合成孔径雷达的技术现状发展趋势研究热点及新技术论文

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雷达原理论文

题目：合成孔径雷达的技术现状，发展

趋势，研究热点及新技术

合成孔径雷达的技术现状，发展趋势，研究热点及新技术

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。本文简略地介绍了合成孔径雷达的起

源、发展、应用，并且对研究的热点于未来的发展趋势做了简单论述。关键词：合成孔径；数字成像；数字波束形成技术

1.引言

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影响和气候影响，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。

SAR技术的产生最早可追溯到20世纪50年代初，由于军事侦察雷达不断地提高对分辨率的需求，美国科学家首先提出并分析了“合成孔径”的概念。1957年8月23日，Michigan大学与美国军方合作研究的SAR 试验系统成功地获得了第一幅全聚焦的SAR图像。此后许多国家都拥有了自己的机载SAR，SAR应用也从军事领域拓展到了广阔的民用领域。1978年5月美国宇航局（NASA）发射了海洋一号卫星（Seasat-A），在卫星上，首次装载了合成孔径雷达，对地球表面1亿km2的面积进行了测绘，标志着SAR技术已成功地进入了空间领域。此后，星载SAR技术得到了迅速的发展，一系列星载SAR先后升空。

在军事方面，合成孔径雷达主要用于战略侦察、地图测绘地面军事目标，监事战场情况，发现隐蔽和伪装目标，查明地方的兵力部署情况，航空遥感、卫星海洋观测、战场监事、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、资源勘测、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.合成孔径雷达的基本原理

合成孔径雷达与普通雷达的不同点在于合成孔径雷达在距离和方位两个方向上都有较高的几何分辨率,而普通雷达只在距离上有较高的分辨率,因此合成孔径雷达对目标具有较好的成像能力。

合成孔径雷达是在随着载体的运动进行工作的。当雷达载体(飞机、卫星)的运动时,合成孔径雷达工作时按一定的重复频率发、收脉冲,真实天线依次占一虚构线阵天线单元位置。把这些单元天线接收信号的振幅与相对发射信号的相位叠加起来,便合成一个等效合成孔径天线的接收信号。

图 1

普通雷达的方位分辨率计算公式为: 其中ρ为方位分辨率, λ为雷达辐射的电磁波波长, D 为天线的方向孔径,R 为目标到天线的距离。

由此可见,在目标与雷达天线距离一定时,如果想提高方位分辨率,只有通过减小波长和增大天线孔径来实现。但这两种方法在实际运用中都有一定的局限性,波长不能无限地减小,而无限地增大天线孔径则更为不现实。合成孔径雷达突破了普通雷达的分辨极限,它是以电磁波的独立性传播原理和迭加原理为基础,应用计算机技术而发展起来的一种相干雷达。

大孔径雷达一般是有N 个天线阵元组成的天线阵列,如图1所示。它之所以能得到高的分辨率,是因为天线的孔径大,一方面各天线阵元之间相互干涉形成很窄的波束,另一方面目标回波被天线接收后再进行相干迭加的结果。根据波的独立性传播原理,如果让小天线在图1中的每一个天线阵元位置上分时发射一次电磁波,以代替大孔径天线阵列同时发射电磁波。然后把从目标返回的每一个回波信号储存起来,再根据电磁波的迭加原理把接收到的回波信号进行迭加,便能得到大天线的结果,这就是合成孔径雷达的基本原理。

合成孔径雷达在采用星载或机载的方式工作,以一定的频率不断地发射和接收电磁波脉冲。如图1所示,单元天线既发射又接收,先在1位置发射和接收,接着在2位置发射和接收……直到N 位置。1点和N 点的位置由信号处理系统控制,这样就形成一个很长的线条状收发天线阵列,得到非常尖锐的合成波束,称为合成孔径。从而得到极高的方位分辨率 。

图1合成孔径雷达的方位分辨率计算公式为:

此时,我们显然发现合成孔径雷达与普通雷达在方位分辨率上的区别,合成2

D =ρR D ⋅=λ

ρ

孔径雷达的分辨率与波长和目标与天线的距离无关,而只与雷达的孔径尺寸有关。天线尺寸越小,方位分辨率越高,这与普通雷达的方位分辨率恰恰相反。因此合成孔径雷达非常适合机载、星载使用。

3.合成孔径雷达的种类及特点

3.1多参数(多频段、多极化和多视角)合成孔径雷达系统

合成孔径雷达系统是利用电磁波作为载体对地物进行测绘的,当合成孔径雷达系统发射不同波段、不同极化的电磁波和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。在合成孔径雷达技术迅猛发展的今天,能够得到更大信息量的多参数合成孔径雷达系统越来越受到人们的重视,成为合成孔径雷达系统今后发展的方向。此外,多参数技术也为雷达的自动识别奠定了坚实的基础。

3.2聚束合成孔径雷达

普通合成孔径雷达的侦察区域会随着载体(飞机、卫星)的移动而移动,形成一个带状侦察区域。因此无法固定地侦察某一特殊目标。而采用了聚束技术以后,雷达的天线波束在合成孔径时间内始终锁定某一侦察区域,实现小区域成像,得到比带状合成孔径雷达更高的分辨率。

3.3超宽带合成孔径雷达

“超宽带合成孔径雷达(UWB－SAR)”是20世纪90年代初发展起来的一种新体制雷达,这种雷达是将超宽带技术与合成孔径技术相结合,使其同时具有很高的距离分辨率和方位分辨率。尤其是工作在UHF/VHF频段的UWB －SAR, 还具备穿透叶簇和地表对隐蔽目标探测成像的功能,可用于战场侦察。

3.4干涉合成孔径雷达

传统的合成孔径雷达技术只能获得目标的二维信息,它缺乏获取地面目标三维信息和监测目标微小形变的能力。通过将干涉测量技术与传统合成孔径雷达技术结合而形成的合成孔径雷达干涉技术(INSAR)提供了获取地面三维信息的全新方法,它通过两副天线同时观测或通过一副天线两次平行观测,获取地面同一景观的复图像对,根据地面各点在两幅复图像中的相位差,得出各点在两次成像中微波的路程差,从而获得地面目标的三维信息。

4.合成孔径雷达技术的应用