调频连续波SAR概述及其发展趋势_郑贵文

分辨率 0.3m×0.3m
AD 采样 10MHz，12bit 惯导信息 100Hz，16bit
图 1 德国 MISAR 雷达系统
第6期
郑贵文：调频连续波 SAR 概述及其发展趋势
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LUNA 无人机机身长度 2.3m，翼展 4.4m，飞 行高度 300～2000m，飞行速度 10～40m/s，有效载 荷 4kg，内部空间 0.01m3，最大提供 100W 功率， 并能够提供模拟 FM 视频链路，链路带宽 5MHz。 MISAR 在 LUNA 无人机上的安装示意图如图 2 所 示。
Key words: FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave); SAR (Synthetic Aperture Radar); Imaging
对于 SAR 成像系统而言，基于脉冲雷达的成 像传感器，通常太重或者太昂贵，以至于难以安装 在小型航天器上，也不适合小规模的日常应用[1]。 而调频连续波（FMCW）SAR 是一种新近提出的成 像雷达体制，它结合调频连续波与合成孔径成像技 术，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、分辨 率高、截获概率低等一系列优点，无论在民用、军 用，尤其是在近距离高分辨率 SAR 处理技术上受 到越来越多的关注。
ZHENG Guiwen
Abstract: Frequency-modulated continuous-wave (FMCW) synthetic aperture radar (SAR) is a newly proposed imaging
radar system, which combines FMCW technique with synthetic aperture imaging technique. FMCW SAR has the advantages such as small cubage, light weight, cost effective, low power, high-resolution, low probability of intercept etc. In this paper, several application backgrounds of FMCW SAR and its primary parameters are concluded. Finally, the further development trend of FMCW SAR based on its development progress is discussed.
长线性阵列构成，阵列与航迹垂直。在飞行方向上， 使用传统的 SAR 技术；在垂直方向上，使用数字 波束形成和距离压缩，获取观测区域的全 3D 图像。 GPS 数据和惯导数据在整个飞行过程中进行记录， 然后经过地面后处理并组合成精确的飞行轨迹文 件。
2006 年 6 月至 10 月，ONERA 进行了 SAR 飞 行测试，使用的天线为矩形喇叭天线。通过试验验 证了整个 DRIVE 系统，证明了其处理和恢复 SAR 图像的能力。在下视模式中，样机使用圆形喇叭天 线。
文章归纳了目前 FMCW SAR 的几种应用背景及其主要参数，并根据 FMCW SAR 的发展概况，
讨论了其进一步的发展趋势。
关键词：调频连续波；合成孔径雷达；成像
中图分类号：TN958
文献标识码：A
文章编号：1674-7976-(2012)06-445-05
Summarize to FMCW-SAR and Its Development Trend
中心频率 Ka 波段（35GHz） 天线增益
24dB
扫频带宽 PRF
调制波形
500MHz 1000Hz 锯齿 FMCW
天线隔离度
波束宽度 （A×E）
平台速度
52dB 6°×28°
25m/s
发射功率
18dBm
飞行高度 ≤300m
中频带宽 Dc～2.5MHz 作用距离 400m~1000m
测绘带宽
500m
