什么是合成孔径雷达?

什么是合成孔径雷达?

[拼音]：hecheng kongjing leida

[外文]：synthetic aperture radar

利用与目标作相对运动的小孔径天线并采用信号处理的方法获得高方位分辨力的相干成像雷达，也称综合孔径雷达。所得到的高方位分辨力相当于一个大孔径天线所能提供的方位分辨力。合成孔径雷达可分为聚焦型和非聚焦型两类。用在飞机上或空间飞行器上可有几种不同的工作模式，最常见的是正侧视模式，称为合成孔径侧视雷达；此外还有斜视模式、多普勒波束锐化模式和定点照射模式等。如果雷达保持相对静止，使目标运动成像，则成为逆合成孔径雷达，也称距离-多普勒成像系统。合成孔径雷达在军事侦察、测绘、火控、制导，以及环境遥感和资源勘探等方面有广泛用途。

发展概况

合成孔径的概念始于50年代初期。当时，美国有些科学家想突破经典分辨力的限制，提出了一些新的设想：利用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高分辨力；用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得高分辨力。50年代末，美国研制成第一批可供军事侦察用的机载高分辨力合成孔径雷达。60年代中期，随着遥感技术的发展，军用合成孔径雷达技术推广到民用方面，成为环境遥感的有力工具。70年代后期，卫星载合成孔径雷达和数字成像技术取得进展。美国于1978年发射的“海洋卫星”A号和 80年代初发射的航天飞机都试验了合成孔径雷达的效果，证明了雷达图像的优越性。

中国于70年代后期开始研制合成孔径雷达。图1和图2是中国科学院电子学研究所研制的机载聚焦型合成孔径雷达遥感试验获得的相片。

基本原理

图3a表示方位向孔径为 D的雷达天线。根据微波天线理论，孔径为D、波长为λ的天线在远场区的波束宽度为

(1)

方位分辨力等于波束宽度 ρa，即间距大于或等于ρa的两个目标是可以分辨的，小于ρa则不能分辨。这是经典衍射限分辨力的概念。它表明非合成孔径雷达的方位分辨力随测绘距离R的增大而降低。在确定R和选定λ以后，要提高方位分辨力就只能加大天线孔径D。图3b为一线性阵列天线，由N个长度为d 的单元天线均匀排列组成。它在远场区的波束宽度即分辨力为

(2)

式中 L为阵的总长度。这是用增加单元天线个数来加大孔径尺寸以提高分辨力的一种途径。图3b中 N个单元天线对远场区来的回波可近似地认为是同时接收并同时在网络里相加的。如果改为用一个天线按时间间隔顺序在N个位置接收，并把先接收到的回波信号存储起来(保存好相位和幅度)，直到在最后一个位置接收完毕后把所有 N个回波信号取出相加。这一过程与 N个单元天线同时接收同时相加的过程本质上没有区别。这是合成孔径概念的萌芽。

图3c表示实现上述概念的一个方案，即飞机沿着x方向做等速直线飞行。机上的雷达小天线A(其方位向孔径为D)，每隔墹T时间间隔向飞机正侧下方发射一脉冲波，地面目标P与航线的垂直距离为R0。根据表达式(1)，天线A在R0处的波束宽度为

(3)

天线在位置x1时发射的电波开始照射目标P，并收到P的第一个回波。随着飞机前进，P将继续处在波束内并散射天线发出的每一脉冲波，直到天线到达位置xn。雷达把接收到的一个一个回波信号按顺序存储起来并进行必要的相位处理和幅度处理，然后使之相加。因此，如果天线 A发射脉冲的时间间隔墹T 选择适当，则A从x1到xn这段长度LS(称为合成孔径长度)就相当于线阵天线的总长度，从而可以得到很高的分辨力。但存在以下两种情况：第一，在线阵情况下，远场区的回波到达不同单元天线的相位差是单程差引起的。在图3c中，回波之间的相位差是往返的双程差引起的。合成孔径天线的有效孔径长度将是线阵天线的两倍。因此，在计算分辨力时合成孔径天线的有效孔径长度应是2LS。第二，根据(3)式，LS是一个大数，其平方自然更大，这就使目标P所在区域不能满足远场条件而不属于远场区，目标回波到达天线处的波前就不是平面波前，而是球面波前。这就必须对每一回波信号进行相位加权，使之同相（图4a）。这一相位处理过程与光学系统中平面光波经凸球透镜后聚焦在透镜焦点处的过程（图4b）相似。透镜的聚焦作用也是相位加权作用。因此，人们把合成孔径雷达中采用相位加权的称为聚焦型合成孔径雷达，其分辨力表达式为

(4)

这一理论证明，实际天线的孔径D越小，方位分辨力越高，而且ρS与距离和波长都无关。因此，一个小孔径天线无论装在飞机上或卫星上，都能得到很高的方位分辨力。

如果对回波信号不进行相位加权，而是直接相加，则有效合成孔径长度将受到限制(图5)而成为

这称为非聚焦型合成孔径雷达。由于往返双程作用，其分辨力为

比较式(1)、(4)和(5)，可以看出ρS＜


＜ρa，即聚焦型合成孔径雷达的分辨力比非聚焦型的好得多，而后者又比非合成孔径雷达好得多。用多普勒频率分析的观点可得到同样的结论和式(4)。

信号处理和雷达框图

聚焦型合成孔径的信号处理可采用匹配滤波或相关技术。匹配滤波过程实质上就包含了相位校正和同相相加两种运算，而相关技术与匹配滤波是等效的。距离向高分辨力是用脉冲压缩技术（见脉冲压缩雷达）获得的。脉冲压缩技术通常包括在发射机里形成时宽-带宽积大的线性调频脉冲，在接收机里也用匹配滤波处理。因此，二维匹配滤波或二维相关的信号处理器是获得高分辨率图像的核心部分。光学信号处理器和数字计算机信号处理器都已成功地应用于合成孔径雷达。

合成孔径雷达（图6）是一种相干雷达，这种雷达对频率和相位稳定性的要求都很严格。对控制载机的不规则运动和对不规则运动带来的相位误差都需要进行补偿，这些都是系统的重要环节。天线必须用三轴稳定平台进行控制。

参考书目

Robert O. Harger， Synthetic Aperture Radar System，Theory and Design，Academic Press，New York，1970.