FMCW SAR发展概述

武警工程大学信息工程系　付凯城　曲　毅



FMCW SAR发展概述

武警工程大学信息工程系付凯城曲毅

【摘要】调频连续波（FMCW)合成孔径雷达（SAR）是一种新体制的成像雷达，具有体积小、重量轻、耗电少、造价低、分辨率高等优点，在国民经济和国防建设各领域中具有很高应用价值。文中综述了国内外FMCW SAR的研究情况，讨论了其发展趋势，分析了进一步发展所面临的主要技术问题。

【关键词】调频连续波；合成孔径雷达；发展趋势

1　引言

从1951年美国古德依尔(Goodyear)宇航公司的威利首先提出用频率分析方法改善雷达的角分辨率发展到今[1]，合成孔径雷达已有60多年的发展历史，在军用和民用领域都得到了广泛的应用。传统SAR是脉冲体制的，但其质量体积过大、能耗过高使得脉冲SAR 无法应用在小型飞机、无人机等小型载体。调频连续波SAR是由英国的伦敦大学于1988年首次提出的[2]，两种技术的结合使得FMCW SAR 获得了体积小、重量轻、耗电少、造价低、分辨率高等一系列优点，解决了脉冲SAR无法应用在小型载体上的问题，成为SAR技术一个重要的发展方向。

2　FMCW SAR的发展历程

SAR起源于20世纪50年代初期。1951年，美国古德伊尔公司的 Carl Wiley提出用多普勒锐化的方法来改善天线的角分辨力。

1953年7月，伊利诺斯大学的一个工作小组采用非聚焦孔径综合的方法得到了第一副SAR图像。

早期的脉冲SAR质量体积过大、能耗较高，计算数据量极大，限制了其应用范围。80年代以来，随着毫米波、微波信号源技术上的革新、低噪器件和大规模集成电路技术等的发展，调频连续波合成孔径雷达以其不可替代的性能优势而倍受重视。

1988年，SAR技术和调频连续波技术的可兼容性由英国的伦敦大学在雷达高度计上首次得到证实，并于1997年将其应用于海洋内波成像。

1991年，日本利用 FMCW SAR对隐藏在积雪场中物体实现了探测。

1997年，瑞典研制出的用于反舰导弹的调频连续波SAR导引头。

2003年德国ENDS(European Aeronautic Defense System)研制出了超轻重量FMCW SAR样机MISAR在MiniUAV LUNA平台进行飞行试验，将原始数据传送到地面进行处理。

2004年，法国研制了一个低成本的三维成像FMCW SA系统DRIVE。

2008年，德国研制出用于三维成像的调频连续波SAR样机ARTINO，获得了0.2×0.2×0.2m的三维高分辨率。

近几年来，美国麻省理工学院林肯实验室G.L.Charvat等人也进行了调频连续波 SAR的轨道型穿透性成像实验。

我国对SAR的研究起步较晚，起源于20世纪70年代后期，并于1979年获得了我国第一幅SAR图像。

1996年，南京航空航天大学首先建立了FMCW SAR试验系统。

2007 开始，西安电子科技大学国家重点雷达信号处理实验室在FMCW SAR成像的各项关键技术上取得了大量的研究成果。

2011年，中科院电子研究所设计研制的 CARMSAR成功地进行了实验。此次试验是我国首次公开发表的调频连续波SAR实测数据试验，标志着在我国在 FMCW SAR上已经迈出了重要的一步。

3　FMCW SAR的优势

FMCW SAR与脉冲SAR体制不同，应用背景不同，兼具连续波雷达和SAR的特点,具有以下优势:

1)重量轻、成本低、功耗小、集成度高、结构简单。

2)低截获概率性能。由于脉冲发射持续时间长，具有较低的发射机平均功率，使得被截获的概率大为下降。

3)在接收机前端完成差频处理，得到差频信号。

4)采样频率降低。FMCW SAR是对差频后的信号进行采样，信号处理实际带宽大大降低，对信号高速采集与处理的要求也大为降低。

5)无距离盲区。在FMCW SAR中，收发天线分离，发射信号和接收回波信号同时进行，不会形成距离盲区。

4　FMCW SAR的发展趋势

4.1三维成像

一般的合成孔径雷达只能获得目标的二维信息，无法获得目标高度维信息。而在具体的实践中，存在很多应用需要利用到目标的三维特征信息。曲线调频连续波合成孔径雷达(FMCW CLSAR)平台在方位-高度平面内作曲线飞行，在这两个方向同时形成分辨力，构成三维分辨能力，是解决三维成像问题的重要途径。

4.2实时成像

SAR平台接收回波数据传送给地面控制站，进而达到近似实时成像，成为FMCW SAR的研究重点。实时成像无论在军用还是民用领域都具有十分重要的应用价值。但由于SAR数据量非常大，对系统的存储容量和处理速度提出了更高的要求。实时成像有利于SAR操作员实时掌握、调整成像区域,对精确成像是非常必要的。

4.3动目标成像

动目标成像是SAR在军用领域必须要解决的问题。SAR已成为战术侦查的重要组成部分，对于战场上大量存在的动目标，不能采用静止目标成像的方法对其进行成像，否则会产生失真。目前对动目标成像技术的研究大都是基于脉冲体制的，而FMCW SAR以其独特的优势将成为动目标成像研究的热点。

4.4FMCW SAR多输入多输出技术

将多输入多输出(MIMO)技术引入SAR 体制中，能够有效缓解高分辨率和大测绘带宽的矛盾。对于调频连续波SAR来

说，作用距离一般较短，如果将MIMO技术与调频连续波SAR技术结合，不仅能够解决测绘带宽与成像精度的矛盾，还能够解决最大作用距离与成像分辨率的矛盾，成为FMCW SAR发展的一个重要方向。目前，MIMO-SAR的重要性已得到了广泛的关注，FMCW SAR与MIMO相结合的研究工作也已经展开。

5　FMCW SAR面临的主要问题

5.1收发隔离

脉冲SAR用收发开关来控制发射和接收过程，而FMCW SAR通过两个天线，收发同时进行，这样就会产生一个泄露信号，会对接收造成很大的影响，因此两者之间的完全隔离有待消除。

5.2“停-走-停”模式不适用

与脉冲体制不同，FMCW SAR不断地发射信号，且信号扫描周期较长，雷达平台在一个周期内发射和接收信号过程中不能视为静止，即“停-走-停”模式不适用。而雷达平台在调频周期内运动，则会在发射信号和接收相应回波的过程中产生多普勒频移，在成像时对此多普勒频移要加以考虑。

5.3扫频非线性

实际系统中难以产生严格的线性调频信号，而扫频的非线性会影响系统的距离向分辨率，特别是对调频连续波系统，其时宽带宽积较大，线性度对雷达距离分辨率有决定性的影响。因此，非线性估计和校正也是急需解决的问题。

5.4相位噪声

在实际的SAR系统中，相位噪声是不可避免的。但在FMCW SAR系统中,由于收发隔离，相位噪声的影响特别突出。在FMCW SAR系统中，频率合成器相位噪声的影响已经超过热噪声的影响，成为限制FMCW SAR系统灵敏度提高的主要因素。

6　结语

FMCW SAR是一种体积小、重量轻、功耗小、造价低的高分辨率成像雷达，与脉冲SAR相比具有显著的优势。在未来的发展中，如能解决好小型平台的运动补偿和扫频非线性等问题，FMCW SAR将会在小型无人机等小型载体上获得更广泛的应用。

参考文献

[1]Shcrwin C W,Ruina J P,Raweliffe R D.Some Early Developments in Synthetic Aperture Radar System[J].IRE Transac-tions on MIL,1962,6(2):111-115.

[2]Griffiths H D.Synthetic aperture processing for full deramp radar altimeters[J].Electronics Letters,1988,24(7):371 -373.

付凯城（1993—），男，河南周口人，武警工程大学信息工程系在读硕士研究生，主要研究方向：SAR图像处理。

作者简介：