经典雷达资料-第21章 合成孔径雷达-1

1、PAGE 824雷 达 手 册PAGE 825第21章 合成孔径（SAR）雷达第21章 合成孔孔径（SAAR）雷达达L.J.CCutroona21.1 基本原理理和早期历历史对于机载地地形测绘雷雷达，一个个日益迫切切的问题是是要求其具具有更高的的分辨力，并并通过“强力”技术来达达到高分辨辨力。通常常这种类型型的雷达系系统是通过过辐射短脉脉冲来获得得距离分辨辨力，通过过辐射窄波波束来获得得方位分辨辨力。有关距离分分辨力和脉脉冲压缩技技术的一些些问题已在在第10章中讨讨论过了。在第100章中已经经表明，若若发射信号号的带宽足足够宽，则则采用适当当的技术可可获得比相相应脉宽要要好得多的的分辨力。由于

2、脉冲冲压缩已在在第10章章中进行了了广泛地讨讨论，因此此本章将讨讨论直接应应用于合成成孔径技术术中的脉冲冲压缩技术术，特别是是讨论对于于同时完成成脉冲压缩缩和方位压压缩的技术术，而不讨讨论顺序地地完成距离离压缩和方方位压缩的的技术。本章所要讨讨论的基本本原理是利利用合成孔孔径技术来来改善机载载地形测绘绘雷达的方方位分辨力力，使其值值比辐射波波束宽度所所能达到的的方位分辨辨力要高得得多。SAR是采采用信号处处理的方法法产生一个个等效的长长天线，而而非真正采采用物理的的长天线。事实上，在在绝大多数数场合，使使用的仅是是一根较小小的实际天天线。在考虑合成成孔径时人人们以长线线性阵列物物理天线的的特性

3、为参参考。在阵阵列天线中中，许多辐辐射单元沿沿直线配置置在适当的的位置上，并并利用这种种实际的线线性阵列天天线，使信信号同时馈馈给天线阵阵的每个单单元；同样样地，当天天线用于接接收时，可可使各个单单元同时接接收信号。在发射和和接收工作作模式下，用用波导或其其他传输线线连接，利利用干涉现现象得到有有效的辐射射方向图。若辐射单元元相同，则则线性阵列列天线的辐辐射方向图图是单个单单元的方向向图和阵列列因子两个个量的积。在线性阵阵列天线中中，阵列因因子比单元元的方向图图具有尖锐锐得多的波波瓣（较窄窄波束），这这种天线阵阵因子的半半功率波束束宽度（rad）可可由下式给给出，即 （21.11）式中，L为为

4、实际阵列列天线的长长度；为波波长。合成孔径天天线往往仅仅用单个辐辐射单元。天线沿一一直线依次次在若干个个位置平移移，且在每每一个位置置发射一个个信号，接接收相应发发射位置的的雷达回波波信号并储储存起来。储存时，必必须同时保保存所接收收信号的幅幅度和相位位。当辐射源移移动一段距距离Leff后，储储存的信号号和实际线线性阵列天天线的每一一个单元所所接收到的的信号非常常相似。因因此，若对对储存的信信号采用与与实际线性性阵列天线线相同的运运算，就可可获得长天天线孔径的的效应。这这一概念将将导致这种种技术被称称为合成孔孔径。机载地形测测绘雷达系系统的天线线通常被安安装在侧视视方向，而而飞机的运运动可将辐

5、辐射单元送送到天线阵阵的每一个个位置。这这些阵列位位置就是实实际天线在在发射和接接收雷达信信号时的那那些位置。SAR的设设计比实际际线性阵列列天线的设设计有更多多的自由度度。这些自自由度来源源于这样的的一个事实实，即信号号可以按存存储距离进进行选择。若需要，则则可以对不不同距离的的信号做不不同的运算算。聚焦是是这种运算算中的一种种重要的形形式。实际的线性性阵列天线线能够聚焦焦在特定的的距离点，且且环绕这个个距离点存存在一个聚聚焦深度。然而大多多数实际线线性阵列天天线是不聚聚焦的，这这就是有时时所说的天天线聚焦在在无限远处处。但是对对于SARR，适当地地调整各相相加接收信信号的相位位，就可以以分

6、别对每每一段距离离进行聚焦焦，得到有有效的合成成孔径。虽虽然通常对对所有距离离施加的是是同一类加加权，但假假若需要，则则还可以对对每段距离离施以不同同的加权。实际线性阵阵列天线和和合成线性性阵列天线线还有另一一个重要的的不同之处处，即合成成孔径阵列列天线比相相同长度的的实际线性性阵列天线线的分辨力力好2倍。下面的定定性讨论将将指出此因因子2的物物理意义，且且用较一般般的分析可可以很自然然地得到因因子2。在实际线性性阵列天线线中，发射射信号对目目标区进行行照射，线线性阵列天天线的角度度选择性仅仅是在接收收过程中得得到的。在在这个过程程中，线性性阵列天线线的每个单单元接收信信号的相位位差即可形形成

