合成孔徑雷達(dá)發(fā)展歷史

合成孔徑簡(jiǎn)微波的概微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)111“頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。波段代標(biāo)稱波長(zhǎng)頻率波長(zhǎng)波段代標(biāo)稱波長(zhǎng)頻率波長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍L1-30-SCXK27-1.11-U40-0.75-V60-0.5-W80-0.375-

圍在300MHzHz主要用于、（a)

范圍在30GHz300GHz用于通訊合成孔徑的概徑(SyntheticApertureRadar,SAR)時(shí)的現(xiàn)代高分辨率微波成像。它是二十世紀(jì)高新科技的產(chǎn)物，是利用合成孔徑原理、脈沖壓縮技術(shù)和信號(hào)處理方法，以真實(shí)的小孔徑天線獲得距離和方位向雙向高分辨率遙感成像的系統(tǒng)，在成像中占有絕對(duì)重要的地位。近年來(lái)由于超大規(guī)模數(shù)字集成電路的發(fā)展、高速數(shù)字SAR具備全天候、全天時(shí)工作和實(shí)時(shí)處理信號(hào)的能力。它在不同頻段、不同極化下可得到目標(biāo)的高分辨率圖像，由于其具有克服云、霧、雨、雪的限制對(duì)地面目標(biāo)成像，眾多領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。?guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科技研究者已投身于這一領(lǐng)域的研究。究真徑系統(tǒng)(RealApertureRadar。真實(shí)孔徑成像系統(tǒng)及處理設(shè)備相對(duì)較為簡(jiǎn)單，但所以要想用真實(shí)孔徑系統(tǒng)獲得較高的分辨率，就需要較長(zhǎng)的天線。但是所采用天線的長(zhǎng)短往往又受制于系統(tǒng)被載平臺(tái)大小的限制，不可能為了提高分辨率無(wú)休止地增加天線長(zhǎng)度。幸運(yùn)地是，隨著成像理論，天線設(shè)計(jì)理論、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)軟件和硬件體系的不斷完善和發(fā)展徑(SyntheticApertureRadar)的概念被提出來(lái)。合成孔徑系統(tǒng)的成像原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是利用目標(biāo)與的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的回波時(shí)間采樣序列去取代由陣列天線所獲取的波前空間采樣集合。并被成像。利用目標(biāo)－相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的軌跡來(lái)構(gòu)成一個(gè)合成孔徑以說(shuō)，其方位分辨率與波長(zhǎng)和斜距無(wú)關(guān)，是成像技術(shù)的一個(gè)飛躍，因而具有巨大的，特別是對(duì)于軍事和地理遙感的應(yīng)用更是如此。因此，合成孔徑(SAR)已經(jīng)成為成像技術(shù)的主流方向。合成孔徑的分一般情況下合成孔徑根據(jù)載體的不同，可分為星載SAR，機(jī)載SAR和SARSAR斜視和前視SAR條帶式(StripmapSAR)(SpotlightSAR(ScanSAR們?cè)诩夹g(shù)上各具特點(diǎn)，應(yīng)用上相輔相成。目前世界上能夠使用的星載和機(jī)載SAR系統(tǒng)共有28個(gè)。其中處于使用狀的星載SAR系統(tǒng)共有5個(gè)。而處于使用狀態(tài)的機(jī)載SAR系統(tǒng)有23個(gè)合供了極為有效的新途徑可以獲得包括地面高度信息在內(nèi)的三維高分辨圖像。多極化，多波段，多工作模式實(shí)現(xiàn)合成孔徑原理，需要復(fù)雜的信號(hào)處理過(guò)程和設(shè)備國(guó)國(guó)外發(fā)展及現(xiàn)合成孔發(fā)史及現(xiàn)我國(guó)及現(xiàn)合成孔徑發(fā)展史及現(xiàn)NASA的AirSAR系國(guó)外的發(fā)展天注計(jì)合成孔徑。60年代中期孔徑和數(shù)字成像技術(shù)取號(hào)和80年代初發(fā)射的航天注計(jì)一些發(fā)達(dá)國(guó)家正在籌劃

