合成孔径雷达成像技术及应用分析

发表时间:2021/6/9   来源:《科学与技术》2021年第29卷第5期   作者:崔学志 李大鹏 赵玉强
[导读] 合成孔径雷达是一种新体制雷达,具有全天候工作、穿透地表、
        崔学志  李大鹏  赵玉强
        中国人民解放军93692部队  河北廊坊  065500
        摘要:合成孔径雷达是一种新体制雷达,具有全天候工作、穿透地表、高分辨率等独有特点,使其广泛应用于军民领域。本文介绍了合成孔径雷达的成像原理,剖析了其关键技术及实现方法,并结合应用现状对其未来发展趋势进行了分析。
        关键词:合成孔径雷达;信号处理;发展趋势
        
        合成孔径雷达(SAR)是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和数字信号处理方法,以真实的小孔径天线获得距离、方位双向高分辨率遥感成像的雷达系统,通常安装在飞机、卫星等平台上,不受光照和气象条件限制,可在能见度极低的情况下得到类似光学照相的雷达图像,具有全天时全天候工作、穿透云雾和植被、低频段穿透地表、分辨率高等优点。合成孔径的概念始于20世纪50年代初期,首次使用是在50年代后期装配在RB-47A和RB-57D 战略侦察机上。
         一、合成孔径雷达的工作原理
        用一个小天线作为单个辐射单元,将此单元沿一直线移动,在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理,一个小天线通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”,可以得到较高的方位向分辨率。合成孔径雷达工作时按一定的重复频率收发脉冲,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,便形成一个等效合成孔径天线的接收信号。
        
