合成孔徑雷達(dá)(SAR)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合成孔徑雷達(dá) (SAR) 是一種高分辨機(jī)載和星載遙感技術(shù)，用于對(duì)地形等場(chǎng)景上的遠(yuǎn)程目標(biāo)進(jìn)行成像。

1951 年，Carl Wiley 意識(shí)到，如果在雷達(dá)沿直線路徑移動(dòng)時(shí)收集回波信號(hào)，則接收信號(hào)的多普勒頻譜可用于合成更長(zhǎng)的孔徑，以便提高沿軌道維度的分辨率。

1953 年，當(dāng)一架 C-46 飛機(jī)繪制佛羅里達(dá)州基韋斯特的一段地圖時(shí)，形成了第一張實(shí)測(cè) SAR 圖像。第一個(gè)星載衛(wèi)星 SAR 系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA) 的研究人員開(kāi)發(fā)并于 1978 年投入 Seasat。

SAR 模式

根據(jù)雷達(dá)天線的掃描方式，SAR 的模式可分為三種。如下圖所示，當(dāng)雷達(dá)收集其行進(jìn)區(qū)域的電磁 (EM) 反射波，觀察與飛行路徑平行的地形帶時(shí)，這種模式稱(chēng)為側(cè)視 SAR或帶狀 SAR。

當(dāng)雷達(dá)跟蹤并將其電磁波聚焦到一個(gè)固定的、特定的感興趣區(qū)域時(shí)，這種模式稱(chēng)為聚束 SAR，如下圖所示。

SAR 操作的另一種模式稱(chēng)為掃描 SAR，它適用于雷達(dá)在高空飛行并獲得比模糊范圍更寬的條帶時(shí)。條帶的這種增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致距離分辨率的下降。如下圖所示。

對(duì)于這種模式，照射區(qū)域被劃分為幾段，每段被分配到不同的條帶的觀察。隨著雷達(dá)平臺(tái)的移動(dòng)，雷達(dá)在一段時(shí)間內(nèi)照射一個(gè)段，然后切換到另一個(gè)段。這種切換是在特定的方法中完成的，使得所需的條帶寬度被覆蓋，并且當(dāng)平臺(tái)在其軌道上前進(jìn)時(shí)沒(méi)有留下任何空白段。

SAR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通用 SAR 系統(tǒng)框圖如下圖所示。

所有的定時(shí)和控制信號(hào)都由處理器控制單元產(chǎn)生。首先，SAR 信號(hào)（線性頻率調(diào)制（LFM）脈沖或階躍頻率波形）由波形發(fā)生器生成并傳遞到發(fā)射機(jī)。

大多數(shù) SAR 系統(tǒng)使用單個(gè)天線或兩個(gè)緊密放置的天線進(jìn)行發(fā)射和接收，這樣系統(tǒng)通常在單站配置下工作。SAR 天線、轉(zhuǎn)換器和天線波束形成器可沿場(chǎng)景或目標(biāo)方向形成和引導(dǎo)主波束。

發(fā)射的 SAR 信號(hào)從場(chǎng)景或目標(biāo)反射回來(lái)后，接收到的信號(hào)由 SAR 天線收集并傳遞給接收機(jī)。接收機(jī)輸出后的信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣和數(shù)字化。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元處理后，即可形成非聚焦 SAR 圖像。

此時(shí)，構(gòu)建的 SAR 圖像是未經(jīng)處理的或原始的，即它包含由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的合成孔徑不穩(wěn)定性以及其他影響，包括距離偏移等而導(dǎo)致的誤差。

顯然，SAR 理論是基于平臺(tái)沿直線或勻速圓周運(yùn)動(dòng)的勻速運(yùn)動(dòng)。偏離這種勻速運(yùn)動(dòng)的任何其他運(yùn)動(dòng)特征，例如偏航、滾動(dòng)或俯仰，都會(huì)在接收到的相位中導(dǎo)致錯(cuò)誤（或偏移）。

為了能夠糾正這種不穩(wěn)定性造成的這些影響，大多數(shù) SAR 系統(tǒng)都攜帶慣性測(cè)量單元（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）傳感器來(lái)記錄飛行的狀態(tài)。

