合成孔徑雷達的簡介及軍事應用

隨著科學技術的飛速發展，雷達成像技術在國防和軍事領域發揮著舉足輕重的作用，為軍隊信息化建設提供了有力的支撐。現代戰爭中，雷達如同是無形的眼睛，成為軍事情報偵察和搜集的最重要手段，能否有效探測敵方軍事部署的詳細信息，成為戰爭前期冷交鋒的主要焦點，偵察與反偵察，干擾與抗干擾都是在沒有硝煙的戰場上進行的激烈戰斗，所以通過雷達成像技術獲取高分辨率的直觀偵測圖像信息便成為現代信息化戰爭中兵家必爭的無形高地。但是想要在萬米高空甚至是太空中實現對坦克等小尺寸武器裝備的觀測，傳統雷達是無法實現的，因為傳統雷達獲取地面目標的分辨率與天線的尺寸和雷達的發射功率呈正比，要想獲取較高的分辨率圖像，就需要不斷增加天線的尺寸或者雷達的發射功率。以普通機載火控雷達常用的X 波段為例，它的波長大約是3 厘米，要想探測坦克大小尺寸的目標，至少要達到1.5 米的分辨率，如果用傳統雷達探測，則天線長度要達到400 米左右，如此大的天線不但飛機上難以安裝，就是地面也很難實現。20 世紀50 年代，美國特異公司的卡爾?威利（Carl Wiley）發現，通過多普勒頻移處理后，在不增大雷達尺寸的條件下，可實現高分辨率雷達成像，這就是合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）最早的雛形。美國是最早開始SAR 成像技術研究的國家，1981 年11 月，他們發射的SAR-A 衛星探測出撒哈拉沙漠中的地下古河道，揭示了合成孔徑雷達能夠穿透地表獲取地下信息這一重要特性，這個驚人的發現對軍事偵察行動來說簡直是如虎添翼，那些掩藏于地下或者植被下的武器裝備從此便失去了保護罩。隨著科學家對SAR 成像技術不斷探索研究，后期還發現SAR 不僅可以穿透云層和偽裝物進行夜間成像，實現24 小時全天候持續觀測，甚至能識別出材料屬性、濕度等相關信息，從而獲取在光學成像中不明顯的高價值信息，這些特性迅速引起了全世界科研人員特別是軍事科研人員的濃厚興趣，其研究成果也首先被各國用于軍事偵察領域，其中美國于20 世紀90 年代發射的“長曲棍球”合成孔徑探測雷達衛星，憑借其強大的探測能力，幫助美軍在伊拉克戰爭、阿富汗戰爭等局部戰爭中搜集了大量軍事情報，為美軍執行精確打擊任務、制定軍事行動計劃提供了有力的支撐，同時也將信息化戰爭的概念深入人心，促使各國投入大量人力、物力和財力用于研究合成孔徑雷達成像技術，促使SAR 成像技術在短短幾十年內便得到迅速發展。作為雷達技術發展的新產物，合成孔徑雷達獲取了和千米級孔徑雷達近乎相同的探測能力，而且打破了傳統雷達受探測時間和環境影響的限制，具備成像清晰、探測力好、抗干擾強、應用范圍廣等特點，目前已廣泛應用于情報偵查、精確打擊等軍事領域，并逐漸擴展到氣候變化、災害評估、農作物長勢等民用領域。我國從上世紀70 年代開始研究合成孔徑雷達探測技術，并于1979 年獲得了第一幅合成孔徑雷達圖像，經過科研人員的不懈努力，研究波段已經從單一波段發展到多波段，掃描模式也從從單一條帶模式發展到條帶、聚束、掃描等模式，分辨率更是從最早的幾十米提高到0.5 米，達到國際先進水平。下圖所示為我國合成孔徑雷達衛星于2015 年7月24 日獲取的西沙永暑島圖像，從圖像中可以清晰地分辨出當時永暑礁擴島的全景。

合成孔徑雷達的工作原理

合成孔徑雷達的基本原理就是利用雷達與目標的相對運動，將小尺寸真實天線獲取的接收信號的振幅與相對發射信號的相位疊加起來，再通過后期的數據處理，合成一個等效的合成孔徑天線的接收信號，從而獲得與大尺寸天線雷達相同的觀測效果。其探測的過程類似于“多軌道錄音”，就像一位通曉各種樂器的演奏家，將他演奏的各種樂器錄下來，再將這些聲音合成在一起，最終成了個人演奏交響樂。與大多數常規雷達一樣，合成孔徑雷達測定距離的方式也是通過發射電磁脈沖和接收目標回波之間的時間差來計算的，所以合成孔徑雷達的分辨率與所發射的電磁脈沖的寬度、電磁脈沖發射的持續時間有關，發射的電磁脈沖寬度越寬，分辨率越低，反之，分辨率越高。目前，大部分國家的合成孔徑雷達主要安裝在各型號飛機和衛星上，前者稱為機載合成孔徑雷達，后者稱為星載合成孔徑雷達。由于搭載雷達的飛機或者衛星平臺的航跡不規則，會造成圖像散焦，須借助慣導傳感器等設備對天線運動產生的誤差進行糾正補償。為達到以上要求，搭載合成孔徑雷達的飛機必須以側視方式工作，在一個孔徑長度內發射相干信號，同時接收天線獲取接收信號并經數據處理后得到二維灰度觀測圖像。雷達所獲取圖像像素的亮度與接收被觀測區域反射的能量成正比，接收反射能量的總量稱為雷達截面積，對此雷達截面積進行歸一化后便得到雷達后向散射的程度，用分貝(dB) 表示，目前，地球表面歸一化雷達截面積的區間為: 最亮+5dB，最暗-40dB。

