機載合成孔徑雷達原理及應用

姬憲法，陳長春

（1.空軍第一航空學院，河南 信陽 464000；2.空軍裝備研究院 雷達所，北京 100096）

0 引言

合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）是一種高分辨力相干成像雷達，機載雷達的合成孔徑功能具有獲得地面高清晰度地圖的能力。機載雷達的空間分辨力有距離向和方位向兩個方向，平行于雷達平臺飛行方向的分辨力稱為方位向分辨力，垂直于雷達平臺飛行方向的分辨力稱為距離向分辨力；合成孔徑雷達（SAR）的高分辨力實際包含了兩個方面的含義，即高的方位向分辨力和高的距離向分辨力。合成孔徑雷達（SAR）是利用孔徑合成原理和脈沖壓縮技術，提高雷達的距離分辨力和方位分辨力，獲得距離向和方位向的高分辨圖像。由于SAR 成像不依賴光照，而是靠雷達自身發射的微波，能穿透云、雨、雪和煙霧，具有全天時、全天候成像能力，彌補了光學成像的不足。因此，機載合成孔徑雷達（SAR）目前在民用領域和軍用領域都獲得了廣泛的應用。

1 合成孔徑雷達（SAR）基本原理

合成孔徑雷達（SAR）是與實孔徑雷達（RAR）相對而言的，實孔徑雷達的天線孔徑是一先發射后接收的物理單元，而合成孔徑雷達 （SAR） 是把天線的運動考慮進去，雷達所收到不同位置的回波不是同時的，而是依靠雷達天線的運動，分時順序獲得的，通過一定的信號處理算法使之合成一個相對較大的天線即合成孔徑，具體來講就是，機載雷達進行真實天線波束地形測繪時，方位分辨力是依靠天線產生窄的波束達到的，長的線陣天線可以產生窄波束，采用一個小的天線沿著長線陣的軌跡等速移動并輻射相參信號，記錄下接收信號并進行適當處理，就能獲得一個相當于很長線陣的方位向分辨力，這種概念的天線稱為合成孔徑天線，采用這種合成孔徑雷達技術的機載雷達稱為合成孔徑雷達（SAR）。

合成孔徑雷達（SAR）和真實孔徑雷達（RAR）的不同之處主要在于信號處理部分。真實孔徑雷達的距離向分辨力受到發射脈沖寬度的限制，當要求非常高的距離向分辨力時，必須發射非常窄的脈沖，同時距離的增大發射信號的能量也必須增大；方位向分辨力取決于天線的孔徑，作用距離及工作波長，當波長一定時，方位向孔徑越長，斜距越小，方位分辨力越高；SAR 雷達采用以多普勒頻率理論和雷達相干技術為基礎的合成孔徑技術來提高雷達的方位向分辨力，采用脈沖壓縮技術提高距離向分辨力，雷達的距離、方位二維分辨力精度能達到“米”量級或更高。

機載雷達由于受到硬件條件限制，不可能獲得非常窄的脈沖寬度和很大的天線孔徑，因此難以獲得很高的分辨力。SAR 雷達克服了這些困難，利用脈沖壓縮技術獲得很高的距離向分辨力，解決了距離分辨力與探測距離之間的矛盾，利用合成孔徑技術獲得高的方位向分辨力，從而獲得大面積的高分辨力雷達圖像。還可以利用雷達微波信號中的極化信息、相位信息和多普勒信息，提高SAR 雷達的探測能力。

圖1 側視SAR （天線波束垂直于雷達平臺航向）Fig.1 Side-looking Radar （Antenna beam is perpendicular to plane course）

圖1 所示是側視SAR 雷達的示意圖。雷達發射的波束垂直于雷達平臺的運動方向，這個波束在航向上很窄，在距離上很寬，覆蓋了地面上一個很窄的條帶，隨著飛行器向前移動，不斷發射這樣的波束，并接收相應的地面窄條帶上各種地物的回波信號。當雷達波束在目標區域上掃過后，就可以獲得該區域的連續條帶雷達圖像。

2 合成孔徑雷達的距離分辨力

對于普通的脈沖雷達來講，假設雷達發射脈沖的持續時間為Tp，脈沖重復周期為T，脈沖峰值功率為Pp，脈沖平均功率為Pav，c 為光速，則雷達的平均功率為：

雷達的距離分辨力為：

由雷達方程可知：為了獲得高的目標回波信噪比，使雷達能夠探測更遠的距離，需要提高雷達發射信號的平均功率Pav，但是提高發射機的脈沖峰值功率受器件極限參數的限制，因此為保證雷達有一定的發射平均功率Pav，可以增大雷達脈沖寬度τ （Tp），這也就相當于增大了發射機的峰值功率；如果τ 取得太大，根據雷達距離分辨力Sr的表達式可以知道，隨著τ 值的增大，雷達的距離分辨力是降低的，即雷達的探測距離和距離分辨力的提高是一對矛盾的關系。普通的脈沖雷達由于時寬帶寬積約為1，使得上述問題成為客觀存在，解決的辦法就是必須使用時寬帶寬積大于1 的雷達信號，即大時寬帶寬積信號。采用脈沖壓縮技術能產生大時寬帶寬積信號，可以解決上述矛盾，提高雷達的距離分辨力。即發射的脈沖不再是簡單脈沖，而是幅度或相位按照波形調制，在接收機前端經過壓縮處理使得接收脈沖等效于由窄脈沖產生，這樣在時間上有重疊的脈沖也能經過壓縮處理而區分開，提高了雷達的距離分辨力。