7、天线方方向图。另另一方面，由由于在SAAR中，仅仅由一个单单元发射和和接收信号号，因此来来回的相移移在形成有有效辐射方方向图中均均起作用。其关系式式为 （21.22）式中，efff为合成成孔径天线线的有效半半功率波束束宽度；LLeff为合合成孔径的的长度。本章的后面面将给出SSAR分辨辨力的更详详细推导。下面的推推导是由作作者和其同同事在对SSAR的早早期研究是是所得出的的。用D表示机机载地形测测绘雷达所所用的实际际天线的水水平孔径。距离R处的水平平波束宽度度确定了距距离R处的合成成孔径的最最大长度。由于天线线的波束宽宽度由波长长和天线水水平孔径DD之比来决决定，所以以合成天线线孔径的最最大长

8、度为为 （21.3）线性方位分分辨力是式式（21.2）给出出的有效波波束宽度和和距离R的积，即即 （221.4）将式（211.2）、（21.3）代入入式（211.4）得得到 （211.5）注意，式（221.5）表表明方位线线性分辨力力与距离和和波长均无无关，而且且还表明较较好的分辨辨力是由较较小而不是是较大的实实际天线孔孔径来获得得的。这个个结果大大大推动了对对SAR的的研究。1953年年，在Miichiggan工程程研究计划划的夏季研研究班中，作作者首次接接触到了SSAR的概概念。就在在那个夏季季，Illlinoiis 大学学的Dr.C.W.Sherrwin1、通通用电气公公司的Drr.Wa

9、lltHauusz及PPhilcco公司的的J.Kooehleer提出了了与合成孔孔径天线有有关的概念念，并使作作者注意到到CarllWileey和Gooodyeear飞机机公司已经经在合成孔孔径领域进进行的某些些工作及取取得的一些些实质性的的进展。Carl Wileey以其在在SAR方方面的工作作而于19985年获获得了IEEEE航空空和电子系系统学会颁颁发的先驱驱奖。参考考资料2和和关于SAAR的早期期相关历史史文献中均均对此作出出了评论和和叙述。早期的研究究人员大多多数考虑的的是不聚焦焦的合成孔孔径。然而而，Dr.Shzeerwinn指出：采采用聚焦技技术可获得得更高的分分辨力。这这是因

10、为聚聚焦技术可可消除合成成孔径最大大长度的限限制。在MMichiigan大大学，作者者和其同事事共同开发发了由Drr.Sheerwinn提出的聚聚焦概念。21.2 影响雷雷达系统分分辨力的因因素下面将对常常规雷达天天线、非聚聚焦合成孔孔径和聚焦焦合成孔径径进行简单单地比较344，且采采用合成孔孔径的专用用术语，给给出这3种种类型的分分辨力比较较。有关距距离和方位位联合分辨辨力的更详详细地推导导将在本章章的后面部部分给出。比较3种情情况的方位位分辨力有有3种技术术：（1）常常规技术，这这种情况下下的方位分分辨力依赖赖于发射波波束宽度；（2）非非聚焦型合合成孔径技技术，合成成孔径的长长度可以达达到

11、非聚焦焦技术所能能容许的数数值；（33）聚焦型型合成孔径径技术，合合成天线的的长度等于于每个距离离上发射波波束的线性性宽度。常规情况的的线性方位位分辨力可可由下式给给出，即 （21.6）非聚焦型情情况下的分分辨力为 （211.7）聚焦型情况况下的分辨辨力为 （21.8）式中，为雷雷达发射信信号的波长长；D为天线水水平孔径；R为雷达距距离。图21.11是这3种种情况的方方位分辨力力与雷达距距离的关系系曲线，是是在天线孔孔径为5fft，波长长为0.11ft的情情况下画出出的。图21.11 3种种情况的方方位分辨力力常规技术获得方位分分辨力所采采用的常规规技术是发发射窄波束束。在这种种情况下，目目标

