雷达原理论文 王晓鹏之欧阳歌谷创编.docx

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雷达原理论文王晓鹏之欧阳歌谷创编

雷达原理论文

欧阳歌谷（2021.02.01）

题目：

合成孔径雷达的技术现状，发展

趋势，研究热点及新技术

学院：

电信学院

班级：

11级信息工程信息15班

姓名：

王晓鹏

学号：

2110502119

指导教师：

田春明

完成日期：

2014年11月5日

合成孔径雷达的技术现状，发展趋势，研究热点及新技术

摘要：

合成孔径（SAR）技术作为现代雷达应用中一种较先进的技术，因其全天候、全天时地提供高分辨率的雷达图像而广泛应用于航空。

航天等军事及国民经济的许多领域。

本文简略地介绍了合成孔径雷达的起源、发展、应用，并且对研究的热点于未来的发展趋势做了简单论述。

关键词：

合成孔径；数字成像；数字波束形成技术

1.引言

合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，简称SAR）是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达，它是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法，以真实的小孔径天线获得距离向和方位向高分辨率遥感成像的雷达系统。

合成孔径雷达工作不受大气传播影响和气候影响，能进行远距离探测且具有分辨力高、穿透力强、能有效地识别伪装和穿透掩盖物，成像清晰并且覆盖面积大。

SAR技术的产生最早可追溯到20世纪50年代初，由于军事侦察雷达不断地提高对分辨率的需求，美国科学家首先提出并分析了“合成孔径”的概念。

1957年8月23日，Michigan大学与美国军方合作研究的SAR试验系统成功地获得了第一幅全聚焦的SAR图像。

此后许多国家都拥有了自己的机载SAR，SAR应用也从军事领域拓展到了广阔的民用领域。

1978年5月美国宇航局（NASA）发射了海洋一号卫星（Seasat-A），在卫星上，首次装载了合成孔径雷达，对地球表面1亿km2的面积进行了测绘，标志着SAR技术已成功地进入了空间领域。

此后，星载SAR技术得到了迅速的发展，一系列星载SAR先后升空。

在军事方面，合成孔径雷达主要用于战略侦察、地图测绘地面军事目标，监事战场情况，发现隐蔽和伪装目标，查明地方的兵力部署情况，航空遥感、卫星海洋观测、战场监事、图像匹配制导、动目标指示、伪装识别及检测等。

在民用方面，合成孔径雷达在国土测绘，资源普查、城市规划、资源勘测、深空测绘、抢险救灾环境遥感及天文研究等领域发挥了重要作用。

2.合成孔径雷达的基本原理

合成孔径雷达与普通雷达的不同点在于合成孔径雷达在距离和方位两个方向上都有较高的几何分辨率,而普通雷达只在距离上有较高的分辨率,因此合成孔径雷达对目标具有较好的成像能力。

合成孔径雷达是在随着载体的运动进行工作的。

当雷达载体（飞机、卫星）的运动时,合成孔径雷达工作时按一定的重复频率发、收脉冲,真实天线依次占一虚构线阵天线单元位置。

把这些单元天线接收信号的振幅与相对发射信号的相位叠加起来,便合成一个等效合成孔径天线的接收信号。

图1

普通雷达的方位分辨率计算公式为:

其中ρ为方位分辨率,λ为雷达辐射的电磁波波长,D为天线的方向孔径,R为目标到天线的距离。

由此可见,在目标与雷达天线距离一定时,如果想提高方位分辨率,只有通过减小波长和增大天线孔径来实现。

但这两种方法在实际运用中都有一定的局限性,波长不能无限地减小,而无限地增大天线孔径则更为不现实。

合成孔径雷达突破了普通雷达的分辨极限,它是以电磁波的独立性传播原理和迭加原理为基础,应用计算机技术而发展起来的一种相干雷达。

大孔径雷达一般是有N个天线阵元组成的天线阵列,如图1所示。

它之所以能得到高的分辨率,是因为天线的孔径大,一方面各天线阵元之间相互干涉形成很窄的波束,另一方面目标回波被天线接收后再进行相干迭加的结果。

根据波的独立性传播原理,如果让小天线在图1中的每一个天线阵元位置上分时发射一次电磁波,以代替大孔径天线阵列同时发射电磁波。

然后把从目标返回的每一个回波信号储存起来,再根据电磁波的迭加原理把接收到的回波信号进行迭加,便能得到大天线的结果,这就是合成孔径雷达的基本原理。

合成孔径雷达在采用星载或机载的方式工作,以一定的频率不断地发射和接收电磁波脉冲。

如图1所示,单元天线既发射又接收,先在1位置发射和接收,接着在2位置发射和接收……直到N位置。

1点和N点的位置由信号处理系统控制,这样就形成一个很长的线条状收发天线阵列,得到非常尖锐的合成波束,称为合成孔径。

从而得到极高的方位分辨率。

图1合成孔径雷达的方位分辨率计算公式为:

此时,我们显然发现合成孔径雷达与普通雷达在方位分辨率上的区别,合成孔径雷达的分辨率与波长和目标与天线的距离无关,而只与雷达的孔径尺寸有关。

天线尺寸越小,方位分辨率越高,这与普通雷达的方位分辨率恰恰相反。

因此合成孔径雷达非常适合机载、星载使用。

3.合成孔径雷达的种类及特点

3.1多参数（多频段、多极化和多视角）合成孔径雷达系统

合成孔径雷达系统是利用电磁波作为载体对地物进行测绘的,当合成孔径雷达系统发射不同波段、不同极化的电磁波和电磁波以不同入射角照射地物时,合成孔径雷达系统会接收到不同的地物微波散射信息。

在合成孔径雷达技术迅猛发展的今天,能够得到更大信息量的多参数合成孔径雷达系统越来越受到人们的重视,成为合成孔径雷达系统今后发展的方向。

此外,多参数技术也为雷达的自动识别奠定了坚实的基础。

3.2聚束合成孔径雷达

普通合成孔径雷达的侦察区域会随着载体（飞机、卫星）的移动而移动,形成一个带状侦察区域。

因此无法固定地侦察某一特殊目标。

而采用了聚束技术以后,雷达的天线波束在合成孔径时间内始终锁定某一侦察区域,实现小区域成像,得到比带状合成孔径雷达更高的分辨率。

3.3超宽带合成孔径雷达

“超宽带合成孔径雷达（UWB－SAR）”是20世纪90年代初发展起来的一种新体制雷达,这种雷达是将超宽带技术与合成孔径技术相结合,使其同时具有很高的距离分辨率和方位分辨率。

尤其是工作在UHF/VHF频段的UWB－SAR,还具备穿透叶簇和地表对隐蔽目标探测成像的功能,可用于战场侦察。

3.4干涉合成孔径雷达

传统的合成孔径雷达技术只能获得目标的二维信息,它缺乏获取地面目标三维信息和监测目标微小形变的能力。

通过将干涉测量技术与传统合成孔径雷达技术结合而形成的合成孔径雷达干涉技术（INSAR）提供了获取地面三维信息的全新方法,它通过两副天线同时观测或通过一副天线两次平行观测,获取地面同一景观的复图像对,根据地面各点在两幅复图像中的相位差,得出各点在两次成像中微波的路程差,从而获得地面目标的三维信息。

4.合成孔径雷达技术的应用

4.1目标侦察

目标侦察是军事情报保障的重要组成部分。

由于许多军事目标是用金属材料制成,对电磁波有一定强度的反射作用,容易照射和获得雷达截面积。

如美国在海湾战争中采用“长曲棍球”卫星搭载的合成孔径雷达来侦察伊拉克由金属材料和金属混凝土结构材料筑成的许多军事目标,为美军在海湾战争中实施精确打击起到了重要的作用。

