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1、雷达原理论文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： 学号： 指导教师： 完成日期： 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（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）是一种全天候
2、、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
3、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
4、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: 其中为方位分辨率, 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
5、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
6、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
7、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
8、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(UWBSAR)”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
9、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
10、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 E 8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
11、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
12、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
13、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200400MHz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 200400MHz频段必定遭
14、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200400MHz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200400MHz,即中心频率fc=300MHz,带宽B=200MHz,B/fc=66.6%。通常,超宽带定义为B/fc25%。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
15、径雷达领域的新兴技术，数字波束形成技术( Digital Beam-forming，DBF) 和多孔径信号处理技术( Multiple Aperture Processing，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 ( High Resolution Wide Swath，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( Digital Beam-forming，DBF) 和多孔径信号处理技术( Multiple Aperture Processing，MAP) 是提升合成孔径雷达系统性能的有效手段。近些年
