無人機載微小型SAR發展概述

李秋菊

摘要：無人機載微小型SAR因其全天候全天時、零傷亡、機動靈活和低成本的特點，受到廣泛關注。本文在概述無人機載微小型SAR技術的基礎上，介紹了無人機載微小型SAR技術發展概況，闡述了國內外微小型SAR的典型型號、主要性能指標、應用及裝備情況。并根據國內外發展概況，對無人機載微小型SAR技術發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：合成孔徑雷達;微小型SAR;無人機載SAR;無人機

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0197-03

0 引言

伴隨著航空、電子、信息及材料等技術的發展，無人機技術得到長足進度，無人機作為載機平臺，因其“零傷亡”和機動靈活的特性，在軍事、民用方面均發揮著重要的作用。無人機載 SAR 整合了無人飛行平臺和合成孔徑成像設備的優勢，使無人機系統具備了全天候全天時主動探測的能力;同時SAR的高分辨率、大測繪帶寬的優點，使無人機系統具有更更好的工作效率，便于應用，降低了成本;SAR的遠探測距離、側向觀測等特點，進一步增強了無人機遠離目標進行探測、生存能力。因此，對于無人機載SAR的研究受到了越來越多的關注。

同時隨著無人機載SAR應用需求的增加，SAR技術也得到了迅猛發展。新體制、新器件、新方法和新型復合材料等先進技術的采用，使得無人機載SAR越來越小型化，有的重量更是不足1kg;模式和功能越來越多樣化，從條帶/聚束成像擴展至GMTI、廣域搜索和目標跟蹤、ISAR成像、干涉SAR成像和多極化成像等;分辨率越來越低，甚至達到厘米級，可以位戰場決策提供更多準確可到的情報信息，也為后期的目標識別、自動目標檢測提供更多的目標特性。

本文對國內外無人機載微小型SAR技術的現狀及相關應用進行概述，給出主要的性能指標，并對無人機載微小型SAR的發展趨勢進行了探討。

1 無人機載微小型SAR技術現狀

1.1 國外無人機載微小型SAR

進入21世紀以來，世界上許多國家投入力量研制無人機載SAR，體積小、重量輕、功耗低的微小型SAR系統更是研究的熱點。

1.1.1 TUAVR

1998年，由諾格公司研制的TUAVR SAR系統，是TESAR的升級型。相比于TESAR而言，同樣工作在Ku波段， 重量不到30kg。在條帶式成像模式下作用距離4～14km，可獲取幅寬800～2400m、分辨率1m的偵察圖像;在聚束式模式下可在不同的入射角形成多個聚束點的圖像;在動目標顯示模式下工作時，作用距離為15km，分辨率0.3～0.9m，覆蓋360°，目標檢測概率75%，虛警概率2%。TUAVR系統，2001年3月在無人機上試飛成功，同年裝備部隊。

1.1.2 MiniSAR

2005年，美國Sandia實驗室成功研制了可搭載小型戰術型無人機平臺的MiniSAR系統，是對LynxSAR系統的升級，如圖1所示。主要由2個子系統組成：天線萬向節組件（AGA）和雷達電子組件（REA）， 其中AGA包括天線、萬向節和發射機，負責發送和接收電波;REA包括信號產生器、接收機和處理器，負責生成雷達信號、控制系統、處理數據并將其轉換成圖像。MiniSAR工作在Ku波段，具有條帶或聚束成像模式，最高分辨率為0.1m、作用距離10～23km、總重量低于12.2kg。2006年10月份，MiniSAR系統搭載在洛·馬公司的小型“天空幽靈”（SkySpirit）戰術無人機系統上成功進行了演示。

1.1.3 BYU μSAR和Micro SAR

美國BYU的學生于2004年成功地研制了一種工作在X波段和C波段的雙頻、調頻連續波SAR-μSAR，天線采用收發分置，發射功率為28dBm。

BYU μSAR一個大小為3cm×3.4cm×4cm的微波傳輸電路板組成，沒有外殼，包括天線和電纜在內整個系統重不到2kg，如圖2所示。由發射子系統、接收子系統、供能子系統、數字顯示子系統和A/D 轉換子系統組成。子系統之間通過金屬線或同軸電纜連接，大量采用市面上通用的模塊降低系統成本。

