无人机载微小型SAR发展概述

李秋菊

摘要：无人机载微小型SAR因其全天候全天时、零伤亡、机动灵活和低成本的特点，受到广泛关注。本文在概述无人机载微小型SAR技术的基础上，介绍了无人机载微小型SAR技术发展概况，阐述了国内外微小型SAR的典型型号、主要性能指标、应用及装备情况。并根据国内外发展概况，对无人机载微小型SAR技术发展趋势进行了展望。

关键词：合成孔径雷达;微小型SAR;无人机载SAR;无人机

中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0197-03

0 引言

伴随着航空、电子、信息及材料等技术的发展，无人机技术得到长足进度，无人机作为载机平台，因其“零伤亡”和机动灵活的特性，在军事、民用方面均发挥着重要的作用。无人机载 SAR 整合了无人飞行平台和合成孔径成像设备的优势，使无人机系统具备了全天候全天时主动探测的能力;同时SAR的高分辨率、大测绘带宽的优点，使无人机系统具有更更好的工作效率，便于应用，降低了成本;SAR的远探测距离、侧向观测等特点，进一步增强了无人机远离目标进行探测、生存能力。因此，对于无人机载SAR的研究受到了越来越多的关注。

同时随着无人机载SAR应用需求的增加，SAR技术也得到了迅猛发展。新体制、新器件、新方法和新型复合材料等先进技术的采用，使得无人机载SAR越来越小型化，有的重量更是不足1kg;模式和功能越来越多样化，从条带/聚束成像扩展至GMTI、广域搜索和目标跟踪、ISAR成像、干涉SAR成像和多极化成像等;分辨率越来越低，甚至达到厘米级，可以位战场决策提供更多准确可到的情报信息，也为后期的目标识别、自动目标检测提供更多的目标特性。

本文对国内外无人机载微小型SAR技术的现状及相关应用进行概述，给出主要的性能指标，并对无人机载微小型SAR的发展趋势进行了探讨。

1 无人机载微小型SAR技术现状

1.1 国外无人机载微小型SAR

进入21世纪以来，世界上许多国家投入力量研制无人机载SAR，体积小、重量轻、功耗低的微小型SAR系统更是研究的热点。

1.1.1 TUAVR

1998年，由诺格公司研制的TUAVR SAR系统，是TESAR的升级型。相比于TESAR而言，同样工作在Ku波段， 重量不到30kg。在条带式成像模式下作用距离4～14km，可获取幅宽800～2400m、分辨率1m的侦察图像;在聚束式模式下可在不同的入射角形成多个聚束点的图像;在动目标显示模式下工作时，作用距离为15km，分辨率0.3～0.9m，覆盖360°，目标检测概率75%，虚警概率2%。TUAVR系统，2001年3月在无人机上试飞成功，同年装备部队。

1.1.2 MiniSAR

2005年，美国Sandia实验室成功研制了可搭载小型战术型无人机平台的MiniSAR系统，是对LynxSAR系统的升级，如图1所示。主要由2个子系统组成：天线万向节组件（AGA）和雷达电子组件（REA）， 其中AGA包括天线、万向节和发射机，负责发送和接收电波;REA包括信号产生器、接收机和处理器，负责生成雷达信号、控制系统、处理数据并将其转换成图像。MiniSAR工作在Ku波段，具有条带或聚束成像模式，最高分辨率为0.1m、作用距离10～23km、总重量低于12.2kg。2006年10月份，MiniSAR系统搭载在洛·马公司的小型“天空幽灵”（SkySpirit）战术无人机系统上成功进行了演示。

1.1.3 BYU μSAR和Micro SAR

美国BYU的学生于2004年成功地研制了一种工作在X波段和C波段的双频、调频连续波SAR-μSAR，天线采用收发分置，发射功率为28dBm。

BYU μSAR一个大小为3cm×3.4cm×4cm的微波传输电路板组成，没有外壳，包括天线和电缆在内整个系统重不到2kg，如图2所示。由发射子系统、接收子系统、供能子系统、数字显示子系统和A/D 转换子系统组成。子系统之间通过金属线或同轴电缆连接，大量采用市面上通用的模块降低系统成本。

1.1.4 MISAR

2006年，德國的EADS成功研制了第二代MISAR系统，工作在Ka波段，作用距离2～4km，分辨率为0.5m×0.5m，最大功耗小于40W。系统重量小于4kg，由雷达前端装置、数字处理器和显示装置构成。雷达前端装置由波形产生器、发射机、天线和接收机组成，见图3左图;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，安置在地面上，见图3右图。系统采用小型惯导对运动平台进行补偿，保证成像效果。

1.2 国内无人机载微小型SAR

而针对于微小型无人机载SAR系统的研制，国内起步则较晚些，于2010年左右才开始进行，但继承以往丰富经验的基础上发展迅速。中科院电子所、中国电科38所、理工雷科、中航雷达与电子设备研究所等单位，陆续完成了系统研制，进行了大量的机载SAR实验，同时获得大量的实际测量数据。在无人机载 SAR高分辨率成像算法和运动补偿方面成果显著，精确度为分米级。

