经典雷达资料-第21节 合成孔径(sar)雷达-1.doc

·PAGE 824· 雷 达 手 册 ·PAGE 825· 第21章 合成孔径（SAR）雷达 第21章 合成孔径（SAR）雷达 L.J.Cutrona 21.1 基本原理和早期历史 对于机载地形测绘雷达，一个日益迫切的问题是要求其具有更高的分辨力，并通过“强力”技术来达到高分辨力。通常这种类型的雷达系统是通过辐射短脉冲来获得距离分辨力，通过辐射窄波束来获得方位分辨力。 有关距离分辨力和脉冲压缩技术的一些问题已在第10章中讨论过了。在第10章中已经表明，若发射信号的带宽足够宽，则采用适当的技术可获得比相应脉宽要好得多的分辨力。由于脉冲压缩已在第10章中进行了广泛地讨论，因此本章将讨论直接应用于合成孔径技术中的脉冲压缩技术，特别是讨论对于同时完成脉冲压缩和方位压缩的技术，而不讨论顺序地完成距离压缩和方位压缩的技术。 本章所要讨论的基本原理是利用合成孔径技术来改善机载地形测绘雷达的方位分辨力，使其值比辐射波束宽度所能达到的方位分辨力要高得多。 SAR是采用信号处理的方法产生一个等效的长天线，而非真正采用物理的长天线。事实上，在绝大多数场合，使用的仅是一根较小的实际天线。 在考虑合成孔径时人们以长线性阵列物理天线的特性为参考。在阵列天线中，许多辐射单元沿直线配置在适当的位置上，并利用这种实际的线性阵列天线，使信号同时馈给天线阵的每个单元；同样地，当天线用于接收时，可使各个单元同时接收信号。在发射和接收工作模式下，用波导或其他传输线连接，利用干涉现象得到有效的辐射方向图。 若辐射单元相同，则线性阵列天线的辐射方向图是单个单元的方向图和阵列因子两个量的积。在线性阵列天线中，阵列因子比单元的方向图具有尖锐得多的波瓣（较窄波束），这种天线阵因子的半功率波束宽度?（rad）可由下式给出，即 （21.1） 式中，L为实际阵列天线的长度；为波长。 合成孔径天线往往仅用单个辐射单元。天线沿一直线依次在若干个位置平移，且在每一个位置发射一个信号，接收相应发射位置的雷达回波信号并储存起来。储存时，必须同时保存所接收信号的幅度和相位。 当辐射源移动一段距离Leff后，储存的信号和实际线性阵列天线的每一个单元所接收到的信号非常相似。因此，若对储存的信号采用与实际线性阵列天线相同的运算，就可获得长天线孔径的效应。这一概念将导致这种技术被称为合成孔径。 机载地形测绘雷达系统的天线通常被安装在侧视方向，而飞机的运动可将辐射单元送到天线阵的每一个位置。这些阵列位置就是实际天线在发射和接收雷达信号时的那些位置。 SAR的设计比实际线性阵列天线的设计有更多的自由度。这些自由度来源于这样的一个事实，即信号可以按存储距离进行选择。若需要，则可以对不同距离的信号做不同的运算。聚焦是这种运算中的一种重要的形式。 实际的线性阵列天线能够聚焦在特定的距离点，且环绕这个距离点存在一个聚焦深度。然而大多数实际线性阵列天线是不聚焦的，这就是有时所说的天线聚焦在无限远处。但是对于SAR，适当地调整各相加接收信号的相位，就可以分别对每一段距离进行聚焦，得到有效的合成孔径。虽然通常对所有距离施加的是同一类加权，但假若需要，则还可以对每段距离施以不同的加权。 实际线性阵列天线和合成线性阵列天线还有另一个重要的不同之处，即合成孔径阵列天线比相同长度的实际线性阵列天线的分辨力好2倍。下面的定性讨论将指出此因子2的物理意义，且用较一般的分析可以很自然地得到因子2。 在实际线性阵列天线中，发射信号对目标区进行照射，线性阵列天线的角度选择性仅是在接收过程中得到的。在这个过程中，线性阵列天线的每个单元接收信号的相位差即可形成天线方向图。另一方面，由于在SAR中，仅由一个单元发射和接收信号，因此来回的相移在形成有效辐射方向图中均起作用。其关系式为 （21.2） 式中，?eff为合成孔径天线的有效半功率波束宽度；Leff为合成孔径的长度。 本章的后面将给出SAR分辨力的更详细推导。下面的推导是由作者和其同事在对SAR的早期研究是所得出的。 用D表示机载地形测绘雷达所用的实际天线的水平孔径。距离R处的水平波束宽度确定了距离R处的合成孔径的最大长度。由于天线的波束宽度由波长和天线水平孔径D之比来决定，所以合成天线孔径的最大长度为 （21.3） 线性方位分辨力是式（21.2）给出的有效波束宽度和距离R的积，即 （21.4） 将式（21.2）、（21.3）代入式（21.4）得到 （21.5） 注意，式（21.5）表明方位线性分辨力与距离和波长均无关，