斜视模式机载合成孔径雷达处理原理以及应用

孙波 文刘强

摘 要：合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）基本原理是很简单的，就是合成孔径雷达和需要观察的目标物体之间有一定的相对运动关系，然后将这种相对运动关系合成一个范围比较大的雷达孔径来实现成像的目的，当然，这也是有要求的，成像必须在方位向有较高的分辨率，目前的研究方向也是如何在方位向上获得更高的分辨率。

关键词：合成孔径雷达；分辨率；系统

1 斜视机载雷达成象原理以及相关计算

雷达的历史，特别是早期历史富有传奇色彩。当Budrieri、Burns、Swords等人写好一批优秀的论文之后，雷达的历史就随之开始了。在1886年Heinrich Hertz证实了无线电波的传播。1904年德国的杜塞尔布市的Huelsmeyer获得了第一个雷达的专利。Huelsmeyer称他的发明为“发射、接收赫兹波的装置，如在波的投射方向上存在金属物体如舰船、火车等，该装置可以示警”。1922年Tayler和Young在华盛顿的海军实验室完成了第一部舰船探测雷达。1922年Hyland制作了第一部飞机探测器。在1941年美国陆军的雷达发现了接近珍珠港的日军机群，但当值的军官认为那是假目标。二战期间，英国的Chain Home雷达系统的快速发展，对于英国成功的防御德军的空袭起了很重要的作用。战后，雷达更是飞速发展，人们制造出了各种类型的雷达一直延用至今[1]。

合成孔径可以比喻成蜻蜓的复眼，是同时多通道感知不同方位的信息，再经过算法算出高分辨率图像的。而相控雷达实际任意时刻一般只有多点或一点被扫描，相对合成孔径雷达速度上会有差异，如果是在移动中去扫描别的大量的目标就会出现距离方位的误差增大或丢失目标的问题。所以飞机遥感测地雷达一般用合成孔径。

1.1 斜视机载雷达成象原理

图1 合成孔径雷达运动的几何示意图

如图1所示，设X轴为现场的中心线，Q为线上的某一点目标，载机以高度H平行于中心线飞行，离中心线的最近距离RB为

当载机位于A点时，它与Q点的斜距为

式中Xt为点目标Q的横坐标

1.2 距离-速度压缩

我们考虑一个固定雷达方向不变的波束观测某一区域。我们意图获得回波信号，此信号是距离、速度对时间的函数。举个例子来说，有一个位于陆地朝向海面的雷达。我们可以设定该机载合成孔径雷达拥有一个不变的PRF（fR），并且发射的波形是步频波，也就是说该机载合成孔径雷达发射的是多个脉冲群，这些多个脉冲群是N（N？叟1）个单频率脉冲组成的，在所有的脉冲群中，脉冲的频率都是依次递增的，递增的值是？驻f，机载合成孔径雷达每秒发射脉冲群的数量是fR/N个。每个脉冲群的带宽为B，每个脉宽为τ[2]。在一个脉冲群中，第n个独立脉冲的频率由下式给出

作为一种选择，我们考虑一个PRF=fR/N的长度为M的线形调频（LFM）脉冲序列。每一个脉冲组带宽为B，每一个脉冲宽度为？子，每一个脉冲采样N次。

1.3 SAR模型

图2 三种SAR模型示意图

如图2所示，有三种不同的SAR模式。图2（b）中带状SAR又称搜索SAR，因在相对粗略的情况下对成像范围有用。图2（b）中的条形SAR中，我们可以看到机载合成孔径雷达一直保持着波束与飞行路径一定的角度，然后一直来看这个平面的条形区域。波束经常（？兹sq=0）；？兹sq≠0，则称为斜SAR。

