合成孔徑雷達(dá)的簡介及軍事應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)成像技術(shù)在國防和軍事領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，為軍隊(duì)信息化建設(shè)提供了有力的支撐?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達(dá)如同是無形的眼睛，成為軍事情報(bào)偵察和搜集的最重要手段，能否有效探測敵方軍事部署的詳細(xì)信息，成為戰(zhàn)爭前期冷交鋒的主要焦點(diǎn)，偵察與反偵察，干擾與抗干擾都是在沒有硝煙的戰(zhàn)場上進(jìn)行的激烈戰(zhàn)斗，所以通過雷達(dá)成像技術(shù)獲取高分辨率的直觀偵測圖像信息便成為現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中兵家必爭的無形高地。但是想要在萬米高空甚至是太空中實(shí)現(xiàn)對坦克等小尺寸武器裝備的觀測，傳統(tǒng)雷達(dá)是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)雷達(dá)獲取地面目標(biāo)的分辨率與天線的尺寸和雷達(dá)的發(fā)射功率呈正比，要想獲取較高的分辨率圖像，就需要不斷增加天線的尺寸或者雷達(dá)的發(fā)射功率。以普通機(jī)載火控雷達(dá)常用的X 波段為例，它的波長大約是3 厘米，要想探測坦克大小尺寸的目標(biāo)，至少要達(dá)到1.5 米的分辨率，如果用傳統(tǒng)雷達(dá)探測，則天線長度要達(dá)到400 米左右，如此大的天線不但飛機(jī)上難以安裝，就是地面也很難實(shí)現(xiàn)。20 世紀(jì)50 年代，美國特異公司的卡爾?威利（Carl Wiley）發(fā)現(xiàn)，通過多普勒頻移處理后，在不增大雷達(dá)尺寸的條件下，可實(shí)現(xiàn)高分辨率雷達(dá)成像，這就是合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）最早的雛形。美國是最早開始SAR 成像技術(shù)研究的國家，1981 年11 月，他們發(fā)射的SAR-A 衛(wèi)星探測出撒哈拉沙漠中的地下古河道，揭示了合成孔徑雷達(dá)能夠穿透地表獲取地下信息這一重要特性，這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)對軍事偵察行動(dòng)來說簡直是如虎添翼，那些掩藏于地下或者植被下的武器裝備從此便失去了保護(hù)罩。隨著科學(xué)家對SAR 成像技術(shù)不斷探索研究，后期還發(fā)現(xiàn)SAR 不僅可以穿透云層和偽裝物進(jìn)行夜間成像，實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)全天候持續(xù)觀測，甚至能識別出材料屬性、濕度等相關(guān)信息，從而獲取在光學(xué)成像中不明顯的高價(jià)值信息，這些特性迅速引起了全世界科研人員特別是軍事科研人員的濃厚興趣，其研究成果也首先被各國用于軍事偵察領(lǐng)域，其中美國于20 世紀(jì)90 年代發(fā)射的“長曲棍球”合成孔徑探測雷達(dá)衛(wèi)星，憑借其強(qiáng)大的探測能力，幫助美軍在伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭等局部戰(zhàn)爭中搜集了大量軍事情報(bào)，為美軍執(zhí)行精確打擊任務(wù)、制定軍事行動(dòng)計(jì)劃提供了有力的支撐，同時(shí)也將信息化戰(zhàn)爭的概念深入人心，促使各國投入大量人力、物力和財(cái)力用于研究合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)，促使SAR 成像技術(shù)在短短幾十年內(nèi)便得到迅速發(fā)展。作為雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的新產(chǎn)物，合成孔徑雷達(dá)獲取了和千米級孔徑雷達(dá)近乎相同的探測能力，而且打破了傳統(tǒng)雷達(dá)受探測時(shí)間和環(huán)境影響的限制，具備成像清晰、探測力好、抗干擾強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于情報(bào)偵查、精確打擊等軍事領(lǐng)域，并逐漸擴(kuò)展到氣候變化、災(zāi)害評估、農(nóng)作物長勢等民用領(lǐng)域。我國從上世紀(jì)70 年代開始研究合成孔徑雷達(dá)探測技術(shù)，并于1979 年獲得了第一幅合成孔徑雷達(dá)圖像，經(jīng)過科研人員的不懈努力，研究波段已經(jīng)從單一波段發(fā)展到多波段，掃描模式也從從單一條帶模式發(fā)展到條帶、聚束、掃描等模式，分辨率更是從最早的幾十米提高到0.5 米，達(dá)到國際先進(jìn)水平。下圖所示為我國合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星于2015 年7月24 日獲取的西沙永暑島圖像，從圖像中可以清晰地分辨出當(dāng)時(shí)永暑礁擴(kuò)島的全景。

