合成孔径雷达遥感原理及应用简介(二)

与聚焦系统比较 ,发现非聚焦系统的分辨率与波
长 、斜距相关 ,而聚焦的结果则与波长 、斜距无关 ,仅与
天线孔径有关 。
典型的星载系统 :l～10m λ, ～10cm , Ro ～103 Km 。 采用真实孔径雷达系统 , rar ～5000m ;若采用非聚焦合 成孔径雷达系统 ,结果 rapu ～200m ,仍无法满足实用需 求 ;采用聚焦的合成孔径雷达系统 ,结果为 5m 。
(2) 多普勒波束锐化的观点
①聚焦的多普勒波束锐化方法
最初的合成孔径雷达是由 Carl Wiley 于五十年代
初为军方研制的 ,成果处于保密状态达十多年 ,直到六
十年代后期才解密 。虽然五十年代后期就开始使用
“合成孔径”一词 ,但 Wiley 当时研制的却是叫作多普勒
波束锐化器的装置 。
如图 9 所示 ,雷达飞行速度为 u ,高度为 h ,沿 X 轴
飞行 , 距原点 x r , 雷达位置为 ( x r , O , h) , 目标位置为 ( xt , yt , O) 。波束的半功率等值线为椭园 , 即角度分辨
范围实际上是个窄的扇形波束 。沿航迹方向 , 波束宽度
为βh ,围绕目标的多普勒频率间隔 Δf D 等于多普勒滤 波器带宽 B Df 。
目标的多普勒频率为 f Dt = - 2 u ( X r - Xt) / (λR) ,
越大 ,因而最终聚焦的合成孔径雷达方位分辨率与斜
距无关 。
②非聚焦的合成孔径雷达
上面介绍的合成孔径雷达各阵元信号需进行相位
补偿 ,以便严格进行同相相干叠加 。这种方案大大改
善了方位分辨率 ,但实现的代价也很大 ,设备和算法复
杂 。实践中人们提出一种折衷方法 : 非聚焦的合成孔
径雷达 。所谓非聚焦是将合成孔径阵列长 L 缩短到一
显然 L p = u T ,所以 BDf ≥ u/ L p 。
代入前式
ra
≥ λR 2Lp
, 恰好
Lp
= βhr R
= λR/
l,
这样 rap = l/ 2 ,与前面的合成孔径观点一致 。
②非聚焦的多普勒波束锐化方法
聚焦系统采用跟踪滤波器实现多普勒波束锐化 ,
跟踪滤波器要求中心响应频率随多普勒信号频率变化
机载雷达 ,从近端到远端入射角变化大 , 这个问题尤为
明显 。
在沿飞行方向上 ,是依赖于角度分辨机制 ,因而这
个方向叫作方位向 。该方向上的分辨率叫方位向分辨
率 (Azimut h Resolution) (见图 3) ,其表达式如下 :
ra
=
Rβ
=
coHsθ(
λ )
L
=
λ cosθ
H L
ra :方位向分辨率 ; R : 斜距 ;β: 雷达波束主瓣张角
较大 ,分辨率较差 。
对于一部机载雷达 ,假设其脉宽为 100 纳秒 ,飞行
高度为 5 千米 ,天线波束宽度为 3 毫弧 (也就是说其天
线孔径长约为波长的 300 多倍 ,如对 X 波段雷达 ,波长
为 3cm ,天线长则为 9m) ,可以算出斜距分辨率 rR 约为 15m ,方位向分辨率在 45°角入射时为 21m 。
2. 合成孔径雷达 相对真实孔径雷达而言 ,合成孔径雷同的实现方法源于不 同的观点 。这里我们主要介绍两种观点 ,从不同的角 度阐明 SAR 的原理 ,方法不同 ,但结论是一致的 。 (1) 合成孔径的观点 ①聚焦的合成孔径的观点
图 3 真实孔径雷达的方位向分辨
宽 ; H :飞行器飞行高度 ;λ:雷达波长 ; L :雷达天线真实
孔径长 ;θ:雷达波入射角 。
上式表明 ,方位向分辨率也与入射角度有关 。对于
影像近端 ,入射角较小 ,分辨率较好 ;对于远端 ,入射角
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(Synt hetie Aperture Radar , SAR) 。合成孔径的关键思 想就是通过一定的信号处理方法 ,使得合成孔径雷达 的等效孔径长度相当于一个很大的真实孔径雷达的天 线长 ,从而得以改善方位向分辨率 。
+
Ro) ( R m
-
Ro) ≈ 2 Ro ( R m -
Ro)
则 ( L / 2) 2
=
(
R
2 m
-
R 2o)
≤ Rλo / 8 , 即非聚焦情况
下允许的最大合成孔径 L um ≤ λRo/ 2 。可能的最优分 辨率为 : rapu = (λRo) / (2 L um ) = (λRo) / 2 ,即 rapu = L um 。
方位分 辨 率 大 小 取 决 于 多 普 勒 频 率 滤 波 器 带 宽
BDf 可窄到什么程度 。
波束照射宽度为 L p ,扫过目标的时间为 T 。考虑到 信号在滤波器中建立起来 , 并能与邻近带宽的回波相
