机载合成孔径雷达原理及应用

姬宪法，陈长春

（1.空军第一航空学院，河南 信阳 464000；2.空军装备研究院 雷达所，北京 100096）

0 引言

合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）是一种高分辨力相干成像雷达，机载雷达的合成孔径功能具有获得地面高清晰度地图的能力。机载雷达的空间分辨力有距离向和方位向两个方向，平行于雷达平台飞行方向的分辨力称为方位向分辨力，垂直于雷达平台飞行方向的分辨力称为距离向分辨力；合成孔径雷达（SAR）的高分辨力实际包含了两个方面的含义，即高的方位向分辨力和高的距离向分辨力。合成孔径雷达（SAR）是利用孔径合成原理和脉冲压缩技术，提高雷达的距离分辨力和方位分辨力，获得距离向和方位向的高分辨图像。由于SAR 成像不依赖光照，而是靠雷达自身发射的微波，能穿透云、雨、雪和烟雾，具有全天时、全天候成像能力，弥补了光学成像的不足。因此，机载合成孔径雷达（SAR）目前在民用领域和军用领域都获得了广泛的应用。

1 合成孔径雷达（SAR）基本原理

合成孔径雷达（SAR）是与实孔径雷达（RAR）相对而言的，实孔径雷达的天线孔径是一先发射后接收的物理单元，而合成孔径雷达 （SAR） 是把天线的运动考虑进去，雷达所收到不同位置的回波不是同时的，而是依靠雷达天线的运动，分时顺序获得的，通过一定的信号处理算法使之合成一个相对较大的天线即合成孔径，具体来讲就是，机载雷达进行真实天线波束地形测绘时，方位分辨力是依靠天线产生窄的波束达到的，长的线阵天线可以产生窄波束，采用一个小的天线沿着长线阵的轨迹等速移动并辐射相参信号，记录下接收信号并进行适当处理，就能获得一个相当于很长线阵的方位向分辨力，这种概念的天线称为合成孔径天线，采用这种合成孔径雷达技术的机载雷达称为合成孔径雷达（SAR）。

合成孔径雷达（SAR）和真实孔径雷达（RAR）的不同之处主要在于信号处理部分。真实孔径雷达的距离向分辨力受到发射脉冲宽度的限制，当要求非常高的距离向分辨力时，必须发射非常窄的脉冲，同时距离的增大发射信号的能量也必须增大；方位向分辨力取决于天线的孔径，作用距离及工作波长，当波长一定时，方位向孔径越长，斜距越小，方位分辨力越高；SAR 雷达采用以多普勒频率理论和雷达相干技术为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨力，采用脉冲压缩技术提高距离向分辨力，雷达的距离、方位二维分辨力精度能达到“米”量级或更高。

机载雷达由于受到硬件条件限制，不可能获得非常窄的脉冲宽度和很大的天线孔径，因此难以获得很高的分辨力。SAR 雷达克服了这些困难，利用脉冲压缩技术获得很高的距离向分辨力，解决了距离分辨力与探测距离之间的矛盾，利用合成孔径技术获得高的方位向分辨力，从而获得大面积的高分辨力雷达图像。还可以利用雷达微波信号中的极化信息、相位信息和多普勒信息，提高SAR 雷达的探测能力。

图1 侧视SAR （天线波束垂直于雷达平台航向）Fig.1 Side-looking Radar （Antenna beam is perpendicular to plane course）

图1 所示是侧视SAR 雷达的示意图。雷达发射的波束垂直于雷达平台的运动方向，这个波束在航向上很窄，在距离上很宽，覆盖了地面上一个很窄的条带，随着飞行器向前移动，不断发射这样的波束，并接收相应的地面窄条带上各种地物的回波信号。当雷达波束在目标区域上扫过后，就可以获得该区域的连续条带雷达图像。

2 合成孔径雷达的距离分辨力

对于普通的脉冲雷达来讲，假设雷达发射脉冲的持续时间为Tp，脉冲重复周期为T，脉冲峰值功率为Pp，脉冲平均功率为Pav，c 为光速，则雷达的平均功率为：

雷达的距离分辨力为：

由雷达方程可知：为了获得高的目标回波信噪比，使雷达能够探测更远的距离，需要提高雷达发射信号的平均功率Pav，但是提高发射机的脉冲峰值功率受器件极限参数的限制，因此为保证雷达有一定的发射平均功率Pav，可以增大雷达脉冲宽度τ （Tp），这也就相当于增大了发射机的峰值功率；如果τ 取得太大，根据雷达距离分辨力Sr的表达式可以知道，随着τ 值的增大，雷达的距离分辨力是降低的，即雷达的探测距离和距离分辨力的提高是一对矛盾的关系。普通的脉冲雷达由于时宽带宽积约为1，使得上述问题成为客观存在，解决的办法就是必须使用时宽带宽积大于1 的雷达信号，即大时宽带宽积信号。采用脉冲压缩技术能产生大时宽带宽积信号，可以解决上述矛盾，提高雷达的距离分辨力。即发射的脉冲不再是简单脉冲，而是幅度或相位按照波形调制，在接收机前端经过压缩处理使得接收脉冲等效于由窄脉冲产生，这样在时间上有重叠的脉冲也能经过压缩处理而区分开，提高了雷达的距离分辨力。