Convair-580C/XSAR1空中SAR概1

衛(wèi)歐星空雷局統(tǒng)9.目 AR的發(fā)過(guò)程 在不斷提高可以相信，科學(xué)家們 為人類的需要服務(wù)國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)國(guó)外各個(gè)國(guó) 發(fā)展現(xiàn)我國(guó)的發(fā)展目前，SAR發(fā)展水平的高低己經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家軍事力量與綜國(guó)力水平的標(biāo)志之一，其發(fā)展受到各國(guó)越來(lái)越多的重視。根據(jù)我國(guó)的迫切需要和國(guó)際SAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)還安排了高分辨率機(jī)載SAR系統(tǒng)、部署SAR定標(biāo)術(shù)、SAR 技術(shù)等一系列前沿課題和相關(guān)的應(yīng)用研究70年代中期，中 空航天 合攻關(guān)，微波遙感器。主要應(yīng)用于地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、海洋領(lǐng)究電子技公第14所，天607載SAR的成以及信號(hào)處理方面的研究。1976年開始了SAR1979年電子所成功地研制出機(jī)載SAR模樣機(jī)，并獲得我國(guó)第一幅合成孔徑1986年進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了機(jī)載SAR1990年成功研制出“機(jī)載SAR2000年成功研制出2.5米分辨率機(jī)載SAR我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)國(guó)內(nèi)在SAR研究方面也取得了很好的成績(jī)。中國(guó)電子學(xué)1979研制成功機(jī)載合成孔徑側(cè)視樣機(jī)，并在陜西武功地區(qū)進(jìn)行飛行試驗(yàn)取得了清的山地、平原、河流及橋梁的圖像。之孔徑側(cè)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括機(jī)載合成863SAR科技第14，電子科技第3于軍事偵察具有很重要的意義，同時(shí)以無(wú)人機(jī)為運(yùn)載臺(tái)的SAR系統(tǒng)也 制。前我國(guó)機(jī)載合成孔徑向?qū)嵱没?、、?biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展用合成孔的用合成孔徑的應(yīng)在航空方面，合成孔徑的分辨率可達(dá)到1米以內(nèi)。航天器上的合成孔徑因作用距離遠(yuǎn),為獲得高分辨率，技術(shù)較為復(fù)雜。1972年發(fā)射的“阿”17號(hào)飛船、1978年發(fā)射的“海洋”和1981年發(fā)射的“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)上都裝有合成孔徑。合成孔徑主要用于航空測(cè)量、航空遙感、海洋觀測(cè)、航天偵察、圖像匹配制導(dǎo)等。它能發(fā)現(xiàn)隱蔽和的目標(biāo)，如識(shí)別的發(fā)射井、識(shí)別云霧籠罩地區(qū)的地面目標(biāo)等。在圖像匹配制導(dǎo)中，采用合成孔徑攝圖，能使導(dǎo)彈隱蔽和的目標(biāo)。合成孔徑還用于深空探測(cè)，例如用合成孔徑探測(cè)月球、金星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。供有關(guān)軍事集結(jié)的信息。金星表面圖像，由麥倫號(hào)合成孔徑拍

