合成孔徑雷達(dá)技術(shù)及其應(yīng)用

文/翁元龍

合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種利用微波成像技術(shù)進(jìn)行地海面目標(biāo)探測的遙感系統(tǒng)。自20世紀(jì)50年代美國提出并研制成功以來，SAR雷達(dá)發(fā)展迅速且有成效，具有全天時、全天候、高精度、大范圍、遠(yuǎn)距離的特點。在世界各國的農(nóng)業(yè)、林業(yè)災(zāi)害防治，遙感測繪導(dǎo)航、地質(zhì)勘探、環(huán)境海洋監(jiān)測及軍事等方面得到廣泛應(yīng)用。裝載平臺遍及各類飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和車輛等。本文從SAR雷達(dá)技術(shù)入手，對其應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并探討其發(fā)展趨勢。

1 SAR雷達(dá)技術(shù)

SAR雷達(dá)通過發(fā)射大帶寬線性調(diào)頻信號，實現(xiàn)目標(biāo)距離向高分辨。在雷達(dá)平臺與目標(biāo)之間的相對運動過程中，通過相干積累及運動補償，以時間換空間的方式實現(xiàn)天線長度的延展，實現(xiàn)方位向高分辨。

1.1 系統(tǒng)組成

典型SAR系統(tǒng)由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、頻率源、信號處理機(jī)、慣導(dǎo)、數(shù)據(jù)記錄儀、控制與顯示等組成。天線發(fā)射寬帶信號、接收目標(biāo)回波；發(fā)射機(jī)完成寬帶信號的產(chǎn)生、調(diào)制和放大；接收機(jī)用于對回波的變頻、放大和采集；頻率源產(chǎn)生全機(jī)所需時鐘及本振信號；信號處理機(jī)實現(xiàn)全機(jī)時序同步、參數(shù)控制和雷達(dá)信號處理；慣導(dǎo)是SAR雷達(dá)重要組成，實時測量天線姿態(tài)并傳輸給信號處理機(jī)用于運動補償計算；數(shù)據(jù)記錄儀可記錄信號回波和圖像數(shù)據(jù)；控制與顯示實現(xiàn)全機(jī)控制及圖像顯示。如圖1所示。

1.2 主要參數(shù)

SAR的主要參數(shù)含使用參數(shù)、內(nèi)部參數(shù)和圖像參數(shù)。

使用參數(shù)直接面向用戶，含分辨率、作用距離、測繪帶寬和定位精度等。分辨率指距離分辨率和方位分辨率，距離分辨率與信號帶寬成反比，方位分辨率與天線長度成反比；作用距離是指圖像場景中心到平臺的斜距；測繪帶寬是指SAR雷達(dá)的成像寬度；定位精度用于描述圖像中目標(biāo)與真實地理坐標(biāo)之間的相對關(guān)系。

內(nèi)部參數(shù)含工作頻段、信號帶寬、波門起始、采樣深度、脈沖寬度和重復(fù)頻率等，這些內(nèi)部參數(shù)與使用參數(shù)有一定的對應(yīng)關(guān)系。如波門起始描述的是圖像的起始距離，采樣深度則對應(yīng)圖像的測繪寬度。

圖像參數(shù)含信噪比、積分旁瓣比和峰值旁瓣比等，用于表征SAR圖像的清晰度、對比度和模糊度等。

圖1：典型SAR系統(tǒng)

2 SAR雷達(dá)應(yīng)用

SAR系統(tǒng)主要用于軍事偵察監(jiān)視和民用各領(lǐng)域。

軍事方面，美軍SAR雷達(dá)裝載于無人機(jī)（全球鷹、捕食者）、有人機(jī)（E8C聯(lián)合對地監(jiān)視飛機(jī)）、導(dǎo)彈（戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈）、衛(wèi)星（長曲棍球）等。美軍利用機(jī)載SAR雷達(dá)技術(shù)實現(xiàn)ISR（情報、偵察和監(jiān)視）系統(tǒng)，在海灣戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭和反恐戰(zhàn)場已大量應(yīng)用。彈載SAR利用景象匹配技術(shù)，實現(xiàn)導(dǎo)彈的遠(yuǎn)程戰(zhàn)略打擊。星載SAR實現(xiàn)全球大范圍地區(qū)的快速高效情報獲取。

民用方面，SAR雷達(dá)技術(shù)廣泛用于城市勘測、農(nóng)業(yè)普查、林業(yè)應(yīng)用、海洋監(jiān)測和立體測繪，無人車的防撞預(yù)警等。對城區(qū)建筑物、橋梁、道路等大范圍成像，獲取其結(jié)構(gòu)、分布和變化，為城市規(guī)劃者提供數(shù)據(jù)支撐。精確測量各類農(nóng)作物的病蟲害情況，利用極化信息掌握農(nóng)作物種植情況，提高農(nóng)業(yè)普查效率。在森林資源調(diào)查、森林分類、自然災(zāi)害監(jiān)測和森林蓄積量等方面也有大量應(yīng)用。海洋環(huán)境監(jiān)測包括對海洋災(zāi)害、海面溢油、海上船舶、沿海灘涂的監(jiān)測。立體測繪方面，利用SAR雷達(dá)的干涉模式，采用多天線單次干涉或單天線重軌干涉實現(xiàn)三維高程測量，對丘陵、山區(qū)、平原等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)立體測繪。全天時全天候探測的無人車SAR雷達(dá)與激光、光學(xué)系統(tǒng)共同實現(xiàn)防撞預(yù)警。

3 結(jié)束語

SAR雷達(dá)受平臺重量、體積、功耗約束，分辨率、探測距離和精度、出圖速度等仍有不足。面向未來，隨著微波、電子計算機(jī)及人工智能等技術(shù)發(fā)展，SAR雷達(dá)將朝著多極化、多頻段，高分辨、高定位精度，輕小型化、圖像視頻化、任務(wù)智能化的方向發(fā)展，將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展。