合成孔径雷达成像技术及应用分析

崔学志 李大鹏 赵玉强

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.