機動合成孔徑雷達成像研究現狀與發展趨勢

馬彥恒,侯建強

(陸軍工程大學石家莊校區 無人機工程系，石家莊 050003)

1 機動SAR的分類與研究現狀

1.1 彈載機動SAR

彈載平臺要實現對目標區域的打擊，需要經過爬升、平飛、規避與俯沖等多個階段的運動，尤其是在平飛、規避和俯沖階段，都需要SAR平臺對目標區域進行匹配和監測。SAR在彈載平臺上的應用屬于典型的機動SAR，包含了SAR在三維空間內偏離理想軌跡的各種特性。

美國雷聲公司的X波段和Ka波段高速機動平臺SAR系統分辨分別達到了15 m×15 m和3 m×3 m[2]。Goodyear公司[3]用于空地導彈上的SAR能夠進行目標價值判別。洛拉爾公司的高速機動SAR系統可向側向旋轉或向前方直視，能夠實現常規地形規避[4]。美國相關單位還進行了動態戰術導彈SAR測試床[5]的研究。此外，“潘興Ⅱ”導彈就采用了雷達地形匹配制導，是目前命中精度最高的地對地彈道導彈之一。美國還研制了寬域搜索(WAS)的高速機動平臺SAR系統[6]也可以與激光雷達一起構成多模式導引頭，用于末段制導。俄羅斯研制的“白楊-M”[7]可以進行突防機動，也需要合成孔徑雷達的機動成像配合地形匹配技術，其命中精度約100 m。法國研制的94 GHz和35 GHz的成像雷達傳感器的地圖匹配制導系統[8]，也是在彈載平臺上的典型應用，可以探測和選擇攻擊。德國FGAN研制的Ka波段和W波段SAR成像雷達[9]，能夠實現空對地高速機動平臺SAR成像，并進行了實測實驗。以色列的“杰里科”-2彈道導彈參考并應用“潘興”II導彈的末端制導技術，帶有雷達成像終端制導系統，能夠快速重新輸入目標數據，可在多個目標中進行選擇性打擊[10]。瑞典與德國聯合開發的RBS1 5-MK3[11]反艦導彈SAR導引頭配合紅外模式能夠實現全天候作戰。

SAR能夠發現隱藏和偽裝的軍事目標，是導彈實現精確打擊的有力手段，其在彈載平臺上的應用是典型的機動成像過程，具有廣闊的發展前景。

1.2 機載機動SAR

彈載SAR的機動成像過程是結合彈載平臺的彈道軌跡與戰術動作完成的，主要體現在非勻速平飛、俯沖和規避動作過程中，以大前斜視成像為主，成像時間較短。機載SAR成像過程相對彈載SAR而言，機動曲線形式較為多樣，成像時間相對較長，主要分為基于擾動誤差的機載SAR、沿航向的非勻速機載SAR和曲線SAR。

基于擾動誤差的機載SAR主要是由于氣流擾動和測量誤差引起的機載平臺偏離理想航跡運動，屬于小誤差的理想航跡偏離機動。沿航向的非勻速機載SAR屬于一種非勻速平飛的機動模式，主要考慮方位向非勻速運動帶來的空變性。而曲線SAR的運動情況更為復雜，是機載機動SAR的一種典型情況。

曲線SAR的思想是1994年由美國海軍地面作戰中心的Kenneth Knaell博士提出來并論證的[12]。其基本原理是利用聚束SAR的模式，使雷達平臺通過曲線航跡，在空間內做方位-高度曲線機動，并對回波信號進行方位、高度等效孔徑合成，從而獲得方位向和高度向的二維分辨能力，其距離向的高分辨率是通過發射大帶寬信號，并對回波信號進行脈沖壓縮而實現的。

目前機載曲線SAR的研究，根據孔徑形狀(曲線軌跡)可以分為圓跡SAR、拋物線SAR、半拋物SAR等，如圖1所示，圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)分別是圓跡SAR、拋物線SAR、半拋物SAR運動軌跡俯視圖，其中半拋物和拋物SAR屬于圓跡SAR的一部分。