微型合成孔徑探測(cè)月球極地幾米的陰暗區(qū)域是否存改進(jìn)型“山貓”合成孔徑進(jìn)行試通用原子航空系統(tǒng)（GA-ASI）公司已經(jīng)在第1批次的MQ-1C“天空（SkyWarrior）無(wú)人機(jī)上試飛了改進(jìn)型“山貓”（Lynx）合成孔徑（SAR）歐宇北冰洋海冰覆蓋面2005年至 ENVISAT上的先進(jìn)合成孔徑(ASAR)傳回的北冰洋像的合成 了海冰三的變遷空中電子：圖-154MD裝合成孔徑我國(guó)圖-154MD上的合成孔徑的資料是的。該系統(tǒng)將采波段多極化、高分辨率及SAR等三個(gè)方案中的一個(gè)，中國(guó)航天科工公司二院23所研制第一部機(jī)載C波段合孔徑(簡(jiǎn)稱CSAR)雷電院展出SAR/GMTI機(jī)Falcon100型SR/MTI機(jī)載是高性能合成孔徑，可裝備有人機(jī)或無(wú)人機(jī)，用于全天候/全天時(shí)條件下的空-地偵察監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測(cè)、評(píng)估等。1》民用領(lǐng)體的用途而定。通常民用距離和方位二維分辨力10m10m可。二維區(qū)域性(例如數(shù)十萬(wàn)平方公里)大面積小比例尺寸全貌水文學(xué)應(yīng)用(例災(zāi)區(qū)實(shí)時(shí)成像)農(nóng)作物監(jiān)測(cè)和森林監(jiān)降雨量估計(jì)土壤含水量估計(jì)和冬季積雪面積大城市及其四周城鎮(zhèn)的規(guī)劃布對(duì)地面巖石分析，可初步估計(jì)是否有石油或其它礦產(chǎn)資源能對(duì)考古作貢獻(xiàn)，例如古城市遺跡、故道等對(duì)海洋中船只監(jiān)測(cè)和海難救高緯度地區(qū)海洋中的冰層流動(dòng)，并判定新生成易破冰層。為更準(zhǔn)確滿上列某些要求，現(xiàn)代機(jī)載合成孔徑 均采用多頻段多極化的 。2》領(lǐng)合成孔徑在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，各類星載和機(jī)載合成孔徑成監(jiān)視、偵察的中堅(jiān)力量。合成孔徑要求的分辨力高，帶條成像1.0m×1.0m，聚束成像0.3m×0.3m二維成像的主要領(lǐng)域有(1)探測(cè)敵方縱深軍經(jīng)過(guò)或飛機(jī)轟炸敵方軍事設(shè)施后評(píng)估敵方損失從地雜波中發(fā)現(xiàn)敵方運(yùn)動(dòng)目標(biāo)聚束聚束合成徑化式合成孔徑的發(fā)展趨SAR技術(shù)正朝著能夠?yàn)槿藗兲峁└鼜V、更SAR技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)主要有：高分辨率和分辨率成像；多波段，多極化，可變視角和多模式；能夠產(chǎn)生目標(biāo)三維圖像的SAR；動(dòng)目標(biāo)成像；實(shí)SAR成像處理器。其中追求更高分辨率成像是SAR技術(shù)發(fā)展的。2000年2月，奮進(jìn)號(hào)航大飛機(jī)順利地實(shí)現(xiàn)了全球范圍內(nèi)的高小的前發(fā)家籌劃和研制新的可長(zhǎng)期進(jìn)行觀測(cè)的各種技術(shù)先進(jìn)的空間。如ASARSAR；下一個(gè)計(jì)劃是發(fā)Sir一D，它將是多頻段(可能有4個(gè))、多像，目在“者”的研究縱觀國(guó)外空間SAR的發(fā)展過(guò)程，隨著需求的擴(kuò)增和科學(xué)技術(shù)的展，合成孔徑技術(shù)主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展SAR將越來(lái)越多地使用多頻段、多極化、可變視角和源著可的薄線發(fā)展；未來(lái)的星載SAR將進(jìn)一步向著分辨率和多模式工作方向發(fā)展式合成孔徑技術(shù)將獲得進(jìn)一步的發(fā)展動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與動(dòng)目標(biāo)成像技術(shù)將取得新的突星載SAR的小型化技術(shù)和星座對(duì)地觀測(cè)技術(shù)將受到更大的重視實(shí)時(shí)信號(hào)處理和先進(jìn)的成像技 SAR和無(wú)人機(jī)SAR等聚束聚束式工作模式,是指在SAR飛行過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整天線波束的指向波束始終“聚焦”照射在同一目標(biāo)區(qū)域由于實(shí)行了“聚束 為A辨系1小型隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化，大逐步出一些明顯的弊端，主要體現(xiàn)于造價(jià)高昂、不便、應(yīng)急發(fā)射、戰(zhàn)術(shù)保障和快速反應(yīng)能力有限等 路和固態(tài)電子器件降低了電子設(shè)備的重量和體積，以可展開折疊網(wǎng)狀天線技術(shù)和輕型天線技術(shù)為主的輕型天線技術(shù)發(fā)展大大降低了天線的重量，大幅度降低了有效載荷的重量，從而降低了整體和需帶的重量；另一方面高效率能技術(shù)和電池技術(shù)的發(fā)展也相對(duì)降低了能源系統(tǒng)的重量，小系統(tǒng)及其組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展改變了的工作及使用模式，縮短了系統(tǒng)有效載荷的工作時(shí)間，從而也減小了對(duì)能源系統(tǒng)的要求，進(jìn)一步降低了的重量和體積。與大相比，小的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和快速反應(yīng)能力要強(qiáng)得多，并已經(jīng)發(fā)揮了一些作多功能、多模l978年發(fā)射的載SAR洋(Seasat—A)L射角，單一HH極化，現(xiàn)在在軌或正研制的SAR(或其他航天平臺(tái)的SAR)SARSAR正向著多模式、多頻、多極化和可變視角波束，并具有地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)顯示和地面高(scanSAR)和聚束(spotlight3種工作模式。掃描scanSAR)。工作模式要求波束在距離向的快速掃描，一般采用電掃描的方式。通過(guò)改變收發(fā)的極化方式，可獲HHVVHVVH(HVTerra—SARXL2個(gè)頻段，L頻段的性強(qiáng)。天基星載合成孔徑可通過(guò)像對(duì)方式或SAR(InSAR應(yīng)合成徑的原合成孔徑的原成 的側(cè) 面的一條帶 個(gè)圖 波束 要有 出現(xiàn)時(shí)遙感平臺(tái)向前飛行，天線發(fā)射和接收脈沖交替進(jìn)行；在時(shí)間反射回波。反射回波的信號(hào)記錄一條圖象掃描線。返回多普勒效我們假設(shè)某一聲源發(fā)出的聲波頻率為f，波長(zhǎng)為λ，它們與聲波度v的關(guān)系 波源以速度vs接近 SS'vsT

