機動合成孔徑雷達成像研究現狀與發(fā)展趨勢

馬彥恒,侯建強

(陸軍工程大學石家莊校區(qū) 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(qū)域的打擊，需要經過爬升、平飛、規(guī)避與俯沖等多個階段的運動，尤其是在平飛、規(guī)避和俯沖階段，都需要SAR平臺對目標區(qū)域進行匹配和監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)可向側向旋轉或向前方直視，能夠實現常規(guī)地形規(guī)避[4]。美國相關單位還進行了動態(tài)戰(zhàn)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(tǒng)[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(tǒng)[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(tǒng)，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(lián)合開發(fā)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(zhàn)。

SAR能夠發(fā)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(fā)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(zhàn)術動作完成的，主要體現在非勻速平飛、俯沖和規(guī)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(zhàn)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(fā)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(fā)展起來，城鄉(xiāng)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(guī)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(fā)展起來的情況下，農民對生活環(huán)境也提出了比較高的要求。由此，合理的規(guī)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(fā)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(fā)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(fā)射和接收裝置分別處于不同的載體平臺中，具備更多優(yōu)勢：成像區(qū)域廣泛，可以多角度觀測；隱蔽性好，抗干擾能力強；節(jié)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(fā)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(zhàn)者”號航天飛機與CV-990飛機構成實驗系統(tǒng)；1992年，由ERS-1號衛(wèi)星與飛機結合搭建了“星-機”雙基系統(tǒng)；1994年由SIR-C雷達與飛機構建成了雙基系統(tǒng)，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(wèi)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(tǒng)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(tǒng)，雙基中存在非勻直平飛運動。

本節(jié)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(fā)射機固定、接收機運動；也可以是接收機固定、發(fā)射機運動。前一種情況，發(fā)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(jié)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(qū)的監(jiān)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(fā)射的波束需要嚴格控制，以確保發(fā)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(fā)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(wěn)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(wèi)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(wèi)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(fā)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(tǒng)SAR成像能力的一種擴展。它們都是對傳統(tǒng)成像條件的一種突破。本節(jié)從平臺特性以及發(fā)展需求的角度分析發(fā)展方向。

2.1 無人機載機動SAR的發(fā)展

SAR在機動戰(zhàn)術飛機上的應用可以追溯到1982年，John N.Damoulakis 等對機動戰(zhàn)術飛機上的SAR運動補償系統(tǒng)的分析[22]。近些年來，無人機的發(fā)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(fā)展的重要方向。無人機的成熟發(fā)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(fā)展，也要求SAR向輕型化、小型化發(fā)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)(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(tǒng)

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(jiān)測等領域得到較大發(fā)展，也是現代作戰(zhàn)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(fā)展，“察打一體化”、“即發(fā)現即打擊”、“偵察常態(tài)化”模式是無人機發(fā)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?？梢圆捎孟辔惶荻群妥钚§氐姆椒ㄌ幚韴D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(fā)展

雙/多基地SAR的發(fā)射和接收裝置分別處于不同的載體平臺中，具備更多優(yōu)勢：成像區(qū)域廣泛，可以多角度觀測；隱蔽性好，抗干擾能力強；節(jié)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(xié)同作戰(zhàn)等方面具有潛在的體制優(yōu)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(zhàn)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(xié)同雙基地 SAR 成像是未來的重要發(fā)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)”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(fā)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(fā)展也值得關注。結合圓跡SAR和曲線SAR的發(fā)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(fā)展趨勢。新體制和硬件的發(fā)展，能夠提高機動SAR的適應能力和成像效果。

3 結論

從作戰(zhàn)要求角度考慮，戰(zhàn)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(fā)展的必然方向。轉換到技術領域，戰(zhàn)場生存能力對SAR應用的發(fā)展提出了快速、實時以及多作戰(zhàn)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(fā)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(fā)展；信息獲取質量則要求SAR向著高分辨、超分辨的方向發(fā)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(fā)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(fā)展的要求。因此，未來SAR的發(fā)展必將由“平臺適應型”向“適應平臺型”轉變，也更加智能、高效。