斜視模式機載合成孔徑雷達處理原理以及應用

孫波 文劉強

摘 要：合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）基本原理是很簡單的，就是合成孔徑雷達和需要觀察的目標物體之間有一定的相對運動關系，然后將這種相對運動關系合成一個范圍比較大的雷達孔徑來實現成像的目的，當然，這也是有要求的，成像必須在方位向有較高的分辨率，目前的研究方向也是如何在方位向上獲得更高的分辨率。

關鍵詞：合成孔徑雷達；分辨率；系統

1 斜視機載雷達成象原理以及相關計算

雷達的歷史，特別是早期歷史富有傳奇色彩。當Budrieri、Burns、Swords等人寫好一批優秀的論文之后，雷達的歷史就隨之開始了。在1886年Heinrich Hertz證實了無線電波的傳播。1904年德國的杜塞爾布市的Huelsmeyer獲得了第一個雷達的專利。Huelsmeyer稱他的發明為“發射、接收赫茲波的裝置，如在波的投射方向上存在金屬物體如艦船、火車等，該裝置可以示警”。1922年Tayler和Young在華盛頓的海軍實驗室完成了第一部艦船探測雷達。1922年Hyland制作了第一部飛機探測器。在1941年美國陸軍的雷達發現了接近珍珠港的日軍機群，但當值的軍官認為那是假目標。二戰期間，英國的Chain Home雷達系統的快速發展，對于英國成功的防御德軍的空襲起了很重要的作用。戰后，雷達更是飛速發展，人們制造出了各種類型的雷達一直延用至今[1]。

合成孔徑可以比喻成蜻蜓的復眼，是同時多通道感知不同方位的信息，再經過算法算出高分辨率圖像的。而相控雷達實際任意時刻一般只有多點或一點被掃描，相對合成孔徑雷達速度上會有差異，如果是在移動中去掃描別的大量的目標就會出現距離方位的誤差增大或丟失目標的問題。所以飛機遙感測地雷達一般用合成孔徑。

1.1 斜視機載雷達成象原理

圖1 合成孔徑雷達運動的幾何示意圖

如圖1所示，設X軸為現場的中心線，Q為線上的某一點目標，載機以高度H平行于中心線飛行，離中心線的最近距離RB為

當載機位于A點時，它與Q點的斜距為

式中Xt為點目標Q的橫坐標

1.2 距離-速度壓縮

我們考慮一個固定雷達方向不變的波束觀測某一區域。我們意圖獲得回波信號，此信號是距離、速度對時間的函數。舉個例子來說，有一個位于陸地朝向海面的雷達。我們可以設定該機載合成孔徑雷達擁有一個不變的PRF（fR），并且發射的波形是步頻波，也就是說該機載合成孔徑雷達發射的是多個脈沖群，這些多個脈沖群是N（N？叟1）個單頻率脈沖組成的，在所有的脈沖群中，脈沖的頻率都是依次遞增的，遞增的值是？駐f，機載合成孔徑雷達每秒發射脈沖群的數量是fR/N個。每個脈沖群的帶寬為B，每個脈寬為τ[2]。在一個脈沖群中，第n個獨立脈沖的頻率由下式給出

作為一種選擇，我們考慮一個PRF=fR/N的長度為M的線形調頻（LFM）脈沖序列。每一個脈沖組帶寬為B，每一個脈沖寬度為？子，每一個脈沖采樣N次。

1.3 SAR模型

圖2 三種SAR模型示意圖

如圖2所示，有三種不同的SAR模式。圖2（b）中帶狀SAR又稱搜索SAR，因在相對粗略的情況下對成像范圍有用。圖2（b）中的條形SAR中，我們可以看到機載合成孔徑雷達一直保持著波束與飛行路徑一定的角度，然后一直來看這個平面的條形區域。波束經常（？茲sq=0）；？茲sq≠0，則稱為斜SAR。

