合成孔径雷达(SAR)/逆合成孔径雷达(ISAR)概述

jack_are

合成孔径雷达是一种高分辨雷达，高分辨雷达（High Resolution Radar，简称 HRR）是指相对于常规雷达来说具有较高分辨力的雷达。一般高分辨雷达的分辨单元远小于雷达目标，从而使得雷达目标占据多个分辨单元。如果能够利用适当的信号处理方法，从雷达回波中恢复出各个分辨单元的信息如幅度、相位、频率、极化等，就相当于实现了对雷达目标的“成像”。显然，雷达分辨单元越小，雷达回波中含有的信息越多，相应的成像技术也越复杂。
& c; ~0 R* x8 s* k8 `* g现代高分辨雷达的兴起为目标识别提供了新的途径。分辨力的提高使雷达的功能远远超出了常规检测、定位、搜索和跟踪的范围，从而包括了其它一系列新的先进功能，如目标成像、识别、地形测绘等。高分辨雷达工作频率位于光学区，发射宽带相参信号。大的带宽提供了高的距离分辨力。当距离分辨单元远小于目标的尺寸时，目标占据多个单元，这时目标散射点沿距离方向被分辨开来。相应地，高分辨雷达回波中呈现出的起伏和尖峰，反映了目标散射特性沿距离方向的分布，常称为高分辨距离像。距离像是特定视角内目标散射点的一维分布图像，采用散射点模型匹配的概念，可在距离像域进行目标识别。距离分辨单元的大小与雷达信号带宽成反比。带宽越宽，散射点分辨得越精细。
. j3 h' G( R& `: o- c9 p9 f研究和设计高分辨雷达的目的是获取尽可能多的雷达目标信息，实现对雷达目标的高精度成像，从而实现对雷达目标的识别。根据雷达信号理论，雷达距离分辨力取决于其发射信号带宽。为了获得高距离分辨力，人们较早采用的是单频窄脉冲信号。由于受器件峰值功率的限制，采用窄脉冲信号不能发射较大的信号能量，因而限制了系统的探测距离，使系统探测距离和距离分辨力成为一对矛盾。现代雷达通过各种不同的调制方式来增大发射信号带宽，同时对接收信号采用一定的信号处理方法来获得高距离分辨力，这样在保证具有较高距离分辨力的同时，可以发射较宽的脉冲来增大系统的平均发射功率，从而增加系统的探测距离。
! a. I0 F& S+ M) C为了获得目标两维分辨图像，除了提高距离分辨力，还需要提高方位分辨力，使方位分辨单元大小与距离分辨单元大小相等或接近。常规雷达提高方位分辨力需要增大天线孔径，对同样的方位分辨力，雷达作用距离越远需要天线孔径越大，当天线孔径大到几百米甚至几公里以上时，其实现几乎是不可能的。在真实孔径雷达天线难以实现方位高分辨时，合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称 SAR）应运而生，SAR 利用雷达载体的规则运动将小孔径天线在空间合成大孔径天线，从而实现方位高分辨。

1、合成孔径雷达（SAR）
雷达通过发射大时宽带宽积信号，经脉冲压缩得到高的距离分辨力。距离分辨力的提高使人们想到用同样的方法来改善雷达的方位分辨力，以获得高分辨力的二维雷达图像。对于真实孔径雷达，雷达的方位向分辨力依赖于波束宽度（由天线孔径及工作波长决定）和作用距离，方位分辨力等于波束宽度与雷达到目标之间距离的乘积，天线波束越窄，距离越短，方位分辨力越好。

* L- m6 `' {2 c- ?8 M合成孔径雷达成像基本原理：
合成孔径原理可以借助于真实孔径天线阵列的概念来理解。真实孔径天线如图 5-1 （a）所示，由 N 个阵元组成，各阵元到地面目标场中一点 P 的距离分别为R1，R2....Rn，各阵元到 P 点反射波的传输延时分别为T1，T2......Tn ，雷达对来自各阵元的回波信号进行同相相加以对 P 点目标进行聚焦成像。
* `4 _: u' v: C  n( q3 c6 Q  C1 r! p合成孔径的概念与真实孔径天线阵列相似，也是将各个阵元的回波信号经相位补偿处理后同相叠加以形成等效天线阵列；区别在于合成孔径是借助于单个小尺寸天线阵元的移动（而不是真实存在的天线阵元）形成等效天线阵列，即合成孔径天线阵列，如图5-1（ｂ）所示。SAR 天线孔径的合成过程是：雷达通过不断地移动小尺寸天线，在依次经过的各个位置发射大时宽带宽积信号，同时采集存储回波数据，当记录到足够多的数据后，对被存储的数据进行相位补偿和同相叠加处理，即可聚焦成像以再现雷达照射区域中目标的图像。一个典型的 SAR 的信号处理流程如图 5-2 所示。
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; S1 Q3 ], g( V; ^/ H8 ]SAR 信号处理流程图：


