[拼音]：hecheng kongjing leida

[外文]：synthetic aperture radar

利用與目標(biāo)作相對運(yùn)動(dòng)的小孔徑天線并采用信號(hào)處理的方法獲得高方位分辨力的相干成像雷達(dá)，也稱綜合孔徑雷達(dá)。所得到的高方位分辨力相當(dāng)于一個(gè)大孔徑天線所能提供的方位分辨力。合成孔徑雷達(dá)可分為聚焦型和非聚焦型兩類。用在飛機(jī)上或空間飛行器上可有幾種不同的工作模式，最常見的是正側(cè)視模式，稱為合成孔徑側(cè)視雷達(dá)；此外還有斜視模式、多普勒波束銳化模式和定點(diǎn)照射模式等。如果雷達(dá)保持相對靜止，使目標(biāo)運(yùn)動(dòng)成像，則成為逆合成孔徑雷達(dá)，也稱距離-多普勒成像系統(tǒng)。合成孔徑雷達(dá)在軍事偵察、測繪、火控、制導(dǎo)，以及環(huán)境遙感和資源勘探等方面有廣泛用途。

發(fā)展概況

合成孔徑的概念始于50年代初期。當(dāng)時(shí)，美國有些科學(xué)家想突破經(jīng)典分辨力的限制，提出了一些新的設(shè)想：利用目標(biāo)與雷達(dá)的相對運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移現(xiàn)象來提高分辨力；用線陣天線概念證明運(yùn)動(dòng)著的小天線可獲得高分辨力。50年代末，美國研制成第一批可供軍事偵察用的機(jī)載高分辨力合成孔徑雷達(dá)。60年代中期，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，軍用合成孔徑雷達(dá)技術(shù)推廣到民用方面，成為環(huán)境遙感的有力工具。70年代后期，衛(wèi)星載合成孔徑雷達(dá)和數(shù)字成像技術(shù)取得進(jìn)展。美國于1978年發(fā)射的“海洋衛(wèi)星”A號(hào)和 80年代初發(fā)射的航天飛機(jī)都試驗(yàn)了合成孔徑雷達(dá)的效果，證明了雷達(dá)圖像的優(yōu)越性。

中國于70年代后期開始研制合成孔徑雷達(dá)。圖1和圖2是中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研制的機(jī)載聚焦型合成孔徑雷達(dá)遙感試驗(yàn)獲得的相片。

基本原理

圖3a表示方位向孔徑為 D的雷達(dá)天線。根據(jù)微波天線理論，孔徑為D、波長為λ的天線在遠(yuǎn)場區(qū)的波束寬度為

　　 (1)

方位分辨力等于波束寬度 ρ_a，即間距大于或等于ρ_a的兩個(gè)目標(biāo)是可以分辨的，小于ρ_a則不能分辨。這是經(jīng)典衍射限分辨力的概念。它表明非合成孔徑雷達(dá)的方位分辨力隨測繪距離R的增大而降低。在確定R和選定λ以后，要提高方位分辨力就只能加大天線孔徑D。圖3b為一線性陣列天線，由N個(gè)長度為d 的單元天線均勻排列組成。它在遠(yuǎn)場區(qū)的波束寬度即分辨力為

　　　 (2)

式中 L為陣的總長度。這是用增加單元天線個(gè)數(shù)來加大孔徑尺寸以提高分辨力的一種途徑。圖3b中 N個(gè)單元天線對遠(yuǎn)場區(qū)來的回波可近似地認(rèn)為是同時(shí)接收并同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)里相加的。如果改為用一個(gè)天線按時(shí)間間隔順序在N個(gè)位置接收，并把先接收到的回波信號(hào)存儲(chǔ)起來(保存好相位和幅度)，直到在最后一個(gè)位置接收完畢后把所有 N個(gè)回波信號(hào)取出相加。這一過程與 N個(gè)單元天線同時(shí)接收同時(shí)相加的過程本質(zhì)上沒有區(qū)別。這是合成孔徑概念的萌芽。

圖3c表示實(shí)現(xiàn)上述概念的一個(gè)方案，即飛機(jī)沿著x方向做等速直線飛行。機(jī)上的雷達(dá)小天線A(其方位向孔徑為D)，每隔?T時(shí)間間隔向飛機(jī)正側(cè)下方發(fā)射一脈沖波，地面目標(biāo)P與航線的垂直距離為R₀。根據(jù)表達(dá)式(1)，天線A在R₀處的波束寬度為

　　 (3)