12、分辨力力主要取决决于目标是是否落在辐辐射波束的的半功率宽宽度之间，虽虽然有些技技术可用来来分辨间隔隔小于波束束宽度的目目标。常规情况的的线性方位位分辨力计计算是大家家所熟悉的的。注意，辐辐射波束宽宽度（raad）为，而而在距离RR处的波束束线性宽度度是此波束束宽度与距距离的积，这这样就得到到如式（221.6）所所示的结果果。从天线原理理考虑，式式（21.6）只适适用于天线线的远场方方向图，远远场起始点点的距离RRmin为 （221.9）将式（211.9）代代入式（221.6），得得到常规技技术所能达达到的最佳佳分辨力为为 （21.10）非聚焦型合合成孔径较简单的合合成孔径技技术是非聚聚焦合成孔

13、孔径。在这这种情况下下，将合成成孔径天线线阵列的各各点处所接接收的相参参信号进行行积累。积积累前，不不对信号进进行移相。这种不进进行相位的的调整，使使所形成的的合成孔径径长度有一一个最大值值。当雷达达目标到达达合成孔径径中心的往往返距离与与目标到达达该天线阵阵列边沿点点往返距离离之差为/4时，即即是最大可可能的合成成孔径长度度。如图21.2所示的的是与非聚聚焦型合成成天线相应应的几何图图形。图中中，R0表示从目目标到阵列列中心点的的距离；LLeff表示示合成天线线的最大长长度。这样样，目标到到合成孔径径天线边沿沿的距离不不能超过。图21.22 非聚焦焦型合成孔孔径的几何何图形从图示的几几何关系

14、可可得到 （221.111）只要与相比比很小，则则从这个表表达式就可可求出为 （21.112）合并式（221.2）和和式（211.12），得得到 （211.13）用距离乘以以这个波束束宽度就得得到式（221.7）所所给出的分分辨力。注意，非聚聚焦型合成成天线的横横向线性分分辨力与实实际天线孔孔径大小无无关，采用用短的波长长可改善横横向距离分分辨力。该该分辨力与与成比例地地变化，并并随着距离离的平方根根增加而变变坏。在如如图21.1所示中中给出了式式（21.7）的曲曲线图。聚焦型合成成孔径在这种情况况下，分辨辨力的表达达式已由式式（21.8）给出出。有意义义的是在这这种情况下下，方位分分辨力仅依

15、依赖于实际际天线孔径径，并与常常规的情况况相反，高高的分辨力力要求采用用小的天线线而不是大大的天线。另一个有有意义的是是，对于给给定的天线线尺寸，可可得到的分分辨力与距距离和所用用的波长均均无关。式式（21.8）的曲曲线也由如如图21.1所示给给出。为了得到式式（21.8）所表表示的分辨辨力，要求求SAR的的天线长度度为 （21.114）推导式（221.122）时用到到的思路表表明，除非非对信号进进行附加地地处理，否否则式（221.144）所示的的天线长度度是达不到到的。所需需的处理就就是要对SSAR天线线在每一位位置上所接接收到的信信号进行相相位调整，使使这些信号号对于一个个给定的目目标来说

16、是是同相的。这样处理理后，对于于式（211.12）所所给出的最最大天线长长度的限制制就不再适适用，而对对可能达到到的天线长长度的新限限制即可简简单地变为为波束在目目标距离上上的线性宽宽度。在某些情况况下，分辨辨力比D/2差就就足够了。那么，就就能使用最最大的聚焦焦合成天线线长度的一一部分，这这种情况，可可设 （211.15）所得到的分分辨力为 （21.116）对于由式（221.155）给出的的合成孔径径天线长度度小于或等等于由式（221.122）给出的的非聚焦型型的合成孔孔径长度的的情形，聚聚焦技术所所能达到的的分辨力改改善是有限限的。然而而，若要希希望分辨力力高于式（221.7）所所给定的分

17、分辨力，就就必须用聚聚焦型的SSAR天线线。聚焦技技术消除了了非聚焦情情况下对天天线合成孔孔径长度的的限制。21.3 雷达系系统的初步步知识无论是否采采用合成孔孔径技术，一一个雷达系系统有很多多部件。运运用合成天天线或脉冲冲压缩技术术时，对某某些部件提提出了附加加的要求，尤尤其在相参参和稳定性性方面。本节讨论的的目的是在在信号处理理器之前的的雷达系统统的框图，并并描述了框框图及其若若干的变异异，目的是是说明单独独采用合成成孔径形成成技术与同同时采用合合成孔径形形成技术和和脉冲压缩缩对雷达系系统收发部部分的主要要影响。其其信号处理理部分将在在以后讨论论。SAR的主主要组成如如图21.3所示。图中

