機載合成孔徑雷達(dá)原理及應(yīng)用

姬憲法，陳長春

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

0 引言

合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）是一種高分辨力相干成像雷達(dá)，機載雷達(dá)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(dá)的空間分辨力有距離向和方位向兩個方向，平行于雷達(dá)平臺飛行方向的分辨力稱為方位向分辨力，垂直于雷達(dá)平臺飛行方向的分辨力稱為距離向分辨力；合成孔徑雷達(dá)（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(dá)（SAR）是利用孔徑合成原理和脈沖壓縮技術(shù)，提高雷達(dá)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(dá)自身發(fā)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(xué)成像的不足。因此，機載合成孔徑雷達(dá)（SAR）目前在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。

1 合成孔徑雷達(dá)（SAR）基本原理

合成孔徑雷達(dá)（SAR）是與實孔徑雷達(dá)（RAR）相對而言的，實孔徑雷達(dá)的天線孔徑是一先發(fā)射后接收的物理單元，而合成孔徑雷達(dá) （SAR） 是把天線的運動考慮進(jìn)去，雷達(dá)所收到不同位置的回波不是同時的，而是依靠雷達(dá)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(dá)進(jìn)行真實天線波束地形測繪時，方位分辨力是依靠天線產(chǎn)生窄的波束達(dá)到的，長的線陣天線可以產(chǎn)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(jìn)行適當(dāng)處理，就能獲得一個相當(dāng)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(dá)技術(shù)的機載雷達(dá)稱為合成孔徑雷達(dá)（SAR）。

合成孔徑雷達(dá)（SAR）和真實孔徑雷達(dá)（RAR）的不同之處主要在于信號處理部分。真實孔徑雷達(dá)的距離向分辨力受到發(fā)射脈沖寬度的限制，當(dāng)要求非常高的距離向分辨力時，必須發(fā)射非常窄的脈沖，同時距離的增大發(fā)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(dāng)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(dá)采用以多普勒頻率理論和雷達(dá)相干技術(shù)為基礎(chǔ)的合成孔徑技術(shù)來提高雷達(dá)的方位向分辨力，采用脈沖壓縮技術(shù)提高距離向分辨力，雷達(dá)的距離、方位二維分辨力精度能達(dá)到“米”量級或更高。

機載雷達(dá)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(dá)克服了這些困難，利用脈沖壓縮技術(shù)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(shù)獲得高的方位向分辨力，從而獲得大面積的高分辨力雷達(dá)圖像。還可以利用雷達(dá)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(dá)的探測能力。

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

圖1 所示是側(cè)視SAR 雷達(dá)的示意圖。雷達(dá)發(fā)射的波束垂直于雷達(dá)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(fā)射這樣的波束，并接收相應(yīng)的地面窄條帶上各種地物的回波信號。當(dāng)雷達(dá)波束在目標(biāo)區(qū)域上掃過后，就可以獲得該區(qū)域的連續(xù)條帶雷達(dá)圖像。

2 合成孔徑雷達(dá)的距離分辨力

對于普通的脈沖雷達(dá)來講，假設(shè)雷達(dá)發(fā)射脈沖的持續(xù)時間為Tp，脈沖重復(fù)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(dá)的平均功率為：

雷達(dá)的距離分辨力為：

由雷達(dá)方程可知：為了獲得高的目標(biāo)回波信噪比，使雷達(dá)能夠探測更遠(yuǎn)的距離，需要提高雷達(dá)發(fā)射信號的平均功率Pav，但是提高發(fā)射機的脈沖峰值功率受器件極限參數(shù)的限制，因此為保證雷達(dá)有一定的發(fā)射平均功率Pav，可以增大雷達(dá)脈沖寬度τ （Tp），這也就相當(dāng)于增大了發(fā)射機的峰值功率；如果τ 取得太大，根據(jù)雷達(dá)距離分辨力Sr的表達(dá)式可以知道，隨著τ 值的增大，雷達(dá)的距離分辨力是降低的，即雷達(dá)的探測距離和距離分辨力的提高是一對矛盾的關(guān)系。普通的脈沖雷達(dá)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(dá)信號，即大時寬帶寬積信號。采用脈沖壓縮技術(shù)能產(chǎn)生大時寬帶寬積信號，可以解決上述矛盾，提高雷達(dá)的距離分辨力。即發(fā)射的脈沖不再是簡單脈沖，而是幅度或相位按照波形調(diào)制，在接收機前端經(jīng)過壓縮處理使得接收脈沖等效于由窄脈沖產(chǎn)生，這樣在時間上有重疊的脈沖也能經(jīng)過壓縮處理而區(qū)分開，提高了雷達(dá)的距離分辨力。

