無人機(jī)載微小型SAR發(fā)展概述

李秋菊

摘要：無人機(jī)載微小型SAR因其全天候全天時(shí)、零傷亡、機(jī)動靈活和低成本的特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。本文在概述無人機(jī)載微小型SAR技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了無人機(jī)載微小型SAR技術(shù)發(fā)展概況，闡述了國內(nèi)外微小型SAR的典型型號、主要性能指標(biāo)、應(yīng)用及裝備情況。并根據(jù)國內(nèi)外發(fā)展概況，對無人機(jī)載微小型SAR技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá);微小型SAR;無人機(jī)載SAR;無人機(jī)

中圖分類號：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0197-03

0 引言

伴隨著航空、電子、信息及材料等技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)得到長足進(jìn)度，無人機(jī)作為載機(jī)平臺，因其“零傷亡”和機(jī)動靈活的特性，在軍事、民用方面均發(fā)揮著重要的作用。無人機(jī)載 SAR 整合了無人飛行平臺和合成孔徑成像設(shè)備的優(yōu)勢，使無人機(jī)系統(tǒng)具備了全天候全天時(shí)主動探測的能力;同時(shí)SAR的高分辨率、大測繪帶寬的優(yōu)點(diǎn)，使無人機(jī)系統(tǒng)具有更更好的工作效率，便于應(yīng)用，降低了成本;SAR的遠(yuǎn)探測距離、側(cè)向觀測等特點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了無人機(jī)遠(yuǎn)離目標(biāo)進(jìn)行探測、生存能力。因此，對于無人機(jī)載SAR的研究受到了越來越多的關(guān)注。

同時(shí)隨著無人機(jī)載SAR應(yīng)用需求的增加，SAR技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。新體制、新器件、新方法和新型復(fù)合材料等先進(jìn)技術(shù)的采用，使得無人機(jī)載SAR越來越小型化，有的重量更是不足1kg;模式和功能越來越多樣化，從條帶/聚束成像擴(kuò)展至GMTI、廣域搜索和目標(biāo)跟蹤、ISAR成像、干涉SAR成像和多極化成像等;分辨率越來越低，甚至達(dá)到厘米級，可以位戰(zhàn)場決策提供更多準(zhǔn)確可到的情報(bào)信息，也為后期的目標(biāo)識別、自動目標(biāo)檢測提供更多的目標(biāo)特性。

本文對國內(nèi)外無人機(jī)載微小型SAR技術(shù)的現(xiàn)狀及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行概述，給出主要的性能指標(biāo)，并對無人機(jī)載微小型SAR的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。

1 無人機(jī)載微小型SAR技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外無人機(jī)載微小型SAR

進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界上許多國家投入力量研制無人機(jī)載SAR，體積小、重量輕、功耗低的微小型SAR系統(tǒng)更是研究的熱點(diǎn)。

1.1.1 TUAVR

1998年，由諾格公司研制的TUAVR SAR系統(tǒng)，是TESAR的升級型。相比于TESAR而言，同樣工作在Ku波段， 重量不到30kg。在條帶式成像模式下作用距離4～14km，可獲取幅寬800～2400m、分辨率1m的偵察圖像;在聚束式模式下可在不同的入射角形成多個(gè)聚束點(diǎn)的圖像;在動目標(biāo)顯示模式下工作時(shí)，作用距離為15km，分辨率0.3～0.9m，覆蓋360°，目標(biāo)檢測概率75%，虛警概率2%。TUAVR系統(tǒng)，2001年3月在無人機(jī)上試飛成功，同年裝備部隊(duì)。

1.1.2 MiniSAR

2005年，美國Sandia實(shí)驗(yàn)室成功研制了可搭載小型戰(zhàn)術(shù)型無人機(jī)平臺的MiniSAR系統(tǒng)，是對LynxSAR系統(tǒng)的升級，如圖1所示。主要由2個(gè)子系統(tǒng)組成：天線萬向節(jié)組件（AGA）和雷達(dá)電子組件（REA）， 其中AGA包括天線、萬向節(jié)和發(fā)射機(jī)，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收電波;REA包括信號產(chǎn)生器、接收機(jī)和處理器，負(fù)責(zé)生成雷達(dá)信號、控制系統(tǒng)、處理數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成圖像。MiniSAR工作在Ku波段，具有條帶或聚束成像模式，最高分辨率為0.1m、作用距離10～23km、總重量低于12.2kg。2006年10月份，MiniSAR系統(tǒng)搭載在洛·馬公司的小型“天空幽靈”（SkySpirit）戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)上成功進(jìn)行了演示。

