合成孔径雷达的应用及工作模式

合成孔径雷达的应用及工作模式

发表时间：2019-12-30T13:24:15.390Z 来源：《科学与技术》2019年 15期作者：李玉泉[导读] 由于合成孔径雷达具有全天时、全天候、多波段、多极化、摘要：由于合成孔径雷达具有全天时、全天候、多波段、多极化、可变侧视角及高分辨率等优点，广泛应用于地形、地貌测绘，地球表面信息获取，地下信息收集，甚至在恶劣的环境下也能以较高的分辨率提供详细的地面测绘数据和图像。

关键词：合成孔径雷达应用工作模式雷达(radar)，源于英文radio detection and ranging的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标，测定目标在空间的位置，因此雷达也被称为“无线电定位”。合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)的概念是1951年6月由美国Goodyear宇航公司的Carl Wiley 首次提出的。SAR是一种主动式微波成像传感器，它利用脉冲压缩技术提高距离分辨率，利用合成孔径原理提高方位分辨率，从而获得大

面积的高分辨率雷达图像。

合成孔径雷达的工作原理是对在平台前进方向的不同位置上所接收的包含相位信息的信号进行记录和处理，得到比实际天线更长的假设天线进行观测的结果。SAR的原始数据是把雷达天线发射出的宽幅脉冲到达地表后的后向散射信号以时间序列记录下来的数据，在原始数据中，来自地表某一点P的后向散射信号被拉长记录到仅相当于脉冲宽度的距离向上。但SAR得到的原始数据还不是图像，只是一组包含强度、相位、极化、时间延迟和频移等信息的大矩阵，需要经过复杂的处理，才能得到通常意义上的图像。

一、合成孔径雷达的特点及应用 SAR遥感技术是从空间对地观测的一种有效手段，自20世纪50年代问世以来，由于比其它雷达具有优势，在国民经济和国防建设中得到了广泛应用。

（一）SAR成像不依赖光照，具有全天候探测能力由于SAR成像不依赖光照，而是靠自己发射的微波，能穿透云、雨、雪和烟雾，具有全天时、全天候成像能力，这是SAR遥感最突出的优势。例如，在X波段，波长为3.2cm时，微波穿过4km浓云后，其强度仅衰减1dB，对地面目标的观测基本没有影响。只有当波长小于1cm时，其影响才较为显著。合成孔径雷达作为一种全天时、全天候的微波成像雷达，是从空间对地观测的一种有效手段，能够产生地面目标区域或地域的高分辨率地图，提供较光学影像信息量更丰富的雷达图像，在军事上可应用于全天候全球战略侦察、全天候海洋军事动态监视、战略导弹终端要点防御的目标识别与拦截、战略导弹多弹头分导自动导引等。在天文学方面，已用SAR获得金星表面的雷达图像，由于它不受行星表面水气云层的影响，在研究其他有大气存在的行星方面也将发挥重要作用。

（二）微波对地表有一定的穿透能力，可进行地下目标探测当电磁波照射到非导电物体表面时，一部分被反射，另一部分进入物体内部。穿透的深度与波长和物质特性有关，波长越长穿透深度越大。例如，在L波段，波长为24cm时，可穿透几十米深的干沙，并可穿透地面植被，有利于探测地面和地下目标。在军事上可应用于地下坑道平台开口的识别、战略地下军事设施的探测等；在矿藏资源探测方面，可进行矿藏资源的探测，具有探测范围广、准确程度高、探测周期短，探测成本低等优点；在水资源应用方面，SAR可用于测定土壤湿度及其分布，估测大面积降雨量，研究湖泊冰覆盖、地面雪覆盖情况，评估水源污染，测定污染区域等；

（三）对金属目标及地表纹理特征有较强的探测能力因大部分军事目标都含有金属材料，因此，许多伪装的目标很容易被SAR发现。可用来成像监视大型坦克群、侦察敌方较前沿机场以及机场内飞机类型、探测反坦克雷达等。由于SAR发射的波束倾斜照射地面，地面的起伏在SAR图像上形成明显的明暗纹理。分析这些纹理特征，对陆地可用来测绘大面积地形图，测定山脉、河流、城市、乡村、道路等地面目标的形状和位置，研究城市、道路、湖泊的分布和变迁，了解道路运输状况等；对海洋可探测海浪、海面风场和水下地形，用来研究大面积海浪特性、海洋及冰山的分布、海洋变迁、海洋污染情况、海藻的生长等；还可用于探测水下潜艇。

（四）具有多极化、可变侧视角及高分辨率等特点，可提高探测和识别能力利用微波信号中的极化信息、相位信息和多普勒信息，可提高SAR的探测能力。微波回波信号中的极化信息可用于提高对目标的分类和识别能力，在灾情探测与防治方面，通过对不同时期SAR图像的分析能迅速把握受灾区域的具体情况，根据灾前、灾中、灾后数据的融合，可对灾情进行较为客观的评估，给抗灾决策提供直观、全面的依据；微波回波信号中的相位信息可用于提取目标的高程信息；微波回波信号中的多普勒信息可用于提取目标的运动参数，实现地面动目标检测。可完成在强杂波背景下的目标识别、低空与超低空目标的探测与跟踪、精密测向与测高、隐形目标散射特性的静态和动态测量等。

二、合成孔径雷达工作模式

根据合成孔径雷达应用不同，可以采取不同的工作模式。

（一）聚束模式

在这种模式下，SAR在运行过程中不断地调整波束的指向，使得其主瓣波束始终指向地面的某一目标，这种模式的最大特点是分辨率比较高，一般分辨率都小于1m，但测绘带比较窄，一般是10km 左右。这种模式也称详查模式。目前合成孔径雷达分辨率已经达到0.1m数量级，可以分辨运动中的汽车及飞机型号，并能识别地面“特殊设施”。

（二）条带模式

在这种模式下，SAR的波束始终以一个固定的下视角指向地面，随着平台本身的移动，在地面上会形成一个测绘带，这种模式就叫条带工作模式。条带工作模式大多采用的是正侧视，它的波束指向和运动方向是垂直的，在这种模式下，它的分辨率大致在1～5m之间，测绘带宽度为10km～100km，比聚束模式要宽。这种模式也称普查模式。

（三）扫描模式

SAR在运行过程中通过调整它的波束指向，使得主瓣波束在不同的子测绘带之间调整或者变换，而在每一个子测绘带之内，它相当于是一种条带工作模式，所以这种工作模式类似一种组合的工作模式，这种模式大多用于民用资源的勘探和勘察，它的分辨率比较差，一般在10m以上，测绘带宽度大于100km。