线性调频信号是合成孔径雷达系统普遍采用的脉冲压缩技术，具有易于生成波形，对应压缩过程相对简单的特点。雷达发射时采用宽脉冲，从而增大发射的平均功率，保证足够远的作用距离，在宽脉冲内进行频率范围f1～f2线性频率调制。即在脉冲持续时间内，信号频率连续地线性变化；在接收时采用相应的脉冲压缩方法获得窄脉冲，以提高距离分辨力。

图2 所示为线性调频信号频率变化示意图。

图2 线性调频信号Fig.2 Linear frequency modulation singal

线性调频信号特征的脉冲波形复数表示：

其中信号的矩形包络为：

式中：fc—载频；K—调频率。经分析可知：信号的频率从线性调频信号的频率范围从 （fc-｜K｜Tp/2） 变化到（fc+｜K｜Tp/2），带宽为B=｜K｜Tp，因此，采用脉冲压缩技术后，雷达的距离分辨力为：

压缩后脉冲宽度由信号带宽B 决定，与压缩前脉冲的宽度无关。雷达的距离分辨力为也由信号的带宽决定。随着发射脉冲时宽带宽积的增大，合成孔径雷达的作用距离增加，同时还保持了有很高的距离向分辨力。采用脉冲压缩后脉冲宽度减小TpB 倍，峰值功率提高TpB，实现了既有远的探测距离（高信噪比），也有达到了高分辨力。

线性调频信号的脉冲压缩后的波形如图3 所示。

图3 线性调频信号的脉冲压缩处理Fig.3 Pulse compress of linear frequency modulation singal

3 合成孔径雷达的方位分辨力

真实孔径雷达的方位分辨力与雷达的工作频段、波束宽度和目标距离有关。当雷达的工作频段和天线尺寸确定后，波束的宽度也就确定了，即图4 所示为实孔径雷达方位分辨力示意图。

在距离雷达R 处目标的雷达方位分辨力可以描述为：

图4 实孔径雷达方位分辨力Fig.4 Real aperture radar azimuth resolution

式中：θB—波束宽度；λ—雷达工作波长；λ 为天线尺寸。

可见要提高雷达的方位分辨力必须增大天线的尺寸，雷达工作频段一定时，只能增大其物理尺寸来实现。对机载雷达来讲，要受到飞机上所能容纳的体积、加工工艺、设备重量等方面的限制。

合成孔径天线技术是雷达天线随着平台运动形成的阵天线，实际天线作为阵的单元，在运动过程中按顺序采集、记录目标的回波信号，然后在信号处理中补充天线在不同位置的波程差引起的相位差，使一个点目标的回波信号同相叠加，其结果与一个长孔径阵列天线一样。利用天线飞行过程中在不同位置的回波信号，进行方位向压缩，实现方位向的高分辨力，以达到一个大孔径天线系统应有的分辨力。图5 所示为合成孔径雷达方位分辨力示意图。

图5 合成孔径雷达方位分辨力Fig.5 Synthetic aperture radar azimuth resolution

雷达移动的距离是Ls，天线的口径为D。合成孔径长度由实际天线的波束宽度θB决定，从天线波束开始照射目标到离开目标，走过的距离为Ls为合成孔径长为：对于合成孔径阵天线，应考虑波的发射和接收是双程传播，任意两阵元至目标的波程差是单程传播的两倍，合成孔径阵天线的等效波束宽度为：θB=方位分辨力为：

上式说明：在合成孔径情况下，雷达的方位分辨力与目标所在位置的距离R 无关，仅由天线实际孔径决定D 决定，数值是实际天线孔径的一半。

4 合成孔径雷达的应用

合成孔径雷达是航空航天技术、信息技术、微电子技术和信号处理等诸多高技术于一体的信息化装备。作为一种全天时、全天候的微波成像雷达，能从空（天）间对地观测的一种有效手段，能够产生地面目标区域或地域的高分辨力地图，提供信息量丰富的雷达图像，在军事领域、民用领域都获得了广泛的应用。随着雷达成像技术研究的不断深入，SAR 成像的精度也在不断提高。如今，不仅目标固定、雷达平台直线运动可获得SAR 图像，而且当雷达固定不动，目标运动（运动规律已知、未知或机动目标） 时获取目标图像的逆合成孔径（ISAR） 理论和方法不断深入，在军事上应用比如非合作目标识别等方面具有重要意义。

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