對機(jī)載合成孔徑雷達(dá)的研究

[摘要]合成孔徑雷達(dá)利用微波遙感技術(shù)探測地面物態(tài)，是一種通用的偵察、監(jiān)視和目標(biāo)瞄準(zhǔn)方法。論述SAR的應(yīng)用現(xiàn)狀、簡要工作原理、性能優(yōu)勢和發(fā)展難點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]合成孔徑雷達(dá) 機(jī)載雷達(dá) 技術(shù)發(fā)展水平

中圖分類號：TN95文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0320103－01

一、前言

合成孔徑雷達(dá)是我國科研計(jì)劃的一項(xiàng)重大研究成果。它利用微波遙感技術(shù)，可全天候?qū)Φ孛嫖飸B(tài)進(jìn)行探測，通過數(shù)字處理變成逼真的圖像。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展多年來一直處于高度保密狀態(tài)。近年來，SAlt已成為世界注目的焦點(diǎn)。

二、合成孔徑雷達(dá)工作原理

像其他大多數(shù)雷達(dá)一樣，機(jī)載SAIl是通過精確測量脈沖發(fā)射和接收到目標(biāo)回波間的時間差來確定距離值的。距離分辨率是利用發(fā)射的脈沖寬度或持續(xù)時間來測定的，最窄的脈沖能產(chǎn)生最優(yōu)的分辨率。在典型的二維SAIl圖像中，距離是沿雷達(dá)平臺的航跡測量的，它只是其中的一個像元。另外一個是方位，與距離保持垂直，方位分辨率與波束寬度成反比關(guān)系。目前，用于恢復(fù)圖像質(zhì)量的技術(shù)包括以下兩種：（1）運(yùn)動補(bǔ)償方法，它使用慣性和導(dǎo)航傳感器來測量真實(shí)天線的運(yùn)動，這種方法在測量高頻運(yùn)射機(jī)，其雷達(dá)圖像就顯得非常明動時效果最佳。（2）自動聚焦，它通過數(shù)據(jù)的重復(fù)處理來產(chǎn)生具有最大對比度的圖像，這種方法在測量低頻運(yùn)動時效果最佳。雖然再聚焦使圖像出現(xiàn)幾何失真，但自動聚焦過程能夠有效地測量產(chǎn)生這種失真的交叉航跡方向上的反射的數(shù)量，入射角是指雷達(dá)波偏移，從而實(shí)現(xiàn)修正。獲得沿航跡方向分辨率的基本技術(shù)同樣有兩種。在帶狀成像模式下，雷達(dá)波束只對平行于平半。聚束照射模式是在如果表面起伏僅為5o'n，雷達(dá)波同一時刻將雷達(dá)波束瞄準(zhǔn)相同的長為l530伽，幾乎就地形區(qū)域，持續(xù)數(shù)十秒，從而獲沒有輻射會后向反射出去；但同得優(yōu)于1m的分辨率。當(dāng)然，聚束模式是以犧牲覆蓋為代價(jià)的，因?yàn)槟軌蛘丈涞膮^(qū)域受到實(shí)際雷達(dá)波束大小的限制。發(fā)射的脈沖為水平或垂直極化，而反射回天線的能量（稱之臺航跡的地形帶進(jìn)行掃描，最大分辨率僅限于真實(shí)天線長度的一為后向反射）極化的取向不定。或垂直可選，在不同頻率上獲得另一方面，在波束接近目標(biāo)時，回波會出現(xiàn)負(fù)的多普勒菝移，在波束遠(yuǎn)離目標(biāo)時則為正倔移。最終的圖像由像素組成，其亮度由相應(yīng)目標(biāo)景象區(qū)域返回的部分發(fā)射能量確定，返回能量的多少取決于雷達(dá)截面。正常情況下，標(biāo)準(zhǔn)平面的RCS值大約在+5dB（最亮?xí)r）和-4odB（最暗時）之間。目標(biāo)RCS值取決于許多因素，包括反射面的特性、種類和方向，潮濕狀況，脈沖極化，天線的相對角度和雷達(dá)的頻率等。在某些特殊情況下，平直且光滑的表面，例如道路或積水的寬闊區(qū)域等，它們的雷達(dá)圖像看起來通常較暗，因?yàn)樗鼈冎荒芤灾苯欠瓷淠芰浚x了發(fā)射機(jī)方向。另外，向接收機(jī)方向傾斜的表面或建筑物群將能量直接反射回發(fā)其雷達(dá)圖像就顯得非常明亮。潮濕會使圖像亮度增加，因?yàn)樗鼘δ繕?biāo)的介電常數(shù)產(chǎn)生了影響。而且，來自某些線性地貌特征，例如柵欄網(wǎng)或海水波浪的后向散射則受到平臺跟蹤角的影響，即入射角的增大會減少后向反射的數(shù)量，入射角是指雷達(dá)波矢量與垂直于地平面的方向間的夾角。粗糙的表面可能會在所有方向上反射能量，所以它們的圖像亮度比較適中。但是，表面的粗糙程度是相對雷達(dá)波長而言的。如果表面起伏僅為5o'n，雷達(dá)波長為l530伽，幾乎就沒有輻射會后向反射出去；但同樣的表面起伏程度在x波段（2.43．8o'n波長）雷達(dá)上的圖像則要明亮得多。德國宇航研究中心（DLR）對實(shí)驗(yàn)型SAR（E-SAR）做過測試，雷達(dá)的工作波段包括P、L、C和x波段，天線極化為水平的圖像表明：L波段上可見的草叢中的跑道在更低頻率圖像上并不明顯；而X波段回波對表面粗糙程度更加靈敏，但對比度相對較低。后向反射能量的極化同樣會影響接收機(jī)的檢測能力。因此SAIl可以根據(jù)它們在水平（H）和垂直（V）極化時的發(fā)射和接收能力予以分類，某些雷達(dá)能夠在所有4種組合形式下工作．即HH即可以不直接飛越某一地區(qū)而能、W、HV、對該地區(qū)進(jìn)行地圖測繪。