并且合成孔径雷达对树林等遮蔽物具有一定的穿透性,因此具有可见光侦察无法比拟的优势。

另外,与普通光学侦察不同,合成孔径雷达还可以在侧视状态下工作,不需要进入敌方领空或敌方火力打击范围就可以对敌纵深目标实施侦察,因此有较好的安全性。

在1991年的海湾战争中,装备了APY-3相控阵雷达的E8电子侦察机及时侦测到伊军的地面调动,为美国对伊军进行毁灭性打击立下了汗马功劳。

4.2打击效果评估

打击效果评估主要用于攻击结束后的毁伤检验,以便制定下一波次的打击计划。

尤其是导弹突击或空中打击的效果评估。

由于导弹突击或空袭多数发生在战争的初始阶段,地面进攻尚未展开,对敌方情况侦察主要只能依靠空中（空间）平台进行,而合成孔径雷达为此平台提供了一个有力的工具。

此时利用机（星）载合成孔径雷达图像对目标的毁伤情况进行有效的评估具有重要的意义。

飞机（卫星）通过目标上空进行侦察后将数据传回指挥部,根据雷达图像可以对打击效果有一个比较直观、准确的判断,因此能够对下一波次火力的运用做出正确的决策。

例如美国洛克希德马丁公司在2004年9月研制成功的“战区空载侦察系统合成孔径雷达”,它是一个全天候、战术精确雷达系统,能够有效实时接收、处理并传播关键目标数据信息,利用立体数字系统记录图像,通过空载数据传输通道向地面接收站传送数据信息,为美空军提供了全天候目标定位以及空袭打击效果评估。

4.3军事测绘

利用合成孔径雷达对地面进行扫描可以得出电子镶嵌图。

而后对电子镶嵌图进行处理,再利用干涉测量技术便能得到三维地形图。

早在冷战时期美国就利用航天合成孔径雷达绘制了精度为30m的全球三维地图。

利用合成孔径雷达可以定量测绘出地军事地形图,发现敌重要军事设施的区域以及军事目标的位置,并标出各种军事目标及地形等参数。

为作战实施提供了有力的目标保障。

4.4巡航导弹航迹规划

巡航导弹是利用地形匹配的方式引导其飞行的,按要求巡航导弹在攻击前需要对其航迹进行规划。

而对于航迹规划来说首先必须得到航行全程的准确的电子地图。

利用星载（机载）合成孔径雷达成像,得到高精度的电子地图通过数据链传输给巡航导弹。

不仅在航迹规划上,如果在巡航导弹弹体上安装合成孔径雷达,在其飞行过程中就可以利用它测量飞行参数,同时与预先装定的电子地图进行比较,从而修正飞行偏差以便准确命中目标。

4.5伪装识别

在实战中双方往往运用树林等其他伪装方式对己方装备、人员实施伪装。

而利用合成孔径雷达则可以探测被伪装的人员、设施及装备。

在伪装识别中,多数使用200～400MHz的多极化合成孔径雷达,同时用高分辨率的图像来识别树木、车辆和地上人造目标。

但是,在实战中使用200～400MHz频段必定遭受许多大功率电台、移动通信设备、调频广播电视以及常规军用雷达频率的干扰,其干扰程度会使这个频段的合成孔径雷达失去探测和成像的能力。

在恶劣的战场环境条件下,要使合成孔径雷达200～400MHz频段仍然正常探测和成像并提供高质量的反伪装、反隐蔽和反欺骗的图像,必须在雷达中引入抑制射频干扰和信号处理、图像处理技术。

美国林肯实验室研制的UHF合成孔径雷达频带为200～400MHz,即中心频率fc=300MHz,带宽B=200MHz,B/fc=66.6%。

通常,超宽带定义为B/fc>25%。

研制该雷达的目的是提高合成孔径雷达对在掩体内或埋地不深物体的探测能力。

5.合成孔径雷达系统的新概念及关键技术

作为合成孔径雷达领域的新兴技术，数字波束形成技术（DigitalBeam-forming，DBF）和多孔径信号处理技术（MultipleApertureProcessing，MAP）是提升合成孔径雷达系统性能的有效手段。

近些年，许多新型合成孔径雷达概念大多基于上述2个技术中的一个或二者的结合。

其中高分辨宽测绘带（HighResolutionWideSwath，HRWS）合成孔径雷达就是一个非常具有吸引力的新型合成孔径雷达概念。

作为合成孔径雷达领域的新兴技术，数字波束形成技术（DigitalBeam-forming，DBF）和多孔径信号处理技术（MultipleApertureProcessing，MAP）是提升合成孔径雷达系统性能的有效手段。