合成孔徑雷達(dá)的工作原理

合成孔徑雷達(dá)的基本原理就是利用雷達(dá)與目標(biāo)的相對運(yùn)動(dòng)，將小尺寸真實(shí)天線獲取的接收信號的振幅與相對發(fā)射信號的相位疊加起來，再通過后期的數(shù)據(jù)處理，合成一個(gè)等效的合成孔徑天線的接收信號，從而獲得與大尺寸天線雷達(dá)相同的觀測效果。其探測的過程類似于“多軌道錄音”，就像一位通曉各種樂器的演奏家，將他演奏的各種樂器錄下來，再將這些聲音合成在一起，最終成了個(gè)人演奏交響樂。與大多數(shù)常規(guī)雷達(dá)一樣，合成孔徑雷達(dá)測定距離的方式也是通過發(fā)射電磁脈沖和接收目標(biāo)回波之間的時(shí)間差來計(jì)算的，所以合成孔徑雷達(dá)的分辨率與所發(fā)射的電磁脈沖的寬度、電磁脈沖發(fā)射的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，發(fā)射的電磁脈沖寬度越寬，分辨率越低，反之，分辨率越高。目前，大部分國家的合成孔徑雷達(dá)主要安裝在各型號飛機(jī)和衛(wèi)星上，前者稱為機(jī)載合成孔徑雷達(dá)，后者稱為星載合成孔徑雷達(dá)。由于搭載雷達(dá)的飛機(jī)或者衛(wèi)星平臺的航跡不規(guī)則，會(huì)造成圖像散焦，須借助慣導(dǎo)傳感器等設(shè)備對天線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行糾正補(bǔ)償。為達(dá)到以上要求，搭載合成孔徑雷達(dá)的飛機(jī)必須以側(cè)視方式工作，在一個(gè)孔徑長度內(nèi)發(fā)射相干信號，同時(shí)接收天線獲取接收信號并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到二維灰度觀測圖像。雷達(dá)所獲取圖像像素的亮度與接收被觀測區(qū)域反射的能量成正比，接收反射能量的總量稱為雷達(dá)截面積，對此雷達(dá)截面積進(jìn)行歸一化后便得到雷達(dá)后向散射的程度，用分貝(dB) 表示，目前，地球表面歸一化雷達(dá)截面積的區(qū)間為: 最亮+5dB，最暗-40dB。