天線在位置x₁時(shí)發(fā)射的電波開始照射目標(biāo)P，并收到P的第一個(gè)回波。隨著飛機(jī)前進(jìn)，P將繼續(xù)處在波束內(nèi)并散射天線發(fā)出的每一脈沖波，直到天線到達(dá)位置x_n。雷達(dá)把接收到的一個(gè)一個(gè)回波信號(hào)按順序存儲(chǔ)起來并進(jìn)行必要的相位處理和幅度處理，然后使之相加。因此，如果天線 A發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔?T 選擇適當(dāng)，則A從x₁到x_n這段長度L_S(稱為合成孔徑長度)就相當(dāng)于線陣天線的總長度，從而可以得到很高的分辨力。但存在以下兩種情況：第一，在線陣情況下，遠(yuǎn)場區(qū)的回波到達(dá)不同單元天線的相位差是單程差引起的。在圖3c中，回波之間的相位差是往返的雙程差引起的。合成孔徑天線的有效孔徑長度將是線陣天線的兩倍。因此，在計(jì)算分辨力時(shí)合成孔徑天線的有效孔徑長度應(yīng)是2L_S。第二，根據(jù)(3)式，L_S是一個(gè)大數(shù)，其平方自然更大，這就使目標(biāo)P所在區(qū)域不能滿足遠(yuǎn)場條件而不屬于遠(yuǎn)場區(qū)，目標(biāo)回波到達(dá)天線處的波前就不是平面波前，而是球面波前。這就必須對每一回波信號(hào)進(jìn)行相位加權(quán)，使之同相（圖4a）。這一相位處理過程與光學(xué)系統(tǒng)中平面光波經(jīng)凸球透鏡后聚焦在透鏡焦點(diǎn)處的過程（圖4b）相似。透鏡的聚焦作用也是相位加權(quán)作用。因此，人們把合成孔徑雷達(dá)中采用相位加權(quán)的稱為聚焦型合成孔徑雷達(dá)，其分辨力表達(dá)式為

　　　 (4)

這一理論證明，實(shí)際天線的孔徑D越小，方位分辨力越高，而且ρ_S與距離和波長都無關(guān)。因此，一個(gè)小孔徑天線無論裝在飛機(jī)上或衛(wèi)星上，都能得到很高的方位分辨力。

如果對回波信號(hào)不進(jìn)行相位加權(quán)，而是直接相加，則有效合成孔徑長度將受到限制(圖5)而成為

這稱為非聚焦型合成孔徑雷達(dá)。由于往返雙程作用，其分辨力為

比較式(1)、(4)和(5)，可以看出ρ_S＜＜ρ_a，即聚焦型合成孔徑雷達(dá)的分辨力比非聚焦型的好得多，而后者又比非合成孔徑雷達(dá)好得多。用多普勒頻率分析的觀點(diǎn)可得到同樣的結(jié)論和式(4)。

信號(hào)處理和雷達(dá)框圖

聚焦型合成孔徑的信號(hào)處理可采用匹配濾波或相關(guān)技術(shù)。匹配濾波過程實(shí)質(zhì)上就包含了相位校正和同相相加兩種運(yùn)算，而相關(guān)技術(shù)與匹配濾波是等效的。距離向高分辨力是用脈沖壓縮技術(shù)（見脈沖壓縮雷達(dá)）獲得的。脈沖壓縮技術(shù)通常包括在發(fā)射機(jī)里形成時(shí)寬-帶寬積大的線性調(diào)頻脈沖，在接收機(jī)里也用匹配濾波處理。因此，二維匹配濾波或二維相關(guān)的信號(hào)處理器是獲得高分辨率圖像的核心部分。光學(xué)信號(hào)處理器和數(shù)字計(jì)算機(jī)信號(hào)處理器都已成功地應(yīng)用于合成孔徑雷達(dá)。

合成孔徑雷達(dá)（圖6）是一種相干雷達(dá)，這種雷達(dá)對頻率和相位穩(wěn)定性的要求都很嚴(yán)格。對控制載機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)和對不規(guī)則運(yùn)動(dòng)帶來的相位誤差都需要進(jìn)行補(bǔ)償，這些都是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。天線必須用三軸穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行控制。

參考書目

1. Robert　O. Harger， Synthetic　Aperture　Radar System，Theory and Design，Academic Press，New York，1970.

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標(biāo)簽：hecheng kongjing leida、合成孔徑雷達(dá)

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文章名稱：《合成孔徑雷達(dá)》

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