近些年，许多新型合成孔径雷达概念大多基于上述2个技术中的一个或二者的结合。

其中高分辨宽测绘带（HighResolutionWideSwath，HRWS）合成孔径雷达就是一个非常具有吸引力的新型合成孔径雷达概念。

但是根据传统条带式SAR可知，成像的无模糊幅宽与方位向分辨率是一对相互矛盾的指标。

为了在增加成像幅宽的同时，提升方位向分辨率，HRWS系统利用多孔径处理技术，将接收天线在顺轨方向分割为多个子口径，每个子口径分别对应一个接收通道。

通过这种手段，不仅在方位向实现对一个发射脉冲的多次采样，而且扩展每一个子口径接收信号的多普勒带宽，最后通过多孔径信号的相干处理，形成高分辨率大测绘带的SAR成像，并且突破传统成像模式在成像幅宽和空间分辨率之间的矛盾。

该技术已经在机载试验平台上得到了验证。

5.1合成孔径雷达中的新型DBF概念

DBF和MAP是HRWS成像系统中2个核心的技术，HRWS系统需要构建方位向的大口径天线。

为了避免对天线口径长度需要的无限制增长，国内外提出了许多新型的成像体制和工作模式。

通过将偏置相位中心技术与ScanSAR或TOPS模式相结合的多通道ScanSAR就是一个典型的例子。

在传统的ScanSAR模式下，利用方位向突发模式对多个测绘带进行成像处理，并通过引入宽波束接收和多孔径处理技术，目标是获取400000m成像幅宽和5m空间分辨率的微波图像。

但是，多通道ScanSAR处理方式在对一些目标进行高分辨成像时，回波的多普勒中心频率较高，增加了系统的接收带宽，这是该方法存在的缺陷。

除了多通道ScanSAR模式以外，还有诸多其他的成像方案。

这些方案具有一个共同点，就是它们均同时记录不同方向到达的回波信号，为此，这些方案均通过宽波束发射，然后形成多个俯仰向的窄波束进行接收，从而在不增加天线方位向长度或者不采用方位向突发模式的条件下，扩大成像的测绘带。

除了基于平面相控阵天线的波束控制模式以外，多信道阵列的抛物面天线是近些年提出的一种新型天线模式。

测绘带回波信号以平面波的形式，随着天线视角的扫描依次进入天线，接收端仅需要依次读取对应馈源的信号，就可以实现对回波信号的高增益接收。

这项技术最早是以专利形式提出的，随后NASA/JPL和DLR分别对该项目重新资助。

但是NASA建议利用模拟开关对馈源阵列进行选择，而DLR则认为应该采用数字化的方式进行接收。

模拟的方式具有廉价的优势，但是数字的方法则可以通过多馈源信号的数字化处理提升性能。

使用数字化馈源阵列的方式可以同时构成多波束，但是相比较对平面阵列的直接波束形成，利用抛物面的方式则可以极大的降低运算量，从而实现数字化波束的实时扫描。

5.2高分宽幅星载合成孔径雷达系统

经过多年的理论分析和试验验证，目前新型的DBF－SAR系统以及逐步走向工程实现，2012年欧洲雷达年会上就公开报道了应用DBF技术和有源相控阵天线，实现高分宽幅成像的星载系统的构成方案和相关的技术指标。

新型的高分宽幅星载SAR系统工作频段为X波段，其配备一个3.6m×1.7m口径的有源相控阵天线，可以根据系统参数产生所需要的天线波束，并实现二维电扫，此外，系统还有2个相互垂直的极化通道。

这种结构的有源相控阵天线不具有折叠的功能。

这种结构的有源相控阵天线不具有折叠的功能。

这种星载SAR系统的基本单元是具有数字输出的单元模块（DigitalRadarModule，DRM），每一个单元模块均可视为配备微带有源相控阵子阵的独立SAR系统，整个天线分为16个单元模块（尺寸为0．45m×0．85m），每个DRM均包含有源天线组件（ActiveAntennaModule,AAR），数字信号产生和处理单元（SignalFormerandProcessingUnit,SFPU），而每个AAR中包含集成收发单元和热控系统等。

