斜視模式機(jī)載合成孔徑雷達(dá)處理原理以及應(yīng)用

孫波 文劉強(qiáng)

摘 要：合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）基本原理是很簡(jiǎn)單的，就是合成孔徑雷達(dá)和需要觀察的目標(biāo)物體之間有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，然后將這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系合成一個(gè)范圍比較大的雷達(dá)孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)成像的目的，當(dāng)然，這也是有要求的，成像必須在方位向有較高的分辨率，目前的研究方向也是如何在方位向上獲得更高的分辨率。

關(guān)鍵詞：合成孔徑雷達(dá)；分辨率；系統(tǒng)

1 斜視機(jī)載雷達(dá)成象原理以及相關(guān)計(jì)算

雷達(dá)的歷史，特別是早期歷史富有傳奇色彩。當(dāng)Budrieri、Burns、Swords等人寫好一批優(yōu)秀的論文之后，雷達(dá)的歷史就隨之開始了。在1886年Heinrich Hertz證實(shí)了無(wú)線電波的傳播。1904年德國(guó)的杜塞爾布市的Huelsmeyer獲得了第一個(gè)雷達(dá)的專利。Huelsmeyer稱他的發(fā)明為“發(fā)射、接收赫茲波的裝置，如在波的投射方向上存在金屬物體如艦船、火車等，該裝置可以示警”。1922年Tayler和Young在華盛頓的海軍實(shí)驗(yàn)室完成了第一部艦船探測(cè)雷達(dá)。1922年Hyland制作了第一部飛機(jī)探測(cè)器。在1941年美國(guó)陸軍的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了接近珍珠港的日軍機(jī)群，但當(dāng)值的軍官認(rèn)為那是假目標(biāo)。二戰(zhàn)期間，英國(guó)的Chain Home雷達(dá)系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)于英國(guó)成功的防御德軍的空襲起了很重要的作用。戰(zhàn)后，雷達(dá)更是飛速發(fā)展，人們制造出了各種類型的雷達(dá)一直延用至今[1]。

合成孔徑可以比喻成蜻蜓的復(fù)眼，是同時(shí)多通道感知不同方位的信息，再經(jīng)過(guò)算法算出高分辨率圖像的。而相控雷達(dá)實(shí)際任意時(shí)刻一般只有多點(diǎn)或一點(diǎn)被掃描，相對(duì)合成孔徑雷達(dá)速度上會(huì)有差異，如果是在移動(dòng)中去掃描別的大量的目標(biāo)就會(huì)出現(xiàn)距離方位的誤差增大或丟失目標(biāo)的問題。所以飛機(jī)遙感測(cè)地雷達(dá)一般用合成孔徑。

1.1 斜視機(jī)載雷達(dá)成象原理

圖1 合成孔徑雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的幾何示意圖

如圖1所示，設(shè)X軸為現(xiàn)場(chǎng)的中心線，Q為線上的某一點(diǎn)目標(biāo)，載機(jī)以高度H平行于中心線飛行，離中心線的最近距離RB為

當(dāng)載機(jī)位于A點(diǎn)時(shí)，它與Q點(diǎn)的斜距為

式中Xt為點(diǎn)目標(biāo)Q的橫坐標(biāo)

1.2 距離-速度壓縮

我們考慮一個(gè)固定雷達(dá)方向不變的波束觀測(cè)某一區(qū)域。我們意圖獲得回波信號(hào)，此信號(hào)是距離、速度對(duì)時(shí)間的函數(shù)。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，有一個(gè)位于陸地朝向海面的雷達(dá)。我們可以設(shè)定該機(jī)載合成孔徑雷達(dá)擁有一個(gè)不變的PRF（fR），并且發(fā)射的波形是步頻波，也就是說(shuō)該機(jī)載合成孔徑雷達(dá)發(fā)射的是多個(gè)脈沖群，這些多個(gè)脈沖群是N（N？叟1）個(gè)單頻率脈沖組成的，在所有的脈沖群中，脈沖的頻率都是依次遞增的，遞增的值是？駐f，機(jī)載合成孔徑雷達(dá)每秒發(fā)射脈沖群的數(shù)量是fR/N個(gè)。每個(gè)脈沖群的帶寬為B，每個(gè)脈寬為τ[2]。在一個(gè)脈沖群中，第n個(gè)獨(dú)立脈沖的頻率由下式給出

作為一種選擇，我們考慮一個(gè)PRF=fR/N的長(zhǎng)度為M的線形調(diào)頻（LFM）脈沖序列。每一個(gè)脈沖組帶寬為B，每一個(gè)脈沖寬度為？子，每一個(gè)脈沖采樣N次。

1.3 SAR模型

圖2 三種SAR模型示意圖

如圖2所示，有三種不同的SAR模式。圖2（b）中帶狀SAR又稱搜索SAR，因在相對(duì)粗略的情況下對(duì)成像范圍有用。圖2（b）中的條形SAR中，我們可以看到機(jī)載合成孔徑雷達(dá)一直保持著波束與飛行路徑一定的角度，然后一直來(lái)看這個(gè)平面的條形區(qū)域。波束經(jīng)常（？茲sq=0）；？茲sq≠0，則稱為斜SAR。