1.1.3 BYU μSAR和Micro SAR

美國BYU的學(xué)生于2004年成功地研制了一種工作在X波段和C波段的雙頻、調(diào)頻連續(xù)波SAR-μSAR，天線采用收發(fā)分置，發(fā)射功率為28dBm。

BYU μSAR一個(gè)大小為3cm×3.4cm×4cm的微波傳輸電路板組成，沒有外殼，包括天線和電纜在內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)重不到2kg，如圖2所示。由發(fā)射子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)、供能子系統(tǒng)、數(shù)字顯示子系統(tǒng)和A/D 轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)組成。子系統(tǒng)之間通過金屬線或同軸電纜連接，大量采用市面上通用的模塊降低系統(tǒng)成本。

1.1.4 MISAR

2006年，德國的EADS成功研制了第二代MISAR系統(tǒng)，工作在Ka波段，作用距離2～4km，分辨率為0.5m×0.5m，最大功耗小于40W。系統(tǒng)重量小于4kg，由雷達(dá)前端裝置、數(shù)字處理器和顯示裝置構(gòu)成。雷達(dá)前端裝置由波形產(chǎn)生器、發(fā)射機(jī)、天線和接收機(jī)組成，見圖3左圖;SAR數(shù)字處理機(jī)由A/D轉(zhuǎn)換器、SAR處理器和可選擇的圖像處理機(jī)組成，安置在地面上，見圖3右圖。系統(tǒng)采用小型慣導(dǎo)對運(yùn)動平臺進(jìn)行補(bǔ)償，保證成像效果。

1.2 國內(nèi)無人機(jī)載微小型SAR

而針對于微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的研制，國內(nèi)起步則較晚些，于2010年左右才開始進(jìn)行，但繼承以往豐富經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展迅速。中科院電子所、中國電科38所、理工雷科、中航雷達(dá)與電子設(shè)備研究所等單位，陸續(xù)完成了系統(tǒng)研制，進(jìn)行了大量的機(jī)載SAR實(shí)驗(yàn)，同時(shí)獲得大量的實(shí)際測量數(shù)據(jù)。在無人機(jī)載 SAR高分辨率成像算法和運(yùn)動補(bǔ)償方面成果顯著，精確度為分米級。

中科院電子所研制的MFUSAR系統(tǒng)是一種采用連續(xù)脈沖新體制的微小型SAR系統(tǒng)，可工作在X或Ku頻段，具有高分辨率、干涉成像、全極化成像3種功能。在高分辨率模式下，MFUSAR系統(tǒng)可獲取分辨率優(yōu)于0.3m的圖像;在干涉模式下，MFUSAR系統(tǒng)可獲取精度為2m的3維高程信息;在全極化模式下，MFUSAR系統(tǒng)可獲取4個(gè)極化的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)于2013年完成了研制，并加裝在三角翼、無人機(jī)等飛行器上進(jìn)行試驗(yàn)和測試。圖4和圖5系統(tǒng)獲取的干涉圖像和全極化圖像。

以北京大學(xué)為依托的理工雷科研制的LKR-02-KU系列微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)，可搭載于各種小型無人機(jī)平臺，如圖6左圖所示。系統(tǒng)重量約1kg，工作在Ku頻段，功耗為38W，條帶成像模式下，作用距離為0.5～2km，分辨率達(dá)到0.2m，成像結(jié)果見圖6右圖。

西安電子科技大學(xué)與某單位合作研制了Mini-SAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，2010年進(jìn)行了多次無人機(jī)掛飛實(shí)驗(yàn)，通過自聚焦方法獲得了的高質(zhì)量成像如圖7所示，分辨率為0.15米。

2 無人機(jī)載微小型SAR發(fā)展趨勢

由國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析可知，多功能多模式、高分辨率和多極化等是開展無人機(jī)載微小型SAR研究的熱點(diǎn)方向和未來發(fā)展的趨勢。