線性調頻信號是合成孔徑雷達系統普遍采用的脈沖壓縮技術，具有易于生成波形，對應壓縮過程相對簡單的特點。雷達發射時采用寬脈沖，從而增大發射的平均功率，保證足夠遠的作用距離，在寬脈沖內進行頻率范圍f1～f2線性頻率調制。即在脈沖持續時間內，信號頻率連續地線性變化；在接收時采用相應的脈沖壓縮方法獲得窄脈沖，以提高距離分辨力。

圖2 所示為線性調頻信號頻率變化示意圖。

圖2 線性調頻信號Fig.2 Linear frequency modulation singal

線性調頻信號特征的脈沖波形復數表示：

其中信號的矩形包絡為：

式中：fc—載頻；K—調頻率。經分析可知：信號的頻率從線性調頻信號的頻率范圍從 （fc-｜K｜Tp/2） 變化到（fc+｜K｜Tp/2），帶寬為B=｜K｜Tp，因此，采用脈沖壓縮技術后，雷達的距離分辨力為：

壓縮后脈沖寬度由信號帶寬B 決定，與壓縮前脈沖的寬度無關。雷達的距離分辨力為也由信號的帶寬決定。隨著發射脈沖時寬帶寬積的增大，合成孔徑雷達的作用距離增加，同時還保持了有很高的距離向分辨力。采用脈沖壓縮后脈沖寬度減小TpB 倍，峰值功率提高TpB，實現了既有遠的探測距離（高信噪比），也有達到了高分辨力。

線性調頻信號的脈沖壓縮后的波形如圖3 所示。

圖3 線性調頻信號的脈沖壓縮處理Fig.3 Pulse compress of linear frequency modulation singal

3 合成孔徑雷達的方位分辨力

真實孔徑雷達的方位分辨力與雷達的工作頻段、波束寬度和目標距離有關。當雷達的工作頻段和天線尺寸確定后，波束的寬度也就確定了，即圖4 所示為實孔徑雷達方位分辨力示意圖。

在距離雷達R 處目標的雷達方位分辨力可以描述為：

圖4 實孔徑雷達方位分辨力Fig.4 Real aperture radar azimuth resolution

式中：θB—波束寬度；λ—雷達工作波長；λ 為天線尺寸。

可見要提高雷達的方位分辨力必須增大天線的尺寸，雷達工作頻段一定時，只能增大其物理尺寸來實現。對機載雷達來講，要受到飛機上所能容納的體積、加工工藝、設備重量等方面的限制。

合成孔徑天線技術是雷達天線隨著平臺運動形成的陣天線，實際天線作為陣的單元，在運動過程中按順序采集、記錄目標的回波信號，然后在信號處理中補充天線在不同位置的波程差引起的相位差，使一個點目標的回波信號同相疊加，其結果與一個長孔徑陣列天線一樣。利用天線飛行過程中在不同位置的回波信號，進行方位向壓縮，實現方位向的高分辨力，以達到一個大孔徑天線系統應有的分辨力。圖5 所示為合成孔徑雷達方位分辨力示意圖。

圖5 合成孔徑雷達方位分辨力Fig.5 Synthetic aperture radar azimuth resolution

雷達移動的距離是Ls，天線的口徑為D。合成孔徑長度由實際天線的波束寬度θB決定，從天線波束開始照射目標到離開目標，走過的距離為Ls為合成孔徑長為：對于合成孔徑陣天線，應考慮波的發射和接收是雙程傳播，任意兩陣元至目標的波程差是單程傳播的兩倍，合成孔徑陣天線的等效波束寬度為：θB=方位分辨力為：

上式說明：在合成孔徑情況下，雷達的方位分辨力與目標所在位置的距離R 無關，僅由天線實際孔徑決定D 決定，數值是實際天線孔徑的一半。

4 合成孔徑雷達的應用

合成孔徑雷達是航空航天技術、信息技術、微電子技術和信號處理等諸多高技術于一體的信息化裝備。作為一種全天時、全天候的微波成像雷達，能從空（天）間對地觀測的一種有效手段，能夠產生地面目標區域或地域的高分辨力地圖，提供信息量豐富的雷達圖像，在軍事領域、民用領域都獲得了廣泛的應用。隨著雷達成像技術研究的不斷深入，SAR 成像的精度也在不斷提高。如今，不僅目標固定、雷達平臺直線運動可獲得SAR 圖像，而且當雷達固定不動，目標運動（運動規律已知、未知或機動目標） 時獲取目標圖像的逆合成孔徑（ISAR） 理論和方法不斷深入，在軍事上應用比如非合作目標識別等方面具有重要意義。

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