区分 ,要求 BDf ≥1/ T ,即带宽应大于信号建立时间的 倒数 ,否则不足以采样 。
盾 ,雷达多采用调频脉冲雷达 。若其滤波器的带宽为 B ,
距离分辨率则为 C/ (2 B ) 。
严格地说 ,上述讨论的是斜距分辨率 , 即沿雷达波
束方向的距离分辨率 , 而用户通常更习惯使用地距分
辨率 。地距分辨率 rGR 与斜距分辨率 rR 的关系为 : rGR = rR/ sinθ,θ为入射角 。在雷达影像上 , 近端入射角小 于远端入射角 ,所以近端的地距分辨率比远端差 。对于
定长度 ,在这种情况下各阵元位相大体上相同 ,可以不
图 8 非聚焦的合成孔径位相关系
各阵元与中心阵元的位相差为 :Φm = 2 k ( R m -
Ro) : 代入上述非聚焦条件可得 : R m - Ro ≤λ/ 16 ;
由三角关系
R
2 m
=
R
2 o
+
(L/
2) 2
, 取近似
R
2 m
-
R
2 o
=
( Rm
知识窗
合成孔径雷达遥感原理及应用简介(二)
曾琪明 焦健
(北京大学遥感与地理信息系统研究所 ,国家遥感中心技术培训部)
三 、合成孔径雷达
要了解合成孔径雷达 ,必须首先从真实孔径机载 侧视雷达 ( Side - Loking Airborne Radar , SLAR) 谈起 。 二者的关键不同在于真实孔径雷达沿轨迹方向的分辨 率受天线孔径的限制 ,而合成孔径雷达通过信号处理 使得这个分辨率大改善 ,且不受天线孔径制约 。
为了克 服 上 述 局 限 , 人 们 发 明 了 合 成 孔 径 雷 达
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图 6 聚焦的合成孔径分辨
平台以速度 U 向前运动 ,在位置 A 波束前沿先遇 到目标 T ,到位置 B 时 ,雷达天线正对着目标 T ,到位置 C 时波束后沿将离开目标 T , 这样合成孔径的总长度
L p 不会超过真实孔径侧视雷达的真实天线的照射宽 度 (βhr R) ,βhr 是真实天线在水平方向或沿航迹方向的 波速角宽 ,下标 r 代表真实孔径 。
图 2 真空孔径雷达的距离向分辨
二个点的回波延迟时差Δt = t2 - t1 = 2 ( R2 - R1) / C , 这个延迟时差必须大于脉宽τ, 回波信号才能被分辨 , 即Δt = 2 ( R2 - R1) / C = 2 rR/ C ≤τ,所以距离分辨率 rR = Cτ/ 2 。
实际应用中 , 为了克服脉冲宽度与峰值功能的矛
将这个结论与真实孔径雷达的结果相比差异非常
大 。真实孔径雷达方位分辨率与λ成正比 ,与天线长度
成反比 ,与斜距成正比 (因此与平台高度成正比) ,要实
现高分辨率必须使用大孔径天线 ; 而聚焦的合成孔径
雷达方位分辨率与天线长成正比 ,要获得高分辨率需
使用小孔径天线 ,而且更重要的是与斜距无关 。这一
结论乍看较难接受 ,但仔细分析 ,斜距越大 ,合成径孔
式进行比较 (符号的定义如前) 。见表 1
表 1 雷达几何分辨率
斜距分辨率 方位向分辨率
真实孔径雷达 非聚焦的合成孔径雷达 聚焦的合成孔径雷达
Cτ或 C 2 2B Cτ或 C 2 2B Cτ或 C 2 2B
做精密的相位校正 。利用图 8 可分析相位差与孔径 L 的关系 。非聚焦的条件是 :相对于孔径中心 ,最大相位 差小于π/ 4 ,则认为不需要进行相位校正 。
图 7 合成孔径雷达的方位向波束宽度
阵元之间相移与两倍行程差相关 ,行程差 Ra - Rb
= ΔX sinβ( 见 图 7) , 位 相 差 ΔΦ = 2 k ( Ra - Rb) =
而变化 ,技术难度高 。而非聚焦合成孔径雷达是采用
固定滤波器 ,中心响应频率不变 ,但带宽必须增大 ,因
而方位分辨率略差 。牺牲了分辨率以换取技术难度的
降低 。结论同前述合成孔径观点一致 ,这里不再赘述 。
3. 雷达几何分辨率小结
前面已介绍了真实孔径雷达 ,聚焦的和非聚焦的
合成孔径雷达的分辨率 ,为清楚起见 ,下面以表格的形
图 2 表示真实孔径雷达的距离向分辨原理 。在垂 直于飞行方向上利用雷达的测距原理 ,目标的分辨取决 于回波的延时 ,所以这个方向的分辨率一般叫做距离向 分辨率 (Range Resolution) 。我们可以利用脉冲雷达的概 念定量分析一下距离分辨率的问题 ,假设雷达脉冲宽度 为τ, 第 一 个 目 标 点 的 回 波 时 间 延 迟 为 t1 = 2 R1/ C ( C :光速) ,第二个点的延迟 t2 = 2 R2 / C ,那么这
综合两个方向的分辨率 ,可得分辨单元面积 (图 4)
rGR ·ra
=
sirnRθ·coλsθ(
H L
)
=
2sinCθτλcosθ(
H) L
=
siCnτ2λθ(
H) L