1.1.4 MISAR

2006年，德國的EADS成功研制了第二代MISAR系統，工作在Ka波段，作用距離2～4km，分辨率為0.5m×0.5m，最大功耗小于40W。系統重量小于4kg，由雷達前端裝置、數字處理器和顯示裝置構成。雷達前端裝置由波形產生器、發射機、天線和接收機組成，見圖3左圖;SAR數字處理機由A/D轉換器、SAR處理器和可選擇的圖像處理機組成，安置在地面上，見圖3右圖。系統采用小型慣導對運動平臺進行補償，保證成像效果。

1.2 國內無人機載微小型SAR

而針對于微小型無人機載SAR系統的研制，國內起步則較晚些，于2010年左右才開始進行，但繼承以往豐富經驗的基礎上發展迅速。中科院電子所、中國電科38所、理工雷科、中航雷達與電子設備研究所等單位，陸續完成了系統研制，進行了大量的機載SAR實驗，同時獲得大量的實際測量數據。在無人機載 SAR高分辨率成像算法和運動補償方面成果顯著，精確度為分米級。

中科院電子所研制的MFUSAR系統是一種采用連續脈沖新體制的微小型SAR系統，可工作在X或Ku頻段，具有高分辨率、干涉成像、全極化成像3種功能。在高分辨率模式下，MFUSAR系統可獲取分辨率優于0.3m的圖像;在干涉模式下，MFUSAR系統可獲取精度為2m的3維高程信息;在全極化模式下，MFUSAR系統可獲取4個極化的數據。該系統于2013年完成了研制，并加裝在三角翼、無人機等飛行器上進行試驗和測試。圖4和圖5系統獲取的干涉圖像和全極化圖像。

以北京大學為依托的理工雷科研制的LKR-02-KU系列微小型無人機載SAR系統，可搭載于各種小型無人機平臺，如圖6左圖所示。系統重量約1kg，工作在Ku頻段，功耗為38W，條帶成像模式下，作用距離為0.5～2km，分辨率達到0.2m，成像結果見圖6右圖。

西安電子科技大學與某單位合作研制了Mini-SAR實驗系統，2010年進行了多次無人機掛飛實驗，通過自聚焦方法獲得了的高質量成像如圖7所示，分辨率為0.15米。

2 無人機載微小型SAR發展趨勢

由國內外發展現狀分析可知，多功能多模式、高分辨率和多極化等是開展無人機載微小型SAR研究的熱點方向和未來發展的趨勢。

隨著無人機載SAR應用領域的拓展，單一的SAR功能和模式已無法滿足不斷深化的應用需求。多功能SAR系統可利用兩副SAR天線接收到同一地面回波信號，通過解算之間的相位差提取地物的三維高分辨率信息;可以通過全極化功能獲取目標不同極化狀態信號的幅度和彼此間的相對相位，提高對目標各種信息的獲取能力;通過高分辨率功能提高對目標區域的細節獲取能力。多模式是指SAR系統可以獲取不同類型目標的位置（運動）參數和雷達散射特征，從對以往固定目標的兩維成像，向著對運動、弱散射特征目標探測成像和三維立體成像擴展。功能和模式的擴展也不斷促進了SAR圖像信息的精確提取和深度應用。

高的分辨率意味著無人機載SAR系統能夠獲取更豐富的目標信息，當分辨率達到0.3 m或以下時，SAR系統可以獲得接近光學的圖像效果，目標的形狀和精細結構可更加清晰，從而大大提高目標識別能力，更有利于無人機載SAR系統的實際應用。

為更好地獲取地物信息要求，通過增加SAR的極化方式實現，因SAR成像反映的是目標的電磁反射特性，其目標反射回波的幅度及相位與發射信號的中心頻率、極化方向都有關。

3 結語

無人機載微小型SAR因其全天候全天時、零傷亡、機動靈活和低成本的特點，能夠廣泛應用在軍事與民用領域。美國與歐洲國家大力發展無人機載SAR技術，取得了顯著的成果，搭載有微小型SAR系統的無人機，成功應用于戰場偵察、對抗、攻擊等軍事領域。我國在無人機載微小型SAR領域也緊跟國際發展趨勢，研制了應用于不同領域的無人機載SAR系統。隨著相關技術的發展及應用領域的增加，微小型SAR系統在無人機遙感領域將發揮重要的作用。

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