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现代导航
2012 年
离盲区，更容易实现短距离、高精度测量。
1.4 德国军用 FMCW SAR
表 1 英国伦敦大学 FMCW SAR 系统参数
中心频率
W 波段 （94GHz）
发射功率
12.5dBm
扫频带宽
3GHz
天线增益
15dBi
PRF
625Hz/2500Hz
波束宽度 （A×E）
调制波形
ຫໍສະໝຸດ Baidu
锯齿波
平台速度
60m/s
20～50m/s
天线增益
17dB
12dB
AD 采样率
2MHz
330kHz，16bit
测绘带宽
300～600m
200～300m
分辨率
1×0.2m
1.875m×0.15m
天线尺寸
10cm×30cm
图 3 μSAR 的微带天线和收发控制板
2006 年 3 月，μSAR 使用 Cessna 185 在北冰洋 上空进行首次飞行测试，图像显示了海冰的纹理和 结构。然后，利用钻石刀（Diamond Katana）进行 了一系列的飞行试验，观测了犹他湖（Utah Lake） 和犹他州普罗沃（Utah Provo）的南部农田。
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现代导航
2012 年
图 4 西班牙巴塞罗那 D3 大学的飞机和 FMCW SAR
1.7 法国 ONERA 的低成本三维成像 DRIVE
法国 ONERA 电磁与雷达部（DEMR）正在研 制的 DRIVE 雷达是一种低成本 Ka 波段三维成像 FMCW SAR[8] ， 中 心 频 率 35GHz ， 信 号 带 宽 800MHz，400us 持续时间，1250Hz PRF，采样频率 50MHz，以 STEMME S10VT 滑翔机进行了试飞。 STEMME S10VT 无人机翼展 23m，全长 8.42m，最 大飞行速度 270km/h，最大飞行高度 9145m。两个 综合翼下舱直径 35cm，各自可装载 60kg/0.08m3 的 载荷。
2012 年 12 月第 6 期
现代导航
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调频连续波 SAR 概述及其发展趋势
郑贵文
（海军装备部驻西安地区军事代表局）
摘 要：调频连续波(FMCW) SAR 是一种新近提出的成像雷达体制，它结合调频连续波与合
成孔径成像技术，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、分辨率高、截获概率低等一系列优点。
μSAR 系统对数据的处理是非实时的，即系统 一旦开始工作，就持续接收数据，并将接收到的数 据存储于磁盘上；飞行结束后，将磁盘连接到便携 式电脑上对存储数据成像处理。
图 2 MISAR 安装在 LUNA 无人机上的示意图
1.5 美国 Brigham Young 大学的海洋观测 FMCW SAR
2004 年，美国 Brigham Young 大学的微波地球 遥感实验室（BYU-MERS）研制了一种小型化、结 构简单、低功耗、低成本的 X 波段和 C 波段 FMCW SAR 系统——μSAR/MicroSAR[6]。μSAR 由自制微 带电路 板组 成，系 统尺 寸为 7.62cm×8.64cm× 10.16cm，没有外壳，因此重量大为减少。
1 FMCW SAR 应用
1.1 MORSE 计划—中尺度海洋雷达信号试验计划 1988 年，英国伦敦大学首先提出 FMCW SAR
收稿日期：2012-11-18。
的概念，并于 1997 年将 FMCW SAR 应用于海洋内 波成像的 MORSE（Mesoscale Ocean Radar Signature Experiments——中尺度海洋雷达信号试验）计划[2]。 该计划利用基于实验室的超高分辨率 FMCW SAR， 载频 94GHz，并用 FMCW 技术实现了 3GHz 带宽 的调频信号，成像区域 5×4 m2。该系统的主要参 数如表 1 所示。
首次试飞平台为 RS 实验室特别设计和开发的 无线电遥控飞机，飞机长 2m，翼展 2.5m，飞行高 度 300m，速度 15～45m/s，飞行时间 45min，载荷 5kg。GPS-INS 完成位置和高度记录，并用于运动 补偿。系统使用包含 GPS-INS 的商用模块，可通过 扩展卡尔曼滤波器融合加速度计、陀螺、磁力计、 压力计和 GPS 数据来获取高度、速度和位置信息。