对于带状SAR，孔径角本质等于收发两用，实孔径，3dB波束宽度？兹3dB：

（4）

（5）

对于侧面波束，如果？茁～1，则？啄cr？艿D/2。如果D>>？姿，SNR>>1，那么物理天线越小，横向分辨率越好。

图2（a）展示聚光SAR用于获取已知地点或目标的相对清晰分辨率图象。当平台经过目标，波束方向移动以维持指向目标。那样，？驻？兹>>？兹B，？啄cr（spot）<？啄cr（strip）。如果机载合成孔径雷达沿着圆弧来运动，而且对象物体在圆心的的正下方，聚光SAR数学上等同于逆合成孔径雷达ISAR。通常聚光SAR站沿直线经过目标。从本质上与ISAR相同。我们也想当目标范围在合成孔径上方轻微变化时对方差纠错[3]。

孔径时间（带状或聚光SAR成像需要的数据）可如下推出：

（6）

其中V是站速。

另一模式是跟踪（扫描）SAR。所观察地形不平行于飞行路径。当然，条纹带不能是无限长的了，必须在一定的范围这内，否则导致SNR太小没有办法成像。原理上SAR波束可描述地面复杂形式；然而进程快速难度超出其优点。

2 斜视机载雷达成象的应用与发展方向

应用情况：一切的科技成果最后一定要能够应用到实际生活当中，合成孔径雷达成象技术也是这样的，因为合成孔径雷比起早期的普通雷达，有许多他们不具备的功能和优势，所以也就有更多更广的用途，这些用途都是基于合成孔径雷自身的优点和功能的基础上，如合成孔径雷达非常强大的穿透力和较高分辨率成像能力，我们就合成孔径雷主要的应用领域，即民用领域和军用领域来进行介绍与分析[4]。

（1）民用领域。机载合成孔径雷达容易实现较高的分辨力。当然，通常对于民用领域的合成孔径雷达的分辨率不是太高，一般的就在10mX10m，就是方位和距离的乘积在这个范围就可以了[5]。

二维成像合成孔径雷达民用领域有：a.水文学应用（例如水灾区实时成像）；b.农作物监测和森林监测；c.降雨量估计；d.土壤含水量估计和冬季积雪面积判断；e.大城市及其四周城镇的规划布局；f.对海洋中船只监测和海难救援。

（2） 军用领域。军用合成孔径雷达要求的分辨力高，带条成像1.0m×1.0m，聚束成像0.3m×0.3m。就因为要求这么高的分辨率，所以一般是用于战争时的一些侦查，有利于军队对于未知战场的全面了解，减少人为探测的这种不必要的风险。

二维成像的主要军用领域有[6]：a.探测敌方纵深军情；b.侦察敌方炮兵阵地、坦克和部队结集区；c.侦察敌方较前沿机场和场内飞机类型；d.从地杂波中发现敌方运动目标。

3 结束语

在这段时间的研究学习中，从早期的雷达到现在各种各样的雷达，发展是迅速的，从单一的作用到多重的作用，从简单粗糙到复杂精确，是前辈们挥洒着智慧的汗水，高举创新的旗帜的结果，作为继承上一辈成果的我们，有义务将这些成果继续发展下去，合成孔径雷达也会近几年发展的热点，值得我们继续发展和研究，对合成孔径雷达的了解虽然已经不是一知半解，但是就目前的水平，是远远不够的，未来合成孔径雷达的发展会是怎么样的，取决于我们研究和努力的方向。

参考文献

[1]王敬，季新源.合成孔径雷达（SAR）的独特功能及发展概况[J].桂林空军学院学报，2000，17（3）：35-38.

[2]孙佳.国外合成孔径雷达卫星发展趋势分析[J].装备指挥技术学院学报，2007，18（1）：67-70.

[3]张直中.合成孔径雷达遥感技术及其应用[J].电子工程师，1997，23（4）：2-11.

[4]谭显裕.合成孔径雷达的特点及其军用探测[J].航天电子对抗，2002（1）：31-35.

[5]全寿文.合成孔径雷达的应用与发展[J].外军电子战，1999（3）：34-40.

[6]王穎，曲长文，周强.合成孔径雷达发展研究[J].舰船电子对抗，2008，31（6）：59-61.