對(duì)于帶狀SAR，孔徑角本質(zhì)等于收發(fā)兩用，實(shí)孔徑，3dB波束寬度？茲3dB：

（4）

（5）

對(duì)于側(cè)面波束，如果？茁～1，則？啄cr？艿D/2。如果D>>？姿，SNR>>1，那么物理天線越小，橫向分辨率越好。

圖2（a）展示聚光SAR用于獲取已知地點(diǎn)或目標(biāo)的相對(duì)清晰分辨率圖象。當(dāng)平臺(tái)經(jīng)過(guò)目標(biāo)，波束方向移動(dòng)以維持指向目標(biāo)。那樣，？駐？茲>>？茲B，？啄cr（spot）<？啄cr（strip）。如果機(jī)載合成孔徑雷達(dá)沿著圓弧來(lái)運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)象物體在圓心的的正下方，聚光SAR數(shù)學(xué)上等同于逆合成孔徑雷達(dá)ISAR。通常聚光SAR站沿直線經(jīng)過(guò)目標(biāo)。從本質(zhì)上與ISAR相同。我們也想當(dāng)目標(biāo)范圍在合成孔徑上方輕微變化時(shí)對(duì)方差糾錯(cuò)[3]。

孔徑時(shí)間（帶狀或聚光SAR成像需要的數(shù)據(jù)）可如下推出：

（6）

其中V是站速。

另一模式是跟蹤（掃描）SAR。所觀察地形不平行于飛行路徑。當(dāng)然，條紋帶不能是無(wú)限長(zhǎng)的了，必須在一定的范圍這內(nèi)，否則導(dǎo)致SNR太小沒有辦法成像。原理上SAR波束可描述地面復(fù)雜形式；然而進(jìn)程快速難度超出其優(yōu)點(diǎn)。

2 斜視機(jī)載雷達(dá)成象的應(yīng)用與發(fā)展方向

應(yīng)用情況：一切的科技成果最后一定要能夠應(yīng)用到實(shí)際生活當(dāng)中，合成孔徑雷達(dá)成象技術(shù)也是這樣的，因?yàn)楹铣煽讖嚼妆绕鹪缙诘钠胀ɡ走_(dá)，有許多他們不具備的功能和優(yōu)勢(shì)，所以也就有更多更廣的用途，這些用途都是基于合成孔徑雷自身的優(yōu)點(diǎn)和功能的基礎(chǔ)上，如合成孔徑雷達(dá)非常強(qiáng)大的穿透力和較高分辨率成像能力，我們就合成孔徑雷主要的應(yīng)用領(lǐng)域，即民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域來(lái)進(jìn)行介紹與分析[4]。

（1）民用領(lǐng)域。機(jī)載合成孔徑雷達(dá)容易實(shí)現(xiàn)較高的分辨力。當(dāng)然，通常對(duì)于民用領(lǐng)域的合成孔徑雷達(dá)的分辨率不是太高，一般的就在10mX10m，就是方位和距離的乘積在這個(gè)范圍就可以了[5]。

二維成像合成孔徑雷達(dá)民用領(lǐng)域有：a.水文學(xué)應(yīng)用（例如水災(zāi)區(qū)實(shí)時(shí)成像）；b.農(nóng)作物監(jiān)測(cè)和森林監(jiān)測(cè)；c.降雨量估計(jì)；d.土壤含水量估計(jì)和冬季積雪面積判斷；e.大城市及其四周城鎮(zhèn)的規(guī)劃布局；f.對(duì)海洋中船只監(jiān)測(cè)和海難救援。

（2） 軍用領(lǐng)域。軍用合成孔徑雷達(dá)要求的分辨力高，帶條成像1.0m×1.0m，聚束成像0.3m×0.3m。就因?yàn)橐筮@么高的分辨率，所以一般是用于戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)的一些偵查，有利于軍隊(duì)對(duì)于未知戰(zhàn)場(chǎng)的全面了解，減少人為探測(cè)的這種不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

二維成像的主要軍用領(lǐng)域有[6]：a.探測(cè)敵方縱深軍情；b.偵察敵方炮兵陣地、坦克和部隊(duì)結(jié)集區(qū)；c.偵察敵方較前沿機(jī)場(chǎng)和場(chǎng)內(nèi)飛機(jī)類型；d.從地雜波中發(fā)現(xiàn)敵方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在這段時(shí)間的研究學(xué)習(xí)中，從早期的雷達(dá)到現(xiàn)在各種各樣的雷達(dá)，發(fā)展是迅速的，從單一的作用到多重的作用，從簡(jiǎn)單粗糙到復(fù)雜精確，是前輩們揮灑著智慧的汗水，高舉創(chuàng)新的旗幟的結(jié)果，作為繼承上一輩成果的我們，有義務(wù)將這些成果繼續(xù)發(fā)展下去，合成孔徑雷達(dá)也會(huì)近幾年發(fā)展的熱點(diǎn)，值得我們繼續(xù)發(fā)展和研究，對(duì)合成孔徑雷達(dá)的了解雖然已經(jīng)不是一知半解，但是就目前的水平，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，未來(lái)合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展會(huì)是怎么樣的，取決于我們研究和努力的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]王敬，季新源.合成孔徑雷達(dá)（SAR）的獨(dú)特功能及發(fā)展概況[J].桂林空軍學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，17（3）：35-38.

[2]孫佳.國(guó)外合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)分析[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，18（1）：67-70.

[3]張直中.合成孔徑雷達(dá)遙感技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子工程師，1997，23（4）：2-11.

[4]譚顯裕.合成孔徑雷達(dá)的特點(diǎn)及其軍用探測(cè)[J].航天電子對(duì)抗，2002（1）：31-35.

[5]全壽文.合成孔徑雷達(dá)的應(yīng)用與發(fā)展[J].外軍電子戰(zhàn)，1999（3）：34-40.

[6]王穎，曲長(zhǎng)文，周強(qiáng).合成孔徑雷達(dá)發(fā)展研究[J].艦船電子對(duì)抗，2008，31（6）：59-61.