綜上所述，在現階段社會經濟逐漸發展起來，城鄉建設成為人們關注的重點。在這個過程中，農村建設的過程中要關注景觀規劃設計，村部的形象是新農村建設的重要標準。在農村經濟發展起來的情況下，農民對生活環境也提出了比較高的要求。由此，合理的規劃和設計新農村景觀，就要制定出完善的方案，在迎合農村居民需要的情況下，在其中合理的融入文化和自然因素。最終，為新農村建設和發展制定出一條通暢的道路。

圖1 3種孔徑形狀的曲線SAR

曲線SAR的思想被提出不久，美國海軍就利用直升機平臺對曲線SAR的成像機理進行外場試驗[13]，佛羅倫薩大學的Li Jian等學者提出用Relax現代譜估計方法來進行CLSAR的三維特征提取[14]。國內關于曲線SAR的研究起始于2000年。但是，通過十幾年的研究，曲線SAR的發展尚未成熟。在成像模式上，主要集中于CSAR[15]的研究上。

1.3 雙基機動SAR

雙/多基地SAR[16]的發射和接收裝置分別處于不同的載體平臺中，具備更多優勢：成像區域廣泛，可以多角度觀測；隱蔽性好，抗干擾能力強；節約運動平臺載荷資源和頻率資源；雙基配置靈活等。

早在1977年，美國Xonics公司就對前視雙基SAR進行了仿真實驗，該實驗能夠發現樹林中緩慢移動的坦克，取得了較好的仿真效果；1983年，在美國密西根進行了機載雙基試驗；1984年，美國“挑戰者”號航天飛機與CV-990飛機構成實驗系統；1992年，由ERS-1號衛星與飛機結合搭建了“星-機”雙基系統；1994年由SIR-C雷達與飛機構建成了雙基系統，將分辨率提升到了12 m；2007年，德國相關研究機構實現了Terra SAR-X衛星與DO228型飛機的雙基實驗，并獲取了第一幅民用雙基SAR圖像[17]。

國外學者將雙基SAR分為了3個等級[17]：第一個等級是將傳統的單基地SAR，等效為雙基SAR的特例；第二個等級為移不變雙基SAR，也就是雙基均做勻直平飛運動，可以是運動參數相同，也可以不同；第三個等級為移變雙基SAR系統，雙基中存在非勻直平飛運動。

本節結合二、三等級的情況，從不同角度對雙基SAR進行了劃分。根據運動平臺的不同可以分為：“機-機”雙基、“空(機)-地”雙基、“星-機”雙基、“星-星”雙基、“彈-機”雙基、“彈-地”雙基、“彈-彈”雙基等；根據運動形式的不同可以分為：一基固定一基運動(勻直屬于第二等級，非勻直運動屬于第三等級)、雙基勻直平飛(第二等級)、一基勻直平飛一基非勻直運動(第三等級)、雙基非勻直運動(第三等級)等。

其中，一基固定一基運動，常見于“空(機)-地”雙基地SAR成像中，可以是發射機固定、接收機運動；也可以是接收機固定、發射機運動。前一種情況，發射機主要隱蔽固定于場景附近地勢較高的山坡[18]，有利于提高運動平臺的電磁隱蔽性，保障其完成攻擊和偵察任務。后者主要用于節約運動平臺的載荷資源，有利于多傳感器的復合使用和對雷達低空盲區的監測。雙基勻直平飛主要見于“機-機”雙基和“星-機”雙基中，可以解決單基SAR前視時，距離與方位同向，無法二維成像的問題[18]。一基勻直平飛一基非勻直運動常見于“彈-機”雙基SAR成像中，主要結合機載平臺的運動特性和導彈的運動特性完成雙基成像，可以滿足無人機/有人機掛彈遂行任務時，彈載平臺對前視成像的要求。雙基非勻直運動則適合于“雙彈伴飛”遂行任務，對雙彈前視成像的要求，有利于提高彈載平臺的成像時間。

從工作模式上，雙基SAR還可以分為合作式雙基SAR和非合作式雙基SAR。合作式雙基SAR主要是指接收和發射的波束需要嚴格控制，以確保發射機和接收機的時間同步、空間同步等。非合作式雙基SAR主要是指發射波束和接收波束中有一方不改變，只改變另一方的情況，常見于“星-機”和“空(機)-地”雙基地SAR中[17]。