三、合成孔徑雷達(dá)的性能優(yōu)勢

戰(zhàn)斗機(jī)通常把射擊瞄準(zhǔn)雷達(dá)和目標(biāo)識別雷達(dá)裝在飛機(jī)前部，經(jīng)可以達(dá)到0.3mAPG-76雷稱為前視雷達(dá)。由于雷達(dá)天線大小和分辨率高低成正比關(guān)系，所以天線一般做得很大，有的達(dá)10m長。合成孔徑雷達(dá)利用電子掃描的方式來代替機(jī)械式的天線單元輻射，讓小天線也能夠起到大天線的作用。

1．全天候。SAIl能全天候工作，能有效地穿透某些掩蓋物和偽裝。SAIl整天線波束的指向，使波束始終使用的是l3-30cnl的微波波段，“聚焦”照射在同一目標(biāo)區(qū)域。由于微波比可見光和紅外輻射穿透能力更強(qiáng)，所以通常用來探測云霧籠罩著的目標(biāo)，以及深埋于地下或積雪下的物體。大多數(shù)的SAIl都工作于x波段或更高的頻段，這種頻率不能穿透樹葉進(jìn)行探測。UHF波段的雷達(dá)能夠穿透樹葉并能提供比x波段更好的全天候性能。用合成孔徑雷達(dá)探測不含水分的土壤時，可穿透30m的地層探測到深埋在地下的物體。

2．遠(yuǎn)距離。SAR具有防區(qū)外探測能力，到0.66m。美國G-76雷達(dá)也具備更遠(yuǎn)距的工作能力。另外，程中要不斷地調(diào)整天線波束的指與紅外和電光傳感器不同，SAR向，使其始終指向同一塊地面的分辨力與距離是無關(guān)的，它不會隨著距離的增加而降低。

3．高分辨能力。SAR能夠以很高的分辨力提供詳細(xì)的地面測繪資料和圖像，系統(tǒng)和天線慣性測量機(jī)這種能力對于現(xiàn)代偵察任務(wù)至關(guān)重要，也是SAR最值得推崇的優(yōu)越之處。目前SAIl的分辨能力已成像分辨力將會更高。

隨著技術(shù)的迅速進(jìn)步，機(jī)載處理器也有望達(dá)到這樣的運(yùn)算速度。最突出的是雷達(dá)的成像難以解釋，這不是SAR所特有的問題，而是所有雷達(dá)都普遍存在的問題。不同于直觀圖像，人們必須經(jīng)過訓(xùn)練才能確認(rèn)雷達(dá)圖像所否定這種說法，認(rèn)為現(xiàn)在的SAR圖像已經(jīng)非常完美，與普通照片的相像程度已經(jīng)達(dá)到了85％，但是多數(shù)專家們則認(rèn)為，SAR剛剛開始由抽象圖像到直觀圖像的轉(zhuǎn)變。為了最大程度地發(fā)揮SAR的優(yōu)勢，盡量彌補(bǔ)其不足，雷達(dá)越來越多地作為多傳感器系統(tǒng)的一個組成部分與其他傳感器配合使用。目前的一個發(fā)展趨勢是將來自各種不同傳感器的信息，比如來自電光傳感器和來自SAIl的信息融合起來。

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作者簡介：

余松茂，男，湖北漢川人，63816部隊(duì)，研究方向：火箭發(fā)射的跟蹤測量。