中科院电子所研制的MFUSAR系统是一种采用连续脉冲新体制的微小型SAR系统，可工作在X或Ku频段，具有高分辨率、干涉成像、全极化成像3种功能。在高分辨率模式下，MFUSAR系统可获取分辨率优于0.3m的图像;在干涉模式下，MFUSAR系统可获取精度为2m的3维高程信息;在全极化模式下，MFUSAR系统可获取4个极化的数据。该系统于2013年完成了研制，并加装在三角翼、无人机等飞行器上进行试验和测试。图4和图5系统获取的干涉图像和全极化图像。

以北京大学为依托的理工雷科研制的LKR-02-KU系列微小型无人机载SAR系统，可搭载于各种小型无人机平台，如图6左图所示。系统重量约1kg，工作在Ku频段，功耗为38W，条带成像模式下，作用距离为0.5～2km，分辨率达到0.2m，成像结果见图6右图。

西安电子科技大学与某单位合作研制了Mini-SAR实验系统，2010年进行了多次无人机挂飞实验，通过自聚焦方法获得了的高质量成像如图7所示，分辨率为0.15米。

2 无人机载微小型SAR发展趋势

由国内外发展现状分析可知，多功能多模式、高分辨率和多极化等是开展无人机载微小型SAR研究的热点方向和未来发展的趋势。

随着无人机载SAR应用领域的拓展，单一的SAR功能和模式已无法满足不断深化的应用需求。多功能SAR系统可利用两副SAR天线接收到同一地面回波信号，通过解算之间的相位差提取地物的三维高分辨率信息;可以通过全极化功能获取目标不同极化状态信号的幅度和彼此间的相对相位，提高对目标各种信息的获取能力;通过高分辨率功能提高对目标区域的细节获取能力。多模式是指SAR系统可以获取不同类型目标的位置（运动）参数和雷达散射特征，从对以往固定目标的两维成像，向着对运动、弱散射特征目标探测成像和三维立体成像扩展。功能和模式的扩展也不断促进了SAR图像信息的精确提取和深度应用。

高的分辨率意味着无人机载SAR系统能够获取更丰富的目标信息，当分辨率达到0.3 m或以下时，SAR系统可以获得接近光学的图像效果，目标的形状和精细结构可更加清晰，从而大大提高目标识别能力，更有利于无人机载SAR系统的实际应用。

为更好地获取地物信息要求，通过增加SAR的极化方式实现，因SAR成像反映的是目标的电磁反射特性，其目标反射回波的幅度及相位与发射信号的中心频率、极化方向都有关。

3 结语

无人机载微小型SAR因其全天候全天时、零伤亡、机动灵活和低成本的特点，能够广泛应用在军事与民用领域。美国与欧洲国家大力发展无人机载SAR技术，取得了显著的成果，搭载有微小型SAR系统的无人机，成功应用于战场侦察、对抗、攻击等军事领域。我国在无人机载微小型SAR领域也紧跟国际发展趋势，研制了应用于不同领域的无人机载SAR系统。随着相关技术的发展及应用领域的增加，微小型SAR系统在无人机遥感领域将发挥重要的作用。

参考文献

[1] 王岩飞，刘畅，詹学丽，韩松.无人机载合成孔径雷达系统技术与应用[J].雷达学报，2016，5（4）：333-349.

[2] 曲长文，何友，龚沈光.机载SAR发展概况[J].现代雷达，2002，24（1）：1-10.

[3] 张玉玲，王鹏，曲长文.微型SAR发展状况[J].舰船电子对抗，2008，31（5）：51-55.

[4] 蔡永俊.调频连续波合成孔径雷达成像研究与系统实现[D].中国科学院国家空间科学中心，2016.

[5] M.Edwards， D.Madsen， C.Stringham， A.Margulis， and B.Wicks. MicroASAR： A Small， Robust LFMCW SAR for Operation on UAVs andSmall Aircraft[C].in Proc.Int.Geosci.Rem.Sen.Symp.Boston， Mass，July，2008.

[6] E.C. Zaugg， D.L. Hudson， and D.G. Long， The BYU μSAR： A Small，Student-Built SAR for UAV Operation， in Proc. Int. Geosci. Rem. Sen.Symp.， Denver Colorado， pp.411-414， Aug. 2006.

[7] M. Edrich， Design Overview and Flight Test Results of the Miniaturised SARSensor MISAR[J]， in Proc. EuRAD'04， Amsterdam， The Netherlands， Oct.2004：205-208.

[8] De Wit，Meta A，Hoogeboom P.First Airborne FM-CW SAR，Campaign-Preliminary Results[C].Warszawa，Poland，2004.

[9] Meta， A.，de Wit， J.J.M. and Hoogeboom， P.， Development of a HighResolution Airborne Millimeter Wave FM-CW SAR， European RadarConference， Amsterdam （The Netherlands）， 14-15 October 2004.

[10] 王巖飞，刘畅，詹学丽，李和平.一个高精度无人机载多功能SAR系统[J].电子与信息学报，2013，35（7）：1569-1574.

[11] 高许岗，雍延梅.无人机载微型SAR系统设计与实现[J].雷达科学与技术，2014，12（1）：35-38.