孙峥
理工雷科电子（天津）有限公司 天津 300300
摘要：合成孔径雷达是一种全天候全天时的高分辨率微波侧视成像雷达。本文介绍了合成孔径雷达的主要参数，并概括了波位设计方法及成像算法特征，最后对发展趋势进行了展望。
关键词：合成孔径雷达；波位设计；成像处理算法；发展趋势
1 概述
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波侧视成像雷达，在国土测量、环境和灾害监测、地形测绘以及军事侦察等领域发挥了越来越重要的作用。因此，了解SAR系统的参数特性和成像原理 ，对SAR系统进行波位设计，得到合理的工作参数，并采用适合的成像算法对SAR回波数据进行成像，是开展SAR成像工作的必备基础。
本文针对SAR的系统特点，概括了SAR系统波位设计的主要方法思路；并通过成像原理，总结了典型了成像算法的特征；最后对目前星载SAR的发展趋势进行了展望。
2 波位设计
波位设计是SAR系统设计工作的主要内容。波位设计主要指根据系统指标要求（空间分辨率、幅宽、数据率或噪声等效后向散射系数等），设计雷达波束的入射角、波束宽度、脉冲发射重复频率（PRF）、回波窗口接收时间和信号带宽等工作参数。因此需要了解SAR系统的性能参数和工作模式，根据约束条件设计出合理的波位。
2.1 性能参数
本文主要介绍空间分辨率、距离向测绘带宽度和噪声等效后向散射系数。
方位向分辨率
两个目标位于同一距离向，但方位角不同的情况下，能够被雷达区分出来的最小方位向长度称为方位向分辨率【1】。通过分析，合成孔径雷达的分辨率由下式决定：
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其中
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为波长，r 为斜距，
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为合成孔径长度，其值决定于天线运动过程中所能接收到的同一目标的回波信号的最大作用范围。
以条带模式为例，对合成孔径进行展开，方位向分辨率经过推导后得到：
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其中
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为方位向天线尺寸。
距离向分辨率
两个目标位于同一方位角，但与雷达间的距离不同时，二者能被雷达区分出来的最小间距称为距离向分辨率【1】。通过分析，距离向分辨率可以表征为雷达发射信号带宽B的函数：
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（m）
其中C为电磁波传播速度，单位m/s。
距离向测绘带宽度
雷达距离向测绘带宽度表征的是雷达波束距离向照射到地面的覆盖范围。
噪声等效后向散射系数
噪声等效后向散射系数反应了合成孔径雷达能够对其成像的后向散射系数的下限（这是S/N=1）【2】。根据推导得出：
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其中，r为斜距；vs为平台速度；k为玻尔兹曼常数；T0为网络温度；
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为工作噪声系数；Ks为系统损耗因子，M为独立视数；G为天线增益；
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为平均功率；
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为地距分辨率。
模糊比
合成孔径雷达的模糊性是指来自观测带内的有用回波信号受到非人为干扰的其他回波信号的“污染”，经信号处理后引起雷达图像质量下降的现象【3】。距离向模糊性主要是由于雷达发射信号的脉冲重复频率过高引起的。这时在观测带内的有用回波信号的时间散布可能超过脉冲之间的间隔，使得上一个发射脉冲的回波信号与当前发射脉冲的回波信号叠加在一起，从而出现响应的模糊性。方位向模糊性主要是由于回波多普勒频谱的欠采样引起的。
模糊比是回波时间或多普勒频率偏移的模糊区造成的目标重叠与成像目标的能量强度之比。
2.2 工作模式
随着科学技术的发展，SAR的工作模式也由传统的条带模式，逐渐丰富为扫描、聚束、滑动聚束、马赛克、TOPS等多种工作模式。篇幅有限，本文主要介绍条带、扫描和聚束模式的主要特征和区别。
条带模式为传统工作模式，在卫星飞行过程中波束发射方向相对方位向不变。所谓扫描技术是指SAR天线的若干个不同波位的覆盖区以适当方式组合起来，从而得到宽的观测带宽度的一种通用技术【3】。聚束模式则是一种适用于小区域的高分辨率工作模式，即突破条带工作模式中对于方位向分辨率的理论限制，通过改变波束指向，使其飞行过程中较长时间照射所关注的地区，增强信号想干积累时间，等效的增加了合成孔径长度，从而得到了更高的方位向分辨率。扫描模式的特点是可以实现大幅宽，但是成像存在扇贝效应；聚束模式可以实现高分辨，但是对地面的覆盖性能较差。
2.3 设计约束
波位设计的主要约束包括PRF约束、NESZ约束、模糊比约束等。PRF约束是波位设计主要约束的主要因素。PRF设计过高，观测带内的回波信号会产生混叠；PRF设计过低，方位向频谱会产生混叠；同时，PRF设计还要回避发射脉冲遮挡和星下点遮挡。由此可以画出满足PRF约束的斑马图。最后，选择合适的PRF计算NESZ和模糊比是否满足指标要求。
波位设计主要流程图如图1所示：
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图1 波位设计流程图
3 成像算法
合成孔径雷达连续发射线性调频脉冲信号，然后从回波信号中提取目标信息，从回波信号到图像的过程称为成像处理[1]。
最直接的方法是在时域采用二维匹配滤波器对回波信号进行压缩。这种方法简单但运算量大。还有一些传统的频域处理算法，如距离多普勒算法（RD算法）、Chirp Scaling算法（Cs算法）等。频域成像算法主要是通过距离向和方位向脉冲压缩，同时校正由于平台和目标相互运动导致的距离徙动，消除二维耦合。图2为点目标成像结果。
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图2 点目标成像结果
4 发展趋势
经过SAR技术的飞速发展，合成孔径雷达的发展趋势已经从单项技术突破向概念体制更新转变，从单源信息应用向多源信息应用转变。例如通过高分辨率宽测绘带技术提高对地观测能力，实现在灾害评估、目标检测识别方面的应用；通过多角度观测技术，增加目标区域信息获取量，降低检测和识别难度；通过三维地形测绘，实现地表形变探测、森林制图等应用[4]。
5 结束语
本文主要介绍了波位设计处理流程和成像算法，并对SAR计数的发展趋势进行了概述。波位设计是成像处理的基石，合理的波位设计可以确保系统能够满足指标要求，进而通过适合的成像处理算法实现目标成像。时域成像算法不受工作模式和成像场景的约束，原理简单，但运算量大；不同工作模式需要的频域成像算法不同，但效率较高。随着SAR技术的飞速发展，合成孔径雷达的在灾害评估、军事应用、地形测绘和目标识别等多种领域得到了越来越多和越好的应用。
参考文献
[1]皮亦鸣.合成孔径雷达成像原理[M]. 电子科技大学出版社.2007.
[2]袁孝康.星载合成孔径雷达导论[M]. 国防工业出版社.2003.
[3]魏钟铨.合成孔径雷达卫星[M]. 科学出版社.2001.
[4]李春升.星载SAR技术的现状与发展趋势[J].电子与信息学报.2016,1