此外，還有多基星載SAR[19]，它能夠遂行多種任務：二維/三維成像、地面運動目標檢測、干涉測高等內容。多基星載SAR的機動模型更為復雜，各星兩兩結合就可以等效為雙基SAR。

1.4 其他運動平臺的機動SAR

其他平臺的機動SAR主要包括兩類：臨近空間機動SAR和星載機動SAR。

臨近空間機動SAR[20]主要指在臨近空間中以無人機、飛艇等作為載體的合成孔徑雷達，具有超高空長航時、生存能力強的特點，且以慢速平臺為主。但是，臨近空間SAR受氣流影響大，平臺不穩定，波束指向存在偏差，運動模型不僅存在三維空間速度變化，還存在一定程度的橫滾、俯仰和側滑變化，以螺旋前進模型為代表。

星載機動SAR有“8”字型衛星軌跡，它是通過大傾角圓形同步軌道形成的；還有地球同步軌道圓跡SAR[21]，通過在靜止軌道上設計較小的偏心率和傾角，形成近圓的衛星軌跡，這種模式使SAR載荷的凝視成像成為了可能，兼具二維和三維分辨率的特性。

2 發展方向

機動SAR的偏離理想軌跡的原因可以是由平臺本身特性造成的，也可以是主動造成的，是對傳統SAR成像能力的一種擴展。它們都是對傳統成像條件的一種突破。本節從平臺特性以及發展需求的角度分析發展方向。

2.1 無人機載機動SAR的發展

SAR在機動戰術飛機上的應用可以追溯到1982年，John N.Damoulakis 等對機動戰術飛機上的SAR運動補償系統的分析[22]。近些年來，無人機的發展得到了越來越多的關注，多模式、長航時、輕型化、小型化的研究，是無人機發展的重要方向。無人機的成熟發展對SAR也提出了越來越高的要求，也促使SAR不斷適應無人機的新要求。如小型化無人機的發展，也要求SAR向輕型化、小型化發展，以適應無人機的載荷要求。當前，市場上已經出現了消費級無人機載SAR的產品，如：可用在消費級四旋翼無人機上的PaulsOn 410 超寬帶雷達(簡稱，P410 雷達)，如圖2所示，幾何尺寸只有7.6 cm×8 cm×1.6 cm，可使用電池供電，發射脈沖重復頻率為10 MHz的短脈沖，其頻帶寬度為3.1～5.3 GHz，中心頻率為4.3 GHz，可以通過USB接口進行控制和信息傳輸。如圖3所示，整個P410 SAR系統包括一個P410雷達、一個樹莓派微型計算機、WiFi通信模塊和螺旋天線，整個系統(包括線纜和電池)總重不超過300 g。它可以將天線指向地面，從而實現對正下方的目標進行成像。同時，其也可以固定在汽車上進行成像。成本低、便攜性好，是一種適合于實驗室用的消費級雷達。

圖2 P410 雷達

圖3 P410 SAR系統

文獻[23]指出各種機載平臺中，無人機平臺的運動補償難度較大。而無人機不僅在民用偵察、監測等領域得到較大發展，也是現代作戰的重要方向。其容易受到氣流干擾，運動軌跡常常出現偏離理想估計的情況。從運動模型上分析，無人機載SAR成像模型更接近于機動SAR成像模型。此外，隨著武器裝備的快速發展，“察打一體化”、“即發現即打擊”、“偵察常態化”模式是無人機發展的重要方向，同時也對對無人機載SAR提出了更高的要求，也需要其具備機動成像能力。

要實現超高分辨率SAR成像，通常需要平臺配備高精度的 DGPS 和 IMU，獲取高精度的參數測量，然而無人機平臺載荷有限，主要依據回波數據進行參數估計。針對基于回波的運動誤差補償通常可以采用相位梯度和最小熵的方法處理圖像，使得成像結果更聚焦。但是因運動誤差造成的空變性誤差，則需要采用子圖像或者更加精確的校正模型解決。隨著成像精度要求越來越高，如何從回波中有效估計的高精度的運動誤差，實現無人機載機動SAR高分辨率成像，仍然是目前需求解決的難題。其中，如何高效快速地利用最小熵實現無人機載SAR的運動誤差，是解決這一問題的一個重要方向。