隨著無人機(jī)載SAR應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，單一的SAR功能和模式已無法滿足不斷深化的應(yīng)用需求。多功能SAR系統(tǒng)可利用兩副SAR天線接收到同一地面回波信號，通過解算之間的相位差提取地物的三維高分辨率信息;可以通過全極化功能獲取目標(biāo)不同極化狀態(tài)信號的幅度和彼此間的相對相位，提高對目標(biāo)各種信息的獲取能力;通過高分辨率功能提高對目標(biāo)區(qū)域的細(xì)節(jié)獲取能力。多模式是指SAR系統(tǒng)可以獲取不同類型目標(biāo)的位置（運(yùn)動）參數(shù)和雷達(dá)散射特征，從對以往固定目標(biāo)的兩維成像，向著對運(yùn)動、弱散射特征目標(biāo)探測成像和三維立體成像擴(kuò)展。功能和模式的擴(kuò)展也不斷促進(jìn)了SAR圖像信息的精確提取和深度應(yīng)用。

高的分辨率意味著無人機(jī)載SAR系統(tǒng)能夠獲取更豐富的目標(biāo)信息，當(dāng)分辨率達(dá)到0.3 m或以下時(shí)，SAR系統(tǒng)可以獲得接近光學(xué)的圖像效果，目標(biāo)的形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)可更加清晰，從而大大提高目標(biāo)識別能力，更有利于無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

為更好地獲取地物信息要求，通過增加SAR的極化方式實(shí)現(xiàn)，因SAR成像反映的是目標(biāo)的電磁反射特性，其目標(biāo)反射回波的幅度及相位與發(fā)射信號的中心頻率、極化方向都有關(guān)。

3 結(jié)語

無人機(jī)載微小型SAR因其全天候全天時(shí)、零傷亡、機(jī)動靈活和低成本的特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用在軍事與民用領(lǐng)域。美國與歐洲國家大力發(fā)展無人機(jī)載SAR技術(shù)，取得了顯著的成果，搭載有微小型SAR系統(tǒng)的無人機(jī)，成功應(yīng)用于戰(zhàn)場偵察、對抗、攻擊等軍事領(lǐng)域。我國在無人機(jī)載微小型SAR領(lǐng)域也緊跟國際發(fā)展趨勢，研制了應(yīng)用于不同領(lǐng)域的無人機(jī)載SAR系統(tǒng)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域的增加，微小型SAR系統(tǒng)在無人機(jī)遙感領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王巖飛，劉暢，詹學(xué)麗，韓松.無人機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用[J].雷達(dá)學(xué)報(bào)，2016，5（4）：333-349.

[2] 曲長文，何友，龔沈光.機(jī)載SAR發(fā)展概況[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2002，24（1）：1-10.

[3] 張玉玲，王鵬，曲長文.微型SAR發(fā)展?fàn)顩r[J].艦船電子對抗，2008，31（5）：51-55.

[4] 蔡永俊.調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)成像研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，2016.

[5] M.Edwards， D.Madsen， C.Stringham， A.Margulis， and B.Wicks. MicroASAR： A Small， Robust LFMCW SAR for Operation on UAVs andSmall Aircraft[C].in Proc.Int.Geosci.Rem.Sen.Symp.Boston， Mass，July，2008.

[6] E.C. Zaugg， D.L. Hudson， and D.G. Long， The BYU μSAR： A Small，Student-Built SAR for UAV Operation， in Proc. Int. Geosci. Rem. Sen.Symp.， Denver Colorado， pp.411-414， Aug. 2006.

[7] M. Edrich， Design Overview and Flight Test Results of the Miniaturised SARSensor MISAR[J]， in Proc. EuRAD'04， Amsterdam， The Netherlands， Oct.2004：205-208.

[8] De Wit，Meta A，Hoogeboom P.First Airborne FM-CW SAR，Campaign-Preliminary Results[C].Warszawa，Poland，2004.

[9] Meta， A.，de Wit， J.J.M. and Hoogeboom， P.， Development of a HighResolution Airborne Millimeter Wave FM-CW SAR， European RadarConference， Amsterdam （The Netherlands）， 14-15 October 2004.

[10] 王巖飛，劉暢，詹學(xué)麗，李和平.一個(gè)高精度無人機(jī)載多功能SAR系統(tǒng)[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2013，35（7）：1569-1574.

[11] 高許崗，雍延梅.無人機(jī)載微型SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2014，12（1）：35-38.