合成孔径雷达技术及其应用

文/翁元龙

合成孔径雷达（SAR）是一种利用微波成像技术进行地海面目标探测的遥感系统。自20世纪50年代美国提出并研制成功以来，SAR雷达发展迅速且有成效，具有全天时、全天候、高精度、大范围、远距离的特点。在世界各国的农业、林业灾害防治，遥感测绘导航、地质勘探、环境海洋监测及军事等方面得到广泛应用。装载平台遍及各类飞机、导弹、卫星和车辆等。本文从SAR雷达技术入手，对其应用进行了阐述，并探讨其发展趋势。

1 SAR雷达技术

SAR雷达通过发射大带宽线性调频信号，实现目标距离向高分辨。在雷达平台与目标之间的相对运动过程中，通过相干积累及运动补偿，以时间换空间的方式实现天线长度的延展，实现方位向高分辨。

1.1 系统组成

典型SAR系统由天线、发射机、接收机、频率源、信号处理机、惯导、数据记录仪、控制与显示等组成。天线发射宽带信号、接收目标回波；发射机完成宽带信号的产生、调制和放大；接收机用于对回波的变频、放大和采集；频率源产生全机所需时钟及本振信号；信号处理机实现全机时序同步、参数控制和雷达信号处理；惯导是SAR雷达重要组成，实时测量天线姿态并传输给信号处理机用于运动补偿计算；数据记录仪可记录信号回波和图像数据；控制与显示实现全机控制及图像显示。如图1所示。

1.2 主要参数

SAR的主要参数含使用参数、内部参数和图像参数。

使用参数直接面向用户，含分辨率、作用距离、测绘带宽和定位精度等。分辨率指距离分辨率和方位分辨率，距离分辨率与信号带宽成反比，方位分辨率与天线长度成反比；作用距离是指图像场景中心到平台的斜距；测绘带宽是指SAR雷达的成像宽度；定位精度用于描述图像中目标与真实地理坐标之间的相对关系。

内部参数含工作频段、信号带宽、波门起始、采样深度、脉冲宽度和重复频率等，这些内部参数与使用参数有一定的对应关系。如波门起始描述的是图像的起始距离，采样深度则对应图像的测绘宽度。

图像参数含信噪比、积分旁瓣比和峰值旁瓣比等，用于表征SAR图像的清晰度、对比度和模糊度等。

图1：典型SAR系统

2 SAR雷达应用

SAR系统主要用于军事侦察监视和民用各领域。

军事方面，美军SAR雷达装载于无人机（全球鹰、捕食者）、有人机（E8C联合对地监视飞机）、导弹（战斧巡航导弹）、卫星（长曲棍球）等。美军利用机载SAR雷达技术实现ISR（情报、侦察和监视）系统，在海湾战争、阿富汗战争和反恐战场已大量应用。弹载SAR利用景象匹配技术，实现导弹的远程战略打击。星载SAR实现全球大范围地区的快速高效情报获取。

民用方面，SAR雷达技术广泛用于城市勘测、农业普查、林业应用、海洋监测和立体测绘，无人车的防撞预警等。对城区建筑物、桥梁、道路等大范围成像，获取其结构、分布和变化，为城市规划者提供数据支撑。精确测量各类农作物的病虫害情况，利用极化信息掌握农作物种植情况，提高农业普查效率。在森林资源调查、森林分类、自然灾害监测和森林蓄积量等方面也有大量应用。海洋环境监测包括对海洋灾害、海面溢油、海上船舶、沿海滩涂的监测。立体测绘方面，利用SAR雷达的干涉模式，采用多天线单次干涉或单天线重轨干涉实现三维高程测量，对丘陵、山区、平原等区域实现立体测绘。全天时全天候探测的无人车SAR雷达与激光、光学系统共同实现防撞预警。

3 结束语

SAR雷达受平台重量、体积、功耗约束，分辨率、探测距离和精度、出图速度等仍有不足。面向未来，随着微波、电子计算机及人工智能等技术发展，SAR雷达将朝着多极化、多频段，高分辨、高定位精度，轻小型化、图像视频化、任务智能化的方向发展，将在更多领域得到应用和发展。