2.2 雙/多基SAR的發展

雙/多基地SAR的發射和接收裝置分別處于不同的載體平臺中，具備更多優勢：成像區域廣泛，可以多角度觀測；隱蔽性好，抗干擾能力強；節約運動平臺載荷資源和頻率資源；雙基配置靈活等。雙基機動SAR的形式多樣，可以形成“機-機”、“空(機)-地”、“星-機”、“星-星”、“彈-機”、“彈-地”、“彈-彈”等雙基成像體制。雙基SAR在對地質探測、無人機協同作戰等方面具有潛在的體制優勢[16]。

同時，在無/有人機掛彈遂行任務、“雙彈伴飛”遂行任務中，雙基機動SAR通過“機-彈”、“彈-彈”結合，可以提高攻擊平臺和偵察平臺的戰場生存能力和載荷能力，有效地保障其實現打擊和偵察任務。秦玉亮[24]在其博士論文的總結與展望中指出，采用機彈協同雙基地 SAR 成像是未來的重要發展方向。除此之外，有關一基固定一基飛行模式[25]及雙基斜飛模式[26]也正處于熱點研究。

2.3 高分辨機動SAR成像

2012年的相關報道中SAR的超高分辨就已經可以達到0.05米的精度[27]。對于成像后的SAR影像，成像分辨率成為評價雷達系統的重要指標。高分辨就是要獲取更詳細的目標信息，使其逐步達到目標識別和檢測的要求。隨著SAR技術的日益迅速發展，如何獲得高分辨、高質量SAR成像結果成為SAR成像領域的研究熱點[28]。在“十二五”期間，我國就制定了“高分辨對地觀測系統”等重大專項。機動SAR平臺運動軌跡復雜多樣，不僅存在非均勻采樣的問題，還存在高階頻譜相位的問題，運動補償較為復雜，成像要求更高。因此，研究快速高分辨機動SAR成像，對于SAR平臺的實時偵察和打擊任務至關重要。其中，步進頻SAR是提高分辨率的一個有效方式。

2.4 其他機動SAR成像

大斜視和前視SAR能夠遠距離成像，為彈載和機載平臺提供更多攻擊準備時間。大斜視、非勻速直線運動SAR成像算法一直是彈載SAR領域最核心的內容。也是機動SAR成像的重點方向。大斜視SAR成像存在嚴重的距離方位耦合，機動SAR給大斜視帶來了更大的方位空變性和距離徙動，其二維頻譜更為復雜，多普勒中心空變量更大，圖像散焦更加嚴重，更不適合于大寬幅、長孔徑成像。因此，為保證攻擊平臺獲取更多的目標提前信息，研究大斜視/前視、大寬幅和長孔徑SAR也是機動SAR發展的重要方向之一。

此外，機動SAR在小型化、三維成像能力、新體制和硬件等方向的發展也值得關注。結合圓跡SAR和曲線SAR的發展，提高機動SAR的三維分辨能力，能夠增加高度維對目標的分辨能力，也是目標識別與檢測的發展趨勢。新體制和硬件的發展，能夠提高機動SAR的適應能力和成像效果。

3 結論

從作戰要求角度考慮，戰場生存能力、信息獲取能力、信息獲取質量、信息獲取維度和信息智能化處理，是SAR發展的必然方向。轉換到技術領域，戰場生存能力對SAR應用的發展提出了快速、實時以及多作戰模式、靈活機動的要求，對SAR硬件平臺提出了隱蔽性、小型化、輕型化、無人化的發展要求；信息獲取能力則要求SAR向著大寬幅、大場景和抗干擾的方向發展；信息獲取質量則要求SAR向著高分辨、超分辨的方向發展；信息獲取維度則要求SAR向著多角度以及三維成像的方向發展；信息智能化處理則是對SAR圖像的目標分類、目標識別以及SAR圖像與光學圖像、智能信息融合發展的要求。因此，未來SAR的發展必將由“平臺適應型”向“適應平臺型”轉變，也更加智能、高效。