

指导老师：***

引言：

SAR成像技术诞生于20世纪50年代，在50多年的发展过程中，从低分辨率、单波段、单极化、单模式、单基地、单平台、单视角，到高分辨率、多波段、多极化、多模式、多基地、多平台、多视角，再到干涉体制的出现以及动目标的显示，充分显示了其在对地观测中的卓越性能。[1]

SAR成像技术通过遥感平台和传感器获得地面物体的遥感图像，从遥感图像中获得所需的各种信息。由于毫米波的诸多优势，毫米波SAR技术已经逐渐成为多孔径雷达成像技术的主流。

毫米波SAR的优势[2]：1.体积小、重点轻

2.成像算法简单、分辨率高

3.目标棱角效应明显，利于目标外形特性提取

4.要求高精度平台运动补偿和天线指向稳定

5.电子对抗性能相对较强

本文将从SAR的发展现状以及毫米波SAR的优势以及其在民用方面的发展前景等方面做出简要的阐述。

毫米波SAR的发展现状：

（一）总体概况。毫米波雷达通常通过发射和接收宽带信号，经过一定的信号处理方法从目标回波信号中提取信息，并以此信息判断不同目标之间的差异性，从而识别出感兴趣的目标。在毫米波体制下最有效的目标识别方法是利用毫米波雷达的宽带高分辨特性，对目标进行成像。雷达成像有距离维(一维)成像，二维成像和三维成像三种。雷达的二维成像已经成功地应用于SAR目标识别，但由于多维成像有许多理论和技术难题需要解决，目前条件下，还难以在导引头上获得成功应用。一维高分辨成像由于不受目标到雷达到距离、目标与雷达之间的相对转角等因素的限制，且计算量小，在毫米波雷达精确制导中已经有成功的应用。一维高分辨距离成像，主要是把雷达目标上的强散射点沿视线方向投影，形成反映目标结构的时间(距离)幅度关系。实际应用中，为了提高成像的分辨特性，常采用各种超分辨谱估计方法。一维距离像作为主要的信息来源用于目标识别已经得到了成功的应用，但由于距离像敏感于目标相对雷达姿态角，为了使识别系统具备对目标进行全方位识别的能力，需要用目标的全姿态角测量数据进行建模，此时，需要很大的数据存储量，还要对所有的模板进行实时检索。因此，出现了各种改进方法。目的主要是减少匹配模板的数目和相关匹配中的运算量，以缩短模板的检索时间和提高实时性。改进的方法之一是对距离像进行各种变换提取各种变换特征，以减少存贮量和分类识别的运算量，同时最大限度地保留目标信息，由此开发了各种基于距离像的变换特征目标识别方法。

（二）SAR图像理解与解译方向的缺憾。相对于SAR成像技术而言，SAR 图像解译技术比较滞后。因为SAR回波中包含着丰富的散射信息，而且散射信息既与目标的几何参数和物理参数有关系，又与雷达的入射雷达波的参数有关，同时还与目标相对于雷达的姿态角有关，这给SAR图像的解译带来了许多困难。

[1] 当前，SAR图像的理解和解译逐渐发展成一个独立的研究方向，引起了各个领域的人员的浓厚的兴趣。然而，由于问题本身的难度，这些研究还都处于基础研究阶段，其范围也局限于一个比较狭窄的范围，而且性能不是非常理想。这表明，SAR图像自动理解和解译技术发展到实用化还有很长一段路要走。[3] （三）SAR图像处理与理解即识别系统的框架以及技术发展现状。如图

SAR影像图像目标特征目标识别

数据预处理检测提取

SAR图像的预处理。SAR图像的预处理包括相干斑的抑制、目标增强、几何纠正、图像配准等方面。[4]

SAR图像的目标检测。当前在SAR图像应用领域，针对一些特殊目标，已经开展了一些相应的自动目标检测工作。较多的有舰船（舰船尾迹）、路网和海湖岸线的检测，其他一些特殊目标如桥梁、机场、港口等也已经看到部分研究成果。