整个系统包括天线和电缆的总重量小于 2kg。 系统主要参数如表 5 所示。μSAR 设计用于 MUAV， 使用两个独立的微带收发天线，尺寸均为 4×12 平 方英寸，如图 3 所示。工作时的功率消耗为 18W， 开机启动时 24W，GPS 和惯导数据由无人机提供。 试验无人机的飞行高度为 150～300m，速度 20～ 25m/s。
1.6 西班牙巴塞罗那 D3 大学单航过干涉 FMCW SAR
西班牙巴塞罗那 D3 大学的遥感实验室构建了 试验型近距至中距单航过干涉 FMCW SAR[7]，系统 使用一个发射天线和两个接收天线。系统通过固态 功放产生 2W 的发射功率，工作频率 5.3GHz。整个 SAR 电路封闭在一个 15×25×9cm 的盒子里，重量 仅 2.5kg。
表 3 荷兰 Delft 技术大学 地球观测 FMCW SAR 系统参数
德国 EADS 从 2002 年开始研制超轻重量的 FMCW SAR 系统 MISAR，并于 2003 年以 MiniUAV LUNA 为参考平台进行了飞行试验[5]。MISAR 系统 的主要参数如表 4 所示。
表 4 德国 MISAR 的系统参数
中心频率 Ka 波段(35GHz) 天线增益
29dB
扫频带宽
300MHz
天线隔离度
60dB
调制波形
AD 采样 频率
入射角
锯齿波 5MHz 60°~72°
波束宽度 A/E 5°×10°
平台速度 10～40m/s
飞行高度
≤2000m
测绘带宽 500m~1000m
作用距离
≤4000m
分辨率 0.5m×0.5m
1.2 日本积雪场掩埋物探测
1991 年，日本利用 FMCW SAR 进行了积雪场 掩埋物的探测[3]。雷达工作在 L 波段，距离分辨率 5.5cm，主要的系统参数如表 2 所示。
雪表探测最显著的特点是探测距离近，如果使 用脉冲 SAR，为了避免距离盲区，将对脉冲宽度提 出相当高的要求；而连续波雷达在频域进行测量， 距离分辨率取决于信号频谱的频域分辨率，且无距
惯导信息 100Hz，2°/h
雷达主要由机上的雷达前端和地面的数字处 理器及显示装置构成。雷达前端装置由波形产生 器、发射机、天线和接收机组成。天线系统包括两 个喇叭天线，分别完成发射和接收，使用水平极化， 副瓣小于 25dB，收发隔离度大于 60dB。天线安装 在两轴万向节系统上，实现准确的天线稳定性和运 动解耦。整个机上部分的重量不到 4kg，尺寸 30× 30×30cm。SAR 数字处理机由 A/D 转换器、SAR 处理器和可选择的图像处理机组成，使用完全基于 PC 的实时 SAR 处理显示方案。雷达使用 RD 算法 成像，并利用机载 GPS-INS 系统完成辅助运动补 偿。
2001 年 12 月，荷兰 Delft 技术大学国际无线传 输与雷达研究中心（IRCTR）立足于小平台和无人 机平台开发的用于机载地球观测的 FMCW SAR， 理论分辨率 0.3m×0.3m，具备动目标指示功能，并 以 Stemme S10 轻型电动滑翔机为平台进行了飞行 试验[4]。雷达的 35GHz FMCW 前端由 EpsilonLambda 电子公司生产，由陀螺仪、加速度计和 GPS 接收机提供位置和高度信息，由数字相机提供成像 区域的光学图像。系统主要参数如表 3 所示。
分辨率 （R×A）
32°×32°
0.05m× 0.0075m
表 2 日本积雪场掩埋物探测 FMCW SAR 系统参数
发射功率 13dBm 发射频率 1.1GHz～2.2GHz
信号持续时间 5.2ms 距离分辨率
5.5cm
天线形式 矩形喇叭 天线孔径
40×32cm
1.3 荷兰 Delft 技术大学地球观测 FMCW SAR
表 5 美国μSAR 的系统参数
μSAR
X 波段（9.8GHz） C 波段（5.56GHz）
扫频带宽
200MHz
80MHz
PRF
700～1000Hz
330～3300Hz
调制波形
锯齿波
锯齿波
发射功率
14dBm
28dBm
波束宽度 A/E
10°×45°
12°×45°
斜距范围
424～1342m
300～700m