18、，左左上角虚线线框内部分分是确定发发射波形的的，由两个个稳定振荡荡器组成。其中，一一个是中频频振荡器，工工作的角频频率为2。这个振振荡器的输输出送到混混频器1。这个混频频器产生多多个和频和和差频，并并选择所需需的和频或或差频送到到功率放大大器。若不用脉冲冲压缩技术术，单用合合成孔径形形成技术就就完成了，则则图中的虚虚线框部分分“频移振荡荡器”就不需要要了，本振振1输出就直直接输入给给混频器11。若同时使用用合成孔径径形成和脉脉冲压缩技技术，就要要用频移振振荡器（FFDO）以以得到所希希望的波形形。在这种种情况下，用用本振锁定定FDO，用用线性斜变变电压加到到FDO以以实现线性性调频。送送入混频

19、器器1的是线线性调频信信号，而非非LO信号号。除了线线性调频波波形，其他他波形也可可用于脉冲冲压缩技术术。如图221.3所所示中，若若进行光学学处理，则则视频放大大器的输出出就要送给给记录器；若进行电电子处理，则则视频放大大器的输出出就要送给给电子处理理器。图21.33 相参雷达达系统框图图21.4 信号处处理理论下面将讨论论脉冲压缩缩技术和合合成孔径形形成同时运运用时的理理论，以表表明对所涉涉及的信息息理论的考考虑，并指指出同时达达到方位合合成孔径和和脉冲压缩缩所必须涉涉及的运算算，推导出出距离-方方位的联合合分辨力函函数，同时时对合成天天线-脉冲冲压缩雷达达的信噪比比特性进行行分析。 分辨

20、力的详详细分析可用表征系系统的距离离和方位的的分辨力特特性的模糊糊函数进行行分析。在在分析中，某某些条件要要给予证明明，在这些些条件下，影影响距离分分辨力的项项可与影响响方位分辨辨力的项进进行因式分分解。这样样，使最后后的模糊函函数可以写写成两项的的乘积，一一项为距离离分辨力，另另一项为方方位分辨力力。广义模糊函函数的作用用下面将定义义广义模糊糊函数，并并解释它在在定义系统统分辨力时时的作用。为定义雷达达系统的广广义模糊函函数，假设设f(t)为发射的的波形。考考虑到为确确定被测地地形的雷达达反射率而而对接收信信号所进行行的运算，函函数f(t)可以假定定成为各种种形式，即即可以是短短脉冲组成成的

21、序列。若函数（x,y,z）代表被被测地形的的反射率，那那么雷达系系统接收的的信号可以以表示为遍遍及整个被被辐射地区区的积分，即即 （21.117）式中，R为为地面上某某点（x,y,z）到雷达达位置（vvt,0,h）的距离离。式（221.177）表明，接接收信号是是天线辐射射图内和距距离门内同同时到达天天线的大量量的反射回回波的叠加加。设计雷达的的问题之一一就是设计计对s(t)的运算，以以还原出反反射函数（x,y,z）。其中中之一是使使信号s(t)通过一个个匹配滤波波器。S(t)通过这个个匹配滤波波器的运算算由下式给给出，即 （221.188）式中，*表表示复共轭轭；表示从从雷达天线线到欲计算算

22、其反射率率的一个特特定点的距距离。将式（211.17）代代入式（221.188）得到输输出信号的的四重积分分，即 （21.119）若积分顺序序可以交换换，则可先先对t进行积分分，可以定定义一个函函数，此函函数为广义义模糊函数数，即 （21.20）根据广义模模糊函数定定义，即式式（21.20），可可重写式（221.199），得到到 （221.211）式（21.21）表表明，模糊糊函数可当当做对（x,y,z）的权函函数。因而而雷达系统统的输出可可被看做是是在积分限限确定的区区域上的加加权平均值值。若模糊糊函数集中中定位在某某一点，而而在其他所所有点均近近似于0，则则输出就可可很好地表表示了该点点的

23、雷达反反射率。否否则，在给给定点的反反射率的估估计值就是是式（211.21）给给出的加权权平均值。虽然在这一一节对积分分限的考虑虑没有必要要，但应当当指出的是是，式（221.211）表明雷雷达系统中中反射率的的输出估计计值是模糊糊函数和辐辐射函数的的积对的加加权。这里里的辐射函函数即是信信号的能量量在平面上上的分布函函数。通常常，辐射函函数由脉冲冲宽度、天天线辐射图图和雷达方方程中出现现的各项所所决定。在在某些情况况下，模糊糊函数不只只在一个点点上有峰值值。若辐射射函数仅包包括这些峰峰值中的一一个而排除除所有其他他的峰值，就就可得到非非模糊系统统。模糊函数的的因子分解解首先，假设设f(t)为 （221.22）式中，g(t)为既有幅幅度又有相相位的复函函数；0为载波频频率。将式式（21.22）给