線性調(diào)頻信號是合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)普遍采用的脈沖壓縮技術(shù)，具有易于生成波形，對應(yīng)壓縮過程相對簡單的特點。雷達(dá)發(fā)射時采用寬脈沖，從而增大發(fā)射的平均功率，保證足夠遠(yuǎn)的作用距離，在寬脈沖內(nèi)進(jìn)行頻率范圍f1～f2線性頻率調(diào)制。即在脈沖持續(xù)時間內(nèi)，信號頻率連續(xù)地線性變化；在接收時采用相應(yīng)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(diào)頻信號頻率變化示意圖。

圖2 線性調(diào)頻信號Fig.2 Linear frequency modulation singal

線性調(diào)頻信號特征的脈沖波形復(fù)數(shù)表示：

其中信號的矩形包絡(luò)為：

式中：fc—載頻；K—調(diào)頻率。經(jīng)分析可知：信號的頻率從線性調(diào)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(shù)后，雷達(dá)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(guān)。雷達(dá)的距離分辨力為也由信號的帶寬決定。隨著發(fā)射脈沖時寬帶寬積的增大，合成孔徑雷達(dá)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(xiàn)了既有遠(yuǎn)的探測距離（高信噪比），也有達(dá)到了高分辨力。

線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮后的波形如圖3 所示。

圖3 線性調(diào)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(dá)的方位分辨力

真實孔徑雷達(dá)的方位分辨力與雷達(dá)的工作頻段、波束寬度和目標(biāo)距離有關(guān)。當(dāng)雷達(dá)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(dá)方位分辨力示意圖。

在距離雷達(dá)R 處目標(biāo)的雷達(dá)方位分辨力可以描述為：

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

式中：θB—波束寬度；λ—雷達(dá)工作波長；λ 為天線尺寸。

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

合成孔徑天線技術(shù)是雷達(dá)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(biāo)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(biāo)的回波信號同相疊加，其結(jié)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(jìn)行方位向壓縮，實現(xiàn)方位向的高分辨力，以達(dá)到一個大孔徑天線系統(tǒng)應(yīng)有的分辨力。圖5 所示為合成孔徑雷達(dá)方位分辨力示意圖。

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

雷達(dá)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(biāo)到離開目標(biāo)，走過的距離為Ls為合成孔徑長為：對于合成孔徑陣天線，應(yīng)考慮波的發(fā)射和接收是雙程傳播，任意兩陣元至目標(biāo)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(dá)的方位分辨力與目標(biāo)所在位置的距離R 無關(guān)，僅由天線實際孔徑?jīng)Q定D 決定，數(shù)值是實際天線孔徑的一半。

4 合成孔徑雷達(dá)的應(yīng)用

合成孔徑雷達(dá)是航空航天技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)和信號處理等諸多高技術(shù)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(dá)，能從空（天）間對地觀測的一種有效手段，能夠產(chǎn)生地面目標(biāo)區(qū)域或地域的高分辨力地圖，提供信息量豐富的雷達(dá)圖像，在軍事領(lǐng)域、民用領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著雷達(dá)成像技術(shù)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(biāo)固定、雷達(dá)平臺直線運動可獲得SAR 圖像，而且當(dāng)雷達(dá)固定不動，目標(biāo)運動（運動規(guī)律已知、未知或機動目標(biāo)） 時獲取目標(biāo)圖像的逆合成孔徑（ISAR） 理論和方法不斷深入，在軍事上應(yīng)用比如非合作目標(biāo)識別等方面具有重要意義。

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