特征提取技术。图像理解和解译必须是在对图像进行自动分析、提取特征的基础上实现的，有效的特征提取是图像理解中不可缺少的一部分。现今，各国已经研究出各种目标特性提取方法，如小波低频特征提取技术等。

目标识别技术。实现SAR图像的自动目标识别（automatic target recognition,ATR）是进行图像理解和解译的最终目的。亚麻就内容包括相干斑抑制、目标检测、特征提取与选择、融合、分割等。

在光学区条件下，利用目标的一维距离像和其它特征结合起来进行目标识别，可以增加目标识别的信息量。如极化特征和距离像结合进行目标识别，具有两个优点：(1)增加了信息来源。极化信息与其它途径得到的目标信息一般是不相关的；(2)目标的极化信息具有改变极化基或目标绕雷达视线旋转不变性的特

点，因此，利用极化信息进行目标识别可以消除三维姿态变化中的一维。还有利用雷达目标的旋翼调制谱特征进行目标识别的方法，如利用飞机的JEM (Jet Engine Modulation)、直升机旋翼等表现出来的雷达目标回波特征进行目标识别，取得了一定效果。

近年来，以小波变换、分形与分维几何、模糊集理论、人工神经元网络等为代表的现代信息处理理论与方法蓬勃发展，极大地拓展了信息处理的手段，在目标识别领域也得到了一些成功应用。如利用神经网络、分形、模糊模式识别、遗传算法、双谱估计、高阶累积量、小波变换等现代信号处理方法，进行雷达目标的特征提取和分类，已经取得了较好的实验效果。但由于其计算量一般比较大，具有不同于一般平稳信号的线性处理方法的独特处理机理，实际应用时，还需要在其数值计算的高效实现以及与算法匹配的处理机结构上进行深入的研究。

为了减少目标识别过程中的信息存贮量和降低计算量，需要在存贮目标特性方面作一些工作，如存贮目标的多散射中心模型，就比直接存贮目标距离像要减少存贮量。目标的多散射中心模型是由目标的真实测量数据经过谱估计后建立起来的。一个提取目标散射中心信息的常用方法是参数化散射模型法，如AR模型法、Prony法。尽管Prony法使用简单，但计算量大，且模型参数极端敏感于随机噪声和目标回波中的散射中心数目的选择。

（四）雷达成像的热门领域。由于SAR只能对静态的目标进行精准的成像以及定位，而对于运动的对象则不能成像或者有非常可观的误差。因此利用ISAR 技术进行对动目标的成像跟踪已经成为当下研究的热点之一

毫米波SAR在民用中的发展前景

一．海洋遥感探测技术。[5 ]

海上监视对高分辨率雷达成像模式特别感兴趣。在海上监视应用中，可以使用高分辨率雷达成像模式来支持对已经用传统搜索功能和跟踪功能检测到的海面目标的分类和可能的识别。

海面SAR成像机理由于SAR成像过程是一个二维线性压缩过程。理论上要求目标静止或是做有规则的整体运动，方有可能精细成像，但海面显然既不是静止的，也并非是有规则的运动，而是一种时变的随机过程。在距离向上，由于海浪及由其他各种原因引起的波浪周期集中在10～s～10 s之间，而脉冲持续时间在微秒级。因此，在距离向上，海面运动对距离向脉冲压缩造成的影响并不大，基本可以当静止海面来处理；但在方位向上，由于SAR脉冲重复周期在10～S 一10～s之间，显然短周期的波浪运动会造成方位向成像时的散焦，因此目前的SAR海面成像理论主要是集中在对方位向上成像机理的讨论上。

风场、海浪、流场的SAR遥感研究在海洋资源开发、海洋状态预报和海洋科学研究等方面都具有独特的应用价值和潜力。近十年来，作者率领的课题组从拓展SAR对海观测的应用和海洋目标探测的角度出发，在扰动的海洋表面电磁散射特性、海面微波成像和雷达遥感体制、SAR的宽测绘带及高辐射分辨的相关技术、海面分布目标图像特性和检测方法等方面开展了系统研究，包括新体制、新工作模式和前沿技术的探索，不论理论分析、计算机仿真和实验研究都取得了重要的创新性成果。