2015 年我國合成孔徑雷達獲取的西沙永暑島圖像

合成孔徑雷達的軍事應用

由于合成孔徑雷達是以微波工作方式獲取目標信息，因此受到外界環境因素小，基本不受太陽光照、氣候條件等環境因素的影響，能夠對地進行全天時、全天候的不間斷觀測，更為突出的是它能夠對隱藏于地表和植被下面的物體進行準確探測，從而獲取地表以下物體的信息。這些得天獨厚的特點，使其在軍事領域得到廣泛應用。其主要應用有以下兩個方面：一是用于軍事情報偵察。合成孔徑雷達通過斜視照射的方式對目標區域進行探測，這就保證了在探測敵方相關軍事情報時不越過敵方邊界就可以獲取所需要的信息，在安全上有極大的保障。從戰爭的發展階段來說，合成孔徑雷達在任何一個階段都可以發揮重要的信息支撐作用。在戰爭初期，可以通過合成孔徑雷達對敵方軍事部署進行先期偵查，便于我方制定有針對性的作戰計劃；在戰爭進行階段，可以通過合成孔徑雷達對敵我雙方的作戰情況進行動態監測，便于指揮員掌握全局態勢，制定進攻或者防御策略；在戰爭結束后，可以通過合成孔徑雷達對軍事目標的毀傷效果進行評估，對敵我雙方的戰損比進行測算，對作戰策略的有效性進行檢驗。在當前的練兵備戰中，合成孔徑雷達也可以對演習對抗的效果進行實時監測和評定，為我們提供可靠的信息支撐，從而優化演訓方案，提高練兵備戰的實效性。二是用于軍事精確打擊。機載合成孔徑雷達具備造價成本低廉、便于操作可靠性強等特點，使其通過小天線獲取高分辨率探測圖像的優勢在戰斗機和無人機等機載平臺上得到廣泛應用，為無人機和戰斗機擴展對地偵察，提高攻擊能力提供了有效途徑。近年來，大多數國家戰斗機的雷達升級，基本上都增加了合成孔徑工作模式，在此工作模式下，機載的火控雷達實際上就成為了一部合成孔徑雷達，戰機可以借助合成孔徑雷達所具備的優勢，快速探測到地面的小型目標，便于戰機對地實施精確打擊，使戰斗機具備了全天時全天候對地攻擊能力，這對軍用戰斗機的打擊效能來說是質的飛躍。可見，合成孔徑雷達技術在軍事領域的應用已經十分廣泛，對提升各國的軍事實力有著非常重要的意義。

未來展望

未來的合成孔徑雷達將會進一步克服傳統合成孔徑雷達對于信號/數據處理要求高、探測模式單一等約束條件的影響，呈現體積小型化、類型多樣化多、模式合成化的發展趨勢。美國一家專門從事小型合成孔徑雷達（SAR）研究的ImSAR 公司與一家從事遠程無人機開發的Insitu 公司合作，成功地實現了重量僅為0.454 千克的世界上最小的納米合成孔徑雷達(NanoSAR)的原型機開發，它將有可能把具有全天候偵察和定位能力的合成孔徑雷達裝在幾乎所有的機載平臺上。逆合成孔徑雷達(ISAR)是一種利用目標與雷達相對運動時產生的多普勒信息進行成像的系統，可以對運動的目標實施精準探測，對于探測海上艦船等目標具備良好的探測效果。極化合成孔徑雷達可以通過調整電磁波在傳播過程中電磁場的方向進行不同極化方式的選擇，實現從不同角度去觀測目標的散射特性，獲取更多維的信息，豐富目標的散射信息量。通過多極化方式獲取的圖像經過合成后可以形成一幅偽彩圖，更易于人眼接收和識別。干涉合成孔徑雷達通過兩副天線同時對目標進行觀測或一定時間間隔的兩次觀測，獲取同一地區具有一定視角差的兩幅復圖像，利用其干涉相位信息來獲取地面目標的三維雷達圖像，具備更為直觀的視覺效果。除了上述的新型合成孔徑雷達技術外，科學家們還將合成孔徑雷達圖像與高光譜圖像、紅外探測圖像等進行合成研究，綜合各類探測技術的優點，從而獲得更適于人眼辨識、更能反映觀測目標特性的合成圖像。隨著科學技術的飛速發展，合成孔徑雷達技術將會在人類活動的各個方面發揮越來越重要的作用，特別是在軍事領域大放異彩。我軍正處于信息化發展的關鍵階段，要加大人力、物力和財力的全面投入，強化科研攻關，迅速占領合成孔徑雷達技術研究的戰略高地，為促進國防和軍隊現代化建設，努力現實兩個百年目標加油助力。