图2多孔径SAR系统的天线构成示意图

参数

数值

T/R通道总数

1024

垂直极化

512

水平极化

512

单个DRM的T/R收通道数量

64

硬件模块总重量

280kg

全极化模式功耗

6500W

匹配计划模式功耗

5100W

表格1天线系统主要参数指标

当雷达执行成像任务时，所有的DRM同时发射探测信号，而多波束成像体制中，不同波束具有的不同照射方向则是通过控制DRM实现的。

回波信号被所有DRM接收，并进行数字化采样，然后通过多个SFPU模块间的联合处理，完成复杂的数字波形等处理。

整个数字波束形成过程采用流水线的形式进程操作，如图3所示。

图3数字波束形成子系统的处理流程示意图

5.3新型合成孔径雷达体制中的关键技术

基于数字有源相控阵天线的新型合成孔径雷达系统性能优势明显，但是受到宽带数字天线设计、宽带数据传输与处理能力、多维波形编码技术等因素限制，存在许多关键技术需要进一步开展攻关工作。

5.3.1宽带数字收发组件设计技术

宽带数字收发组件是数字化合成孔径雷达的基本单元，是一种全新的微波、模拟与数字电路高度集成的多通道数字化收发模块，单个收发组件同时包含高功率部分和低功率部分，既有模拟部分又有数字部分。

因此，对于宽带数字收发组件而言，高密度系统集成技术、电路结构三维立体化安装、有源变频技术、一体化数字收发技术、电磁兼容技术、自动测试技术、结构与热设计技术等均是需要开展攻关的关键技术。

5.3.2宽带DBF-SAR波束形成与数据处理技术

宽带数字DBF-SAR系统采用数字波束形成方式实现收发波束形成，即通过控制每个辐射单元DDS产生的波形初相来实现发射波束空间合成，通过对每个阵元接收到的信号进行加权实现期望的接收波束。

收发波束形成的波束控制均有通用模块化的波束形成器完成。

DBF-SAR数据量惊人，总的数据率正比于通道数目、信号带宽和观测带宽度，期待大大提高数传系统的传输能力，将数据全部下传到地面再进行处理是非常困难的，因为这种策略与全数字DBF-SAR最终实现同时多任务多模式的目标是相背离的。

因此，数据处理子系统在机上完成实时处理过程是必要的，得到多通道接收数据后，需要进行DBF预处理，从而有效降低系统的数据处理量。

5.3.3数字阵列多维波形编码技术

如何充分优化雷达波束、波形等空、时参数，发挥雷达体制优势是各种新型合成孔径雷达体制的核心内容，最大程度发挥宽带数字化在合成孔径雷达中的应用潜力，以达到性能的最优化。

因此对于同时发射与分时发射，频分正交与码分正交、相位编码与频率编码等不同设计策略需要研究，并能够提出适合部功能以及同时多功能所需求的波形编码。

设计适合多维空间耦合波形编码的信号形式和多维空时编码的实现方法。

5.3.4宽带多通道一致性设计与补偿技术

未来的合成孔径雷达系统系统带宽大、通道多，通道幅频响应和相频响应不一致、延时不一致和定时同步等问题均会对宽带信号数字波束形成产生不利影响。

另外，地面慢速运动目标指示模式对雷达多通道间的相位一致性要求很严格，通道间相位不一致及其变化将严重影响固定杂波对消，从而影响动目标的检测。

因此，必须在系统设计之初，对通道一致性设计和一致性监视与补偿进行深入论证，寻求最优的且工程可实施的通道一致性测试与补偿方法，并充分考虑通道一致性的在线监测与雷达正常工作方式分时工作的时序流程。

参考文献：

[1]吴鸣亚．合成孔径雷达系统的新概念及关键技术[J]．现代雷达，2012，34（11）.

[2]杨淳红．合成孔径雷达技术分析[J]．电子世界，2014，4：

98．

[3]马宇飞，马力，雷伶俐．合成孔径雷达技术及其应用研究[J]．科技创新导报，2009，26：

21-22．

[4]吴一荣，朱敏慧.合成孔径雷达技术的发展现状与趋势[J].遥感技术与应用，2000，15

（2）：

121-123.