        合成孔径雷达工作原理示意图
        地物的反射波由合成线阵天线接收,与发射载波作相干解调,并按不同距离单元记录在照片上,然后用相干光照射照片便聚焦成像。相参性是合成孔径雷达系统获得高分辨率的必要条件,发射信号、本振电压、相参震荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号产生,接收机也需要具备很高的时间精度。
        二、合成孔径雷达关键技术
        (一)数字信号处理技术。影响合成孔径雷达性能的关键因素是数据处理速度,因为SAR需要存储大量雷达回波,并对一定时间间隔内的信号进行相干积累和实时解算,对数据容量、读写速度、运算方法等都提出了较高的要求,而且探测区域越大、分辨率越高,信息量就越大,对数据处理的要求也就越严格。以DSP为核心的高速数字信号处理技术,具有高速、实时特点的一种信息处理技术,内置可编程密集运算单元,能够将有效信息从各种噪声、干扰的环境中快速提取出来,具有出色的浮点处理能力,广泛用于雷达、声纳等信号处理。
        (二)图像识别技术。对于成像雷达,采样点越多、分辨率越高,图像质量就越高,也就越容易研判目标属性。提高分辨率,必须增大信号带宽和合成口径长度,合成孔径雷达通过脉冲压缩技术改善距离分辨率,与发射信号的带宽有关,带宽越大分辨率越小;通过合成孔径技术改善方位分辨力,条带SAR理论上可以达到天线尺寸的1/2,且分辨率与距离和波长无关。
        (三)动目标成像技术。动目标检测成像技术在军事领域的应用中有着极其重要的作用,在动目标显示模式下SAR能更好的完成战区搜索和预警任务,在对大面积地物成像的同时掌握对方兵力调整和行动企图。合成孔径雷达的动目标检测成像技术主要有频域滤波、干涉处理、时空自适应处理及相位中心偏置天线技术等,关键是杂波抑制和多普勒参数的准确性。
        (四)多极化探测技术。SAR系统常用四种极化方式为HH、VV、HV、VH,电磁波的极化对目标的介电常数、物理特性、几何形状和取向等比较敏感,极化特性测量与分析,可以显著提升图像的可靠性和详细度,配合不同频段、不同视角的回波特性,就可以系统定量的分析、识别地面目标属性。
        (五)三维成像技术。三维成像的基本原理是合成孔径雷达对同一地区进行两次SAR成像,对两幅图像中的相位进行干涉处理,得到它们的干涉图像,再从干涉图像中的相位信息获取地形高程数据,一般要经过影像配准、基线估计、去地平效应、噪声滤波、相位解缠、高程计算等数据处理。
        三、合成孔径雷达的应用现状
        合成孔径雷达具有的远距离全天候成像、自动目标识别、高分辨力和强穿透力特性,使其广泛应用于农、林、水、地质监测及考古、测绘、防灾等民用领域,在军事领域的情报、侦察、监视等制信息权争夺上更是具有不可替代的作用。
以美军为例,“长曲棍球”系列SAR卫星是世界上较先进的军用成像卫星之一,在轨的4颗卫星以“双星”组网,采用X、L频段和双极化工作模式,地面分辨率最小0.3米,覆盖面积几百平方公里,不仅可以侦察监视地面、海上军事目标活动动向,还能探测到隐藏伪装的武器装备,甚至能发现数米深的地下军事设施。用于“捕食者”无人机的机载TESAR合成孔径雷达,对目标定位精度0.25米,分辨率0.3米;专门装备于小型无人机的MiniSAR,重量不到50kg,作用距离不低于10km,工作于X波段,条带工作方式分辨率0.5米,聚束方式0.2米,兼具动目标显示功能。
近代的几次局部战争中,星载、机载SAR成为美国制定作战行动、实施精确打击的主要情报数据来源,通常综合动用雷达成像侦察卫星、机载SAR等侦察设备,在不同高度上对作战区域进行侦察识别,实时获取军事设施、军事布防、军事行动等图像情报,全面监控战场态势和准确评估打击效果,进而牢牢掌握制信息权、制空权和战争主动权。在伊拉克战争中,美军用3颗“锁眼”可见光侦察卫星和2颗“长曲棍球”合成孔径雷达卫星组成的空间成像侦察系统,对伊拉克全境保持每两小时1次的常态化监视,成为美对伊拉克战争态势感知的主力,被形象的称为“卫星舰队”。
        四、合成孔径雷达的发展趋势
        (一)多侦察手段集成。将合成孔径雷达、光学侦察、声呐侦察等多种侦察手段一体化运用,充分发挥不同侦察方法特长,多维比对、优势互补、智能合图,实时研判目标属性,有效提高侦察效能。目前,美国的“8X”高轨成像卫星就载有CCD 可见光/近红外光学成像相机和SAR成像遥感器,已经具备光学和SAR双重侦察手段,兼有“KH-12锁眼”和“长曲棍球” 两种卫星的功能,同时具有 500公里侧视观测能力。
        (二)多平台系统组网。使用不同体制的合成孔径雷达,按照相对空间位置实施多星组网, 将多个“小雷达”整合成一个“大雷达”,可以扩大侦察范围,提高侦察情报的时效性,实现对特定作战区域的持续监控,综合印证侦察效果。另外,合成孔径雷达还可与可见光侦察系统组网,以此提高侦察效果,弥补侦察盲区。
        (三)小型智能化发展。借助集成技术和优化算法,不断减小合成孔径雷达尺寸,将其安装于小型无人机等微平台上,可以更灵活的深入敌后对纵深目标实施隐蔽侦察,同时借助大数据、云处理、数据链等手段,实时传输和处理数据信息,快速获得有效的侦察情报,为全面掌握战场态势、及时调整作战布局提供依据。
        (四)抗干扰设计运用。目前,美国、俄罗斯、加拿大、瑞典等国家已经开发出了针对合成孔径雷达的实用干扰设备,为了保证合成孔径雷达的工作状态,提高其生存能力,应加紧研究反干扰机理措施,加密数据模块、改进处理算法,确保其在电磁干扰环境下正常运作。
        过去的七十年,合成孔径雷达技术取得了突飞猛进的进步,雷达平台从机载发展到星载,工作波段从单频单极化发展到多频多极化,工作模式由最初的条带模式发展为现在的多模式集成,分辨率从几十米精确到了分米级,而随着计算机技术、信息处理技术、智能化算法的发展,也必将为合成孔径雷达技术变革提供新的动力。
         
        参考文献
        [1] 吴鸣亚.合成孔径雷达技术分析, 电子世界, 2014年04月.
        [2] 程玉鑫,袁凌峰.星载合成孔径雷达发展现状, 测试工具与解决方案,2016年08月.
        [3] 蒋谱成.合成孔径雷达关键技术及发展趋势, 空载雷达,2006年02期.
        [4] 林幼权.星载合成孔径成像雷达发展现状与趋势,现代雷达,2009年10期.
                        作者简介:崔学志 1982.04,男,汉,河北武邑,本科,雷达工程师.
       
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