3 w" _9 ?7 {5 X# \4 l% j合成孔径雷达信号处理的基本原理：
合成孔径雷达能够在目标距离向和方位向实现高分辨成像。距离向高分辨成像是通过发射大时间带宽积信号，然后接收回波信号进行脉冲压缩来实现的，其技术比较成熟，容易获得较高的距离向分辨图像。方位向高分辨是利用合成孔径原理获得的，它利用雷达载体和被照目标之间的相对运动，通过传感器在等间隔位置上发射并接收相干脉冲信号，对此信号进行相干处理来实现方位高分辨。
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+ G4 k$ _/ Q  z2、逆合成孔径雷达（ISAR）
0 [; ~( M5 R5 e) {雷达动、目标不动的成像雷达是最常规意义下的合成孔径雷达（SAR），而雷达不动，目标运动的成像雷达通常被称为逆合成孔径雷达（ISAR）。SAR 和 ISAR 在原理上是一样的，但由于被成像的目标不同，因此，其成像处理的难点和复杂程度也不同。SAR 针对固定目标成像，载体运动相对简单，而且在一定程度上是已知的，但由于 SAR 通常成像区域都比较大，因此，数据量很大、信号处理复杂。而 ISAR 一般针对非合作目标成像（飞机、导弹等），信号处理难度很大，尤其是运动补偿。我们知道雷达径向距离分辨力取决于雷达信号带宽，方位向距离分辨力取决于雷达工作波长、天线孔径和目标距离。雷达实际孔径能达到的方位向分辨力十分有限，而逆合成孔径雷达（ISAR）具有很大的等效孔径，可以达到很高的方位向分辨力。
逆合成孔径雷达与合成孔径雷达几乎是同步发展的。逆合成孔径雷达的基本原理是距离多普勒成像，早在 20 世纪 50 年代就已经提出，20 世纪 60 年代研制出对空间轨道目标成像的雷达，20 世纪 70 年代获得高质量近地空间目标图像。对于飞行中的机动目标，平动分量的精确补偿难以实现，直到 1980 年，才实现对飞机的成像。ISAR 的对象为非合作目标，为了建立运动补偿模型和便于计算，对目标的运动规律作了一定的简化。为了进一步改善 ISAR 成像效果，并应用到复杂的环境，学者们正在研究高度机动目标的成像方法和多目标自动成像方法等。随着 ISAR 成像技术的成熟，要解决的主要问题是 ISAR实时成像和 ISAR 技术的应用。本节主要介绍 ISAR 二维成像原理和 ISAR 成像关键技术。
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) Y( ~, c$ E2 \/ M4 MISAR 二维成像原理：
% p" w$ c) Y& ]2 E+ c4 o! j  ^ISAR 将目标和雷达之间的相对运动分解为目标上某个参考点相对于雷达的轨道运动和目标绕参考点的转动两部分，如图 5-13 所示，雷达目标从Ａ移动到Ｂ，等效为Ａ移动到Ｃ并旋转 角，至于从Ｃ～Ｂ的那一段圆周运动，由于切向速度对于多普勒频率没有贡献，此段运动对方位分辨不起任何作用。在从Ａ到Ｃ的平移运动中，由于目标所有的散射点都作相同的径向运动，因此它们产生的多普勒频率是相等的，对于区分不同的散射点不起作用。只有目标相对于参考点ｏ的旋转运动才会产生所需的能够成像的多普勒频率。可见，首先要通过运动补偿去掉雷达回波中的目标参考点的轨道运动成分，然后才可用各种 ISAR 成像算法进行成像处理。ISAR 雷达成像处理的基本任务是以散射点模型为依据，对雷达回波进行相干积累，重建目标散射率的空间分布。雷达成像可以理解为由许多散射点构成的目标图像。

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