武警工程大學信息工程系　付凱城　曲　毅

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FMCW SAR發展概述

武警工程大學信息工程系付凱城曲毅

【摘要】調頻連續波（FMCW)合成孔徑雷達（SAR）是一種新體制的成像雷達，具有體積小、重量輕、耗電少、造價低、分辨率高等優點，在國民經濟和國防建設各領域中具有很高應用價值。文中綜述了國內外FMCW SAR的研究情況，討論了其發展趨勢，分析了進一步發展所面臨的主要技術問題。

【關鍵詞】調頻連續波；合成孔徑雷達；發展趨勢

1　引言

從1951年美國古德依爾(Goodyear)宇航公司的威利首先提出用頻率分析方法改善雷達的角分辨率發展到今[1]，合成孔徑雷達已有60多年的發展歷史，在軍用和民用領域都得到了廣泛的應用。傳統SAR是脈沖體制的，但其質量體積過大、能耗過高使得脈沖SAR 無法應用在小型飛機、無人機等小型載體。調頻連續波SAR是由英國的倫敦大學于1988年首次提出的[2]，兩種技術的結合使得FMCW SAR 獲得了體積小、重量輕、耗電少、造價低、分辨率高等一系列優點，解決了脈沖SAR無法應用在小型載體上的問題，成為SAR技術一個重要的發展方向。

2　FMCW SAR的發展歷程

SAR起源于20世紀50年代初期。1951年，美國古德伊爾公司的 Carl Wiley提出用多普勒銳化的方法來改善天線的角分辨力。

1953年7月，伊利諾斯大學的一個工作小組采用非聚焦孔徑綜合的方法得到了第一副SAR圖像。

早期的脈沖SAR質量體積過大、能耗較高，計算數據量極大，限制了其應用范圍。80年代以來，隨著毫米波、微波信號源技術上的革新、低噪器件和大規模集成電路技術等的發展，調頻連續波合成孔徑雷達以其不可替代的性能優勢而倍受重視。

1988年，SAR技術和調頻連續波技術的可兼容性由英國的倫敦大學在雷達高度計上首次得到證實，并于1997年將其應用于海洋內波成像。

1991年，日本利用 FMCW SAR對隱藏在積雪場中物體實現了探測。

1997年，瑞典研制出的用于反艦導彈的調頻連續波SAR導引頭。

2003年德國ENDS(European Aeronautic Defense System)研制出了超輕重量FMCW SAR樣機MISAR在MiniUAV LUNA平臺進行飛行試驗，將原始數據傳送到地面進行處理。

2004年，法國研制了一個低成本的三維成像FMCW SA系統DRIVE。

2008年，德國研制出用于三維成像的調頻連續波SAR樣機ARTINO，獲得了0.2×0.2×0.2m的三維高分辨率。

近幾年來，美國麻省理工學院林肯實驗室G.L.Charvat等人也進行了調頻連續波 SAR的軌道型穿透性成像實驗。

我國對SAR的研究起步較晚，起源于20世紀70年代后期，并于1979年獲得了我國第一幅SAR圖像。

1996年，南京航空航天大學首先建立了FMCW SAR試驗系統。

2007 開始，西安電子科技大學國家重點雷達信號處理實驗室在FMCW SAR成像的各項關鍵技術上取得了大量的研究成果。

2011年，中科院電子研究所設計研制的 CARMSAR成功地進行了實驗。此次試驗是我國首次公開發表的調頻連續波SAR實測數據試驗，標志著在我國在 FMCW SAR上已經邁出了重要的一步。

3　FMCW SAR的優勢

FMCW SAR與脈沖SAR體制不同，應用背景不同，兼具連續波雷達和SAR的特點,具有以下優勢:

1)重量輕、成本低、功耗小、集成度高、結構簡單。

2)低截獲概率性能。由于脈沖發射持續時間長，具有較低的發射機平均功率，使得被截獲的概率大為下降。

3)在接收機前端完成差頻處理，得到差頻信號。

4)采樣頻率降低。FMCW SAR是對差頻后的信號進行采樣，信號處理實際帶寬大大降低，對信號高速采集與處理的要求也大為降低。

5)無距離盲區。在FMCW SAR中，收發天線分離，發射信號和接收回波信號同時進行，不會形成距離盲區。

4　FMCW SAR的發展趨勢

4.1三維成像

一般的合成孔徑雷達只能獲得目標的二維信息，無法獲得目標高度維信息。而在具體的實踐中，存在很多應用需要利用到目標的三維特征信息。曲線調頻連續波合成孔徑雷達(FMCW CLSAR)平臺在方位-高度平面內作曲線飛行，在這兩個方向同時形成分辨力，構成三維分辨能力，是解決三維成像問題的重要途徑。

4.2實時成像

SAR平臺接收回波數據傳送給地面控制站，進而達到近似實時成像，成為FMCW SAR的研究重點。實時成像無論在軍用還是民用領域都具有十分重要的應用價值。但由于SAR數據量非常大，對系統的存儲容量和處理速度提出了更高的要求。實時成像有利于SAR操作員實時掌握、調整成像區域,對精確成像是非常必要的。

4.3動目標成像

動目標成像是SAR在軍用領域必須要解決的問題。SAR已成為戰術偵查的重要組成部分，對于戰場上大量存在的動目標，不能采用靜止目標成像的方法對其進行成像，否則會產生失真。目前對動目標成像技術的研究大都是基于脈沖體制的，而FMCW SAR以其獨特的優勢將成為動目標成像研究的熱點。

4.4FMCW SAR多輸入多輸出技術

將多輸入多輸出(MIMO)技術引入SAR 體制中，能夠有效緩解高分辨率和大測繪帶寬的矛盾。對于調頻連續波SAR來

說，作用距離一般較短，如果將MIMO技術與調頻連續波SAR技術結合，不僅能夠解決測繪帶寬與成像精度的矛盾，還能夠解決最大作用距離與成像分辨率的矛盾，成為FMCW SAR發展的一個重要方向。目前，MIMO-SAR的重要性已得到了廣泛的關注，FMCW SAR與MIMO相結合的研究工作也已經展開。

5　FMCW SAR面臨的主要問題

5.1收發隔離

脈沖SAR用收發開關來控制發射和接收過程，而FMCW SAR通過兩個天線，收發同時進行，這樣就會產生一個泄露信號，會對接收造成很大的影響，因此兩者之間的完全隔離有待消除。

5.2“停-走-停”模式不適用

與脈沖體制不同，FMCW SAR不斷地發射信號，且信號掃描周期較長，雷達平臺在一個周期內發射和接收信號過程中不能視為靜止，即“停-走-停”模式不適用。而雷達平臺在調頻周期內運動，則會在發射信號和接收相應回波的過程中產生多普勒頻移，在成像時對此多普勒頻移要加以考慮。

5.3掃頻非線性

實際系統中難以產生嚴格的線性調頻信號，而掃頻的非線性會影響系統的距離向分辨率，特別是對調頻連續波系統，其時寬帶寬積較大，線性度對雷達距離分辨率有決定性的影響。因此，非線性估計和校正也是急需解決的問題。

5.4相位噪聲

在實際的SAR系統中，相位噪聲是不可避免的。但在FMCW SAR系統中,由于收發隔離，相位噪聲的影響特別突出。在FMCW SAR系統中，頻率合成器相位噪聲的影響已經超過熱噪聲的影響，成為限制FMCW SAR系統靈敏度提高的主要因素。

6　結語

FMCW SAR是一種體積小、重量輕、功耗小、造價低的高分辨率成像雷達，與脈沖SAR相比具有顯著的優勢。在未來的發展中，如能解決好小型平臺的運動補償和掃頻非線性等問題，FMCW SAR將會在小型無人機等小型載體上獲得更廣泛的應用。

參考文獻

[1]Shcrwin C W,Ruina J P,Raweliffe R D.Some Early Developments in Synthetic Aperture Radar System[J].IRE Transac-tions on MIL,1962,6(2):111-115.

[2]Griffiths H D.Synthetic aperture processing for full deramp radar altimeters[J].Electronics Letters,1988,24(7):371 -373.

付凱城（1993—），男，河南周口人，武警工程大學信息工程系在讀碩士研究生，主要研究方向：SAR圖像處理。

作者簡介：