對于帶狀SAR，孔徑角本質等于收發兩用，實孔徑，3dB波束寬度？茲3dB：

（4）

（5）

對于側面波束，如果？茁～1，則？啄cr？艿D/2。如果D>>？姿，SNR>>1，那么物理天線越小，橫向分辨率越好。

圖2（a）展示聚光SAR用于獲取已知地點或目標的相對清晰分辨率圖象。當平臺經過目標，波束方向移動以維持指向目標。那樣，？駐？茲>>？茲B，？啄cr（spot）<？啄cr（strip）。如果機載合成孔徑雷達沿著圓弧來運動，而且對象物體在圓心的的正下方，聚光SAR數學上等同于逆合成孔徑雷達ISAR。通常聚光SAR站沿直線經過目標。從本質上與ISAR相同。我們也想當目標范圍在合成孔徑上方輕微變化時對方差糾錯[3]。

孔徑時間（帶狀或聚光SAR成像需要的數據）可如下推出：

（6）

其中V是站速。

另一模式是跟蹤（掃描）SAR。所觀察地形不平行于飛行路徑。當然，條紋帶不能是無限長的了，必須在一定的范圍這內，否則導致SNR太小沒有辦法成像。原理上SAR波束可描述地面復雜形式；然而進程快速難度超出其優點。

2 斜視機載雷達成象的應用與發展方向

應用情況：一切的科技成果最后一定要能夠應用到實際生活當中，合成孔徑雷達成象技術也是這樣的，因為合成孔徑雷比起早期的普通雷達，有許多他們不具備的功能和優勢，所以也就有更多更廣的用途，這些用途都是基于合成孔徑雷自身的優點和功能的基礎上，如合成孔徑雷達非常強大的穿透力和較高分辨率成像能力，我們就合成孔徑雷主要的應用領域，即民用領域和軍用領域來進行介紹與分析[4]。

（1）民用領域。機載合成孔徑雷達容易實現較高的分辨力。當然，通常對于民用領域的合成孔徑雷達的分辨率不是太高，一般的就在10mX10m，就是方位和距離的乘積在這個范圍就可以了[5]。

二維成像合成孔徑雷達民用領域有：a.水文學應用（例如水災區實時成像）；b.農作物監測和森林監測；c.降雨量估計；d.土壤含水量估計和冬季積雪面積判斷；e.大城市及其四周城鎮的規劃布局；f.對海洋中船只監測和海難救援。

（2） 軍用領域。軍用合成孔徑雷達要求的分辨力高，帶條成像1.0m×1.0m，聚束成像0.3m×0.3m。就因為要求這么高的分辨率，所以一般是用于戰爭時的一些偵查，有利于軍隊對于未知戰場的全面了解，減少人為探測的這種不必要的風險。

二維成像的主要軍用領域有[6]：a.探測敵方縱深軍情；b.偵察敵方炮兵陣地、坦克和部隊結集區；c.偵察敵方較前沿機場和場內飛機類型；d.從地雜波中發現敵方運動目標。

3 結束語

在這段時間的研究學習中，從早期的雷達到現在各種各樣的雷達，發展是迅速的，從單一的作用到多重的作用，從簡單粗糙到復雜精確，是前輩們揮灑著智慧的汗水，高舉創新的旗幟的結果，作為繼承上一輩成果的我們，有義務將這些成果繼續發展下去，合成孔徑雷達也會近幾年發展的熱點，值得我們繼續發展和研究，對合成孔徑雷達的了解雖然已經不是一知半解，但是就目前的水平，是遠遠不夠的，未來合成孔徑雷達的發展會是怎么樣的，取決于我們研究和努力的方向。

參考文獻

[1]王敬，季新源.合成孔徑雷達（SAR）的獨特功能及發展概況[J].桂林空軍學院學報，2000，17（3）：35-38.

[2]孫佳.國外合成孔徑雷達衛星發展趨勢分析[J].裝備指揮技術學院學報，2007，18（1）：67-70.

[3]張直中.合成孔徑雷達遙感技術及其應用[J].電子工程師，1997，23（4）：2-11.

[4]譚顯裕.合成孔徑雷達的特點及其軍用探測[J].航天電子對抗，2002（1）：31-35.

[5]全壽文.合成孔徑雷達的應用與發展[J].外軍電子戰，1999（3）：34-40.

[6]王穎，曲長文，周強.合成孔徑雷達發展研究[J].艦船電子對抗，2008，31（6）：59-61.