合成孔径雷达文献综述

合成孔径雷达文献综述

一、前言

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR) )是一种高分辨力成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。由于其具有克服云、雾、雨、雪的限制对地面目标成像，可以全天时、全天候、高分辨力、大幅面对地观测的特点，引起了各国的高度重视。近年来，随着合成孔径雷达关键技术的不断发展，SAR 成像分辨力不断提高、信号处理能力不断增强、数据传输速率不断增加、设备体积不断减小、质量不断降低，SAR 在军事侦察，打击效果评估和国民经济等领域上尽显优势。

本文主要介绍合成孔径雷达的基本原理、发展历程、技术热点和发展趋势，并对合成孔径雷达在民用及军事方面的应用进行简述。

二、概述

1、基本原理

普通雷达的方位分辨力取决于天线的方位波束宽度，但由于方位波束宽度与天线口径成反比，与雷达工作频率成正比，而天线的尺寸和工作频按距离率均受实际工程实现的限制，因此常规雷达的方位分辨力较低，特别是远距离处的横向距离分辨力更低，远不能满足实际需要。合成孔径雷达就是为提高方位分辨力而产生的一种新的技术，即通过雷达平台的移动，把一段时间内收到的信号进行相干合成，从而获得高的方位分辨力。

1）实孔径成像

雷达在实孔径成像时，是利用实际天线口径产生的窄波束来直接得到方位分辨力的。 假设天线长为x L 的天线，接受来自满足远场条

件且偏离视轴α的点源的回波信号，如图1所示。

其中，3dB α∆为单程半功率波束宽度，λ为雷达工

作波长。则在距离R 处的方位向距离（横向距离）

分辨力为

30.88/a dB x R R L ραλ≈∆≈

由上式可以看出此时方位向距离分辨力与实际孔径天线的长度成反比，与雷达工作波长、雷达斜距成正比，因此要获得高的分辨力，必须利用大口径天线和高的工作频率。但实际工程中，实孔径成像时的方位分辨力即横向距离分辨力是非常差的，需寻找改善方位分辨力的方法。

2）非聚焦合成孔径成像

利用雷达平台产生的虚拟天线则可解决实孔径天

线长度有限的问题。即将一段时间内雷达接收到的信号

按实孔径天线那样进行合成，产生大的合成孔径天线，

以改善雷达的方位分辨力。

假设雷达按直线飞行，速度为V ，累计时间为T ，

对应的合成孔径长度L=VT 。雷达在运动中不断发射并

接收来自纵向距离为R ，横向距离维0x 的点目标回波，

如图2所示。

经过数学分析可确定最大的合成孔径长度为

L VT ==

得到相应的半功率点的方位分辨力为

02a x ρ=≈从屋里概念上讲，雷达工作在非聚焦合成孔径成像方式时，没有对每个回波信号进行相位补偿。因此回波信号之间存在相位差，可以合成的最大孔径必须使回波信号的最大相位差受严格控制，以确保回波信号的有效积累。

成正比。所以与实孔径成像相比，此时的方位分辨力得到了较大的改善。

3)聚焦合成孔径成像

聚焦合成孔径雷达不同于上述非聚集合成孔径雷达的地方在于，在成像要对每个回波信号的相位按参考点进行补偿，使得所有回波信号相同，获得较好的积累效果，即所有的回波聚焦在一处。

雷达在聚焦合成孔径成像时，雷达与目标之间的几何关系如图1.2所示。通过数学分析可得半功率点处的方位分辨力为

0.44/a R VT ρλ= （1.1）

在正侧视时，VT 的最大取值是主波束在距离R 处对应的空间长度，即

0.88/x L VT R L λ== （1.2）

x L 为天线真实孔径长度，将式（1.2）代入式（1.1），得

/2a x L ρ= （1.3）

这就是雷达在聚焦合成孔径成像时，所能获得的最佳方位分辨力。由式(1.3)可看出，此时方位分辨力已于波长λ、距离R 无关，从而雷达的方位分辨力得到了很大的改善，这就是合成孔径成像的基本原理。

2、发展历史

空间分辨力是衡量雷达性能的关键指标之一。分辨力越高，雷达所能提供的目标信息越多，从而对军用和民用的作用越大。

1951年6月美国古德依尔宇航公司的威利首先提出最初的频率分析的方法改善雷达的角分辨力，他将其称为多谱勒波束锐化。与此同时，伊里诺斯大学控制系统实验室的一个研究小组采用相干机载侧视面雷达数据，研究运动目标检测技术。

1952年，C. W. Shervin 第一次提出了采用相位校正的全聚焦阵列概念，另外他还提出了运动补偿概念。正是这些新思想最终导致了X －波段相干雷达的研制。

20世纪60年代，合成孔径成像技术由于受到技术水平的限制，SAR 仍采用光学处理，但在处理方法上提出了一种新的极坐标存储格式。该方法可以有效地减缓由于回波信号在距离维的移动超过距离分辨单元造成的问题。

到了20世纪70年代，合成孔径雷达的处理由光学处理转向数字处理，并使实时处理成为可能。Krik 等人为美国空军研制出了世界上第一部真正的数字SAR 处理系统，获得高质量的图像，该系统具有正侧视、斜视和聚束照射三种模式。

20世纪80年代后，除美国外的更多的国家拥有了合成孔径雷达。国际典型载合成孔径雷达见表1。目前，国外机载合成孔径雷达的分辨力达到0.1m ，星载合成孔径雷达分辨力达

到0.3m。

我国从20世纪70年代中期开始研究合成孔径成像技术和SAR系统。到近年研制的机载合成孔径雷达的分辨力优于0.5m。

3、应用情况

由于合成孔径雷达采用了许多先进技术，因而具有许多常规雷达不具有的能力。如: 远距离全天候成像能力、高分辨能力、自动目标识别能力、穿透丛林能力以及机上处理能力。正是由于合成孔径雷达具有了如此多的先进性能，使其在民用与军用领域都能发挥重要的作用。

1）民用领域

机载合成孔径雷达容易实现较高的分辨力。当然，对分辨力的要求要视具体的用途而定。通常民用距离和方位二维分辨力10 m ×10 m 即可。二维成像合成孔径雷达民用领域有: （1）区域性( 例如数十万平方公里) 大面积小比例尺寸全貌图;

（2）水文学应用( 例如水灾区实时成像) ;

（3）农作物监测和森林监测;

（4）降雨量估计;

（5）土壤含水量估计和冬季积雪面积判断;

（6）大城市及其四周城镇的规划布局;

（7）对地面岩石分析，可初步估计地下是否有石油或其它矿产资源;

（8）能对考古作贡献，例如古城市遗迹、黄河故道等;

（9）对海洋中船只监测和海难救援;

（10）高纬度地区海洋中的冰层流动，并判定新生成易破冰层。为更准确满足上列某些要求，现代机载合成孔径雷达均采用多频段多极化的手段。

2）军用领域

合成孔径雷达在军事领域应用广泛，各类星载和机载合成孔径雷达成为监视、侦察的中坚力量。军用合成孔径雷达要求的分辨力高，带条成像1.0 m×1.0 m，聚束成像0.3 m×0.3 m。

二维成像的主要军用领域有:

(1) 探测敌方纵深军情;

(2)侦察敌方炮兵阵地、坦克和部队结集区;

(3)侦察敌方较前沿机场和场内飞机类型;

(4) 侦察敌方交通枢纽，例如火车站及军港;

(5) 经过导弹或飞机轰炸敌方军事设施后评估敌方损失;

(6) 从地杂波中发现敌方运动目标。

4、技术研究热点