原始 SAR 圖像可以顯示在操作界面顯示，也可以存儲(chǔ)起來(lái)以供將來(lái)處理或下行鏈接到遠(yuǎn)程站以進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)和圖像分析。對(duì)原始 SAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以成功糾正偏移錯(cuò)誤會(huì)產(chǎn)生所謂的聚焦 SAR 圖像。

SAR 分辨率

SAR 在實(shí)際中被廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗梢栽诰嚯x和方位維度上提供高分辨率。距離，即從雷達(dá)到要成像的目標(biāo)的視線距離。方位則為平行于雷達(dá)軌跡軸的維度。

在 SAR 操作中，通過(guò)使用寬帶傳輸信號(hào)（通常是頻率調(diào)制信號(hào)）獲得高距離分辨率。在雷達(dá)沿直線移動(dòng)時(shí)，通過(guò)相干處理在不同位置測(cè)量的目標(biāo)散射回波，可以實(shí)現(xiàn)方位維的良好分辨率。

SAR 可以提供具有與光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率相當(dāng)?shù)膱D像。事實(shí)上，SAR 可以做得更好，因?yàn)樗梢栽诎滋旌秃谝挂约瓣幱晏鞖鈼l件下運(yùn)行。此外，與僅包含目標(biāo)光反射率幅度信息的攝影圖像不同，SAR同時(shí)提供幅度和來(lái)自場(chǎng)景的散射電磁場(chǎng)的相位信息。這可以形成干涉式 SAR (IFSAR) 圖像，該圖像可以呈現(xiàn)關(guān)于三維、高度的信息，因此也可以形成場(chǎng)景的三維 (3D) SAR 圖像。

術(shù)語(yǔ)“合成孔徑”是因?yàn)?SAR 背后的遠(yuǎn)離是通過(guò)小尺寸實(shí)際孔徑雷達(dá)（如下圖所示）的集合來(lái)合成大孔徑雷達(dá)的效果。

這是通過(guò)沿假想孔徑軸移動(dòng)小孔徑雷達(dá)來(lái)模擬更長(zhǎng)的孔徑實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。

通常，雷達(dá)放置在機(jī)載或星載平臺(tái)上，并且在雷達(dá)平臺(tái)沿其沿軌道路徑移動(dòng)時(shí)的不同時(shí)刻測(cè)量地面的電磁反射率（見(jiàn)下圖）。

對(duì)來(lái)自不同頻率和孔徑照射區(qū)域的電磁回波進(jìn)行相干處理，可以形成地形或場(chǎng)景的二維 (2D) 圖像。

SAR 系統(tǒng)的距離處理與常規(guī)雷達(dá)相同。因此，SAR 中的距離分辨率與常規(guī)雷達(dá)的情況相同：

SAR中脈沖波形的頻率帶寬應(yīng)選擇得足夠?qū)捯詫?shí)現(xiàn)更高的分辨率。根據(jù)傅里葉理論，則要求每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短。

另一方面，很難將足夠的能量投入到非常短的脈沖中。發(fā)射功率的極小部分能散射回雷達(dá)，因此對(duì)于如此短的脈沖，幾乎不可能感應(yīng)到高于噪聲的接收信號(hào)。為了避免這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)瞬時(shí)頻率為

的 LFM 波形被使用。這里，是起始頻率，是脈沖持續(xù)時(shí)間，是總帶寬。LFM 信號(hào)具有提供所需帶寬和更長(zhǎng)脈沖持續(xù)時(shí)間的特性。

通過(guò)沿直線路徑移動(dòng)雷達(dá)天線形成長(zhǎng)度為的合成線天線，可以在 SAR 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)良好的方位分辨率。如果使用單個(gè)天線，則方位分辨率為

其中是工作波長(zhǎng)，是天線的孔徑。但是，如果通過(guò)沿直線路徑移動(dòng)單個(gè)天線來(lái)形成長(zhǎng)度為的合成陣列，則理論上方位分辨率為

又因?yàn)橛行Ш铣煽讖酱笮∈钦鎸?shí)陣列的兩倍；因此

例如，在工作頻率下，合成孔徑長(zhǎng)度為的 SAR 平臺(tái)對(duì)處的目標(biāo)成像，則方位分辨率為。

審核編輯：湯梓紅