2015 年我國合成孔徑雷達(dá)獲取的西沙永暑島圖像

合成孔徑雷達(dá)的軍事應(yīng)用

由于合成孔徑雷達(dá)是以微波工作方式獲取目標(biāo)信息，因此受到外界環(huán)境因素小，基本不受太陽光照、氣候條件等環(huán)境因素的影響，能夠?qū)Φ剡M(jìn)行全天時(shí)、全天候的不間斷觀測，更為突出的是它能夠?qū)﹄[藏于地表和植被下面的物體進(jìn)行準(zhǔn)確探測，從而獲取地表以下物體的信息。這些得天獨(dú)厚的特點(diǎn)，使其在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用有以下兩個(gè)方面：一是用于軍事情報(bào)偵察。合成孔徑雷達(dá)通過斜視照射的方式對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行探測，這就保證了在探測敵方相關(guān)軍事情報(bào)時(shí)不越過敵方邊界就可以獲取所需要的信息，在安全上有極大的保障。從戰(zhàn)爭的發(fā)展階段來說，合成孔徑雷達(dá)在任何一個(gè)階段都可以發(fā)揮重要的信息支撐作用。在戰(zhàn)爭初期，可以通過合成孔徑雷達(dá)對敵方軍事部署進(jìn)行先期偵查，便于我方制定有針對性的作戰(zhàn)計(jì)劃；在戰(zhàn)爭進(jìn)行階段，可以通過合成孔徑雷達(dá)對敵我雙方的作戰(zhàn)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，便于指揮員掌握全局態(tài)勢，制定進(jìn)攻或者防御策略；在戰(zhàn)爭結(jié)束后，可以通過合成孔徑雷達(dá)對軍事目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行評估，對敵我雙方的戰(zhàn)損比進(jìn)行測算，對作戰(zhàn)策略的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。在當(dāng)前的練兵備戰(zhàn)中，合成孔徑雷達(dá)也可以對演習(xí)對抗的效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和評定，為我們提供可靠的信息支撐，從而優(yōu)化演訓(xùn)方案，提高練兵備戰(zhàn)的實(shí)效性。二是用于軍事精確打擊。機(jī)載合成孔徑雷達(dá)具備造價(jià)成本低廉、便于操作可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，使其通過小天線獲取高分辨率探測圖像的優(yōu)勢在戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)等機(jī)載平臺上得到廣泛應(yīng)用，為無人機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)展對地偵察，提高攻擊能力提供了有效途徑。近年來，大多數(shù)國家戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)升級，基本上都增加了合成孔徑工作模式，在此工作模式下，機(jī)載的火控雷達(dá)實(shí)際上就成為了一部合成孔徑雷達(dá)，戰(zhàn)機(jī)可以借助合成孔徑雷達(dá)所具備的優(yōu)勢，快速探測到地面的小型目標(biāo)，便于戰(zhàn)機(jī)對地實(shí)施精確打擊，使戰(zhàn)斗機(jī)具備了全天時(shí)全天候?qū)Φ毓裟芰Γ@對軍用戰(zhàn)斗機(jī)的打擊效能來說是質(zhì)的飛躍?？梢?，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，對提升各國的軍事實(shí)力有著非常重要的意義。

未來展望

未來的合成孔徑雷達(dá)將會(huì)進(jìn)一步克服傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)對于信號/數(shù)據(jù)處理要求高、探測模式單一等約束條件的影響，呈現(xiàn)體積小型化、類型多樣化多、模式合成化的發(fā)展趨勢。美國一家專門從事小型合成孔徑雷達(dá)（SAR）研究的ImSAR 公司與一家從事遠(yuǎn)程無人機(jī)開發(fā)的Insitu 公司合作，成功地實(shí)現(xiàn)了重量僅為0.454 千克的世界上最小的納米合成孔徑雷達(dá)(NanoSAR)的原型機(jī)開發(fā)，它將有可能把具有全天候偵察和定位能力的合成孔徑雷達(dá)裝在幾乎所有的機(jī)載平臺上。逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)是一種利用目標(biāo)與雷達(dá)相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多普勒信息進(jìn)行成像的系統(tǒng)，可以對運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)實(shí)施精準(zhǔn)探測，對于探測海上艦船等目標(biāo)具備良好的探測效果。極化合成孔徑雷達(dá)可以通過調(diào)整電磁波在傳播過程中電磁場的方向進(jìn)行不同極化方式的選擇，實(shí)現(xiàn)從不同角度去觀測目標(biāo)的散射特性，獲取更多維的信息，豐富目標(biāo)的散射信息量。通過多極化方式獲取的圖像經(jīng)過合成后可以形成一幅偽彩圖，更易于人眼接收和識別。干涉合成孔徑雷達(dá)通過兩副天線同時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行觀測或一定時(shí)間間隔的兩次觀測，獲取同一地區(qū)具有一定視角差的兩幅復(fù)圖像，利用其干涉相位信息來獲取地面目標(biāo)的三維雷達(dá)圖像，具備更為直觀的視覺效果。除了上述的新型合成孔徑雷達(dá)技術(shù)外，科學(xué)家們還將合成孔徑雷達(dá)圖像與高光譜圖像、紅外探測圖像等進(jìn)行合成研究，綜合各類探測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，從而獲得更適于人眼辨識、更能反映觀測目標(biāo)特性的合成圖像。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)技術(shù)將會(huì)在人類活動(dòng)的各個(gè)方面發(fā)揮越來越重要的作用，特別是在軍事領(lǐng)域大放異彩。我軍正處于信息化發(fā)展的關(guān)鍵階段，要加大人力、物力和財(cái)力的全面投入，強(qiáng)化科研攻關(guān)，迅速占領(lǐng)合成孔徑雷達(dá)技術(shù)研究的戰(zhàn)略高地，為促進(jìn)國防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)，努力現(xiàn)實(shí)兩個(gè)百年目標(biāo)加油助力。