f

波源運(yùn)動(dòng)速度vs背離觀察波長(zhǎng)和頻率分別

SBSBSS

vvsv

到的一個(gè)事

f'

f

f" fs v源相對(duì)觀察者運(yùn)vsf'

聲波的速度是不變

'觀察者以運(yùn)動(dòng)速度vo接近波 相當(dāng)于聲波速度變?yōu)関+vo，而波長(zhǎng)不變f'

v實(shí)

的一個(gè)觀察者以運(yùn)動(dòng)速度vs遠(yuǎn)離波f'

觀察者相對(duì)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)v聲波的波長(zhǎng)是不變的波源、觀察者均相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)波源以速度vs、觀察者以速度vo互相接相當(dāng)于聲波速度變?yōu)関+vo，則可得到接收到的頻率表f'

v

結(jié)果為前兩種情況的結(jié)只要波源與接收裝置之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收到的頻率就不同于發(fā)射的頻率。兩者之間的距離縮短時(shí)，接收頻率高于發(fā)射頻率，反之，接收頻率低于發(fā)射頻率這就是多普勒效（Dopplereffect）。在聲波領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了多普勒效應(yīng)以后，經(jīng)過(guò)幾十年的研究，1938年科學(xué)家證明了在電磁波領(lǐng)域內(nèi)同樣存在多普勒效應(yīng)。目前，利用多普勒效應(yīng)研制出的導(dǎo)航、測(cè)距、、和氣象觀測(cè)等 系統(tǒng)已得到了廣泛的應(yīng)用。合成孔徑原多普勒效應(yīng)在合成孔徑上的應(yīng)點(diǎn)發(fā)射電磁波頻率為f0，與被觀點(diǎn)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)速度w’等于速w在波束方向上的投影w'w被觀測(cè)點(diǎn)所接收的電磁波頻率f’f'

cw 到達(dá)被觀測(cè)點(diǎn)的電磁波以頻率f’散射，一部分被接收。由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)被觀測(cè)點(diǎn)成為波源。接收到的回波頻率f為

波束指向前下方fcw

f'

cw'

f cw

波束指向后下方f方位分辨f

cw'f

2w

2w cw

cw

又w′/c2w'

2w'

2w 多普勒頻率的微分

若以δΩ表示多普勒頻率的分辨率，δψ表示方位

勒頻率的分辨率|δΩ|可以通過(guò)采樣時(shí)間長(zhǎng)度tS近似地表示

XD ：整個(gè)采樣時(shí)間ts 移動(dòng)距

2XD

合成孔徑的方位分辨率 x

r 2XD 的孔徑尺度D與2XDsinψ距離分辨S：SC：與探測(cè)點(diǎn)之間的距AB：距離分辨率，用δy根據(jù)直角三角形各邊的關(guān)系，δyEB

AB

為了分辨A點(diǎn)和B點(diǎn)，從這兩點(diǎn)返回的電磁波束不能合，這就要求EB的長(zhǎng)度大于或等于脈沖寬度的一半線段EB和脈沖持續(xù)時(shí)間τ的關(guān)系為2

y

2sinτ成正比，與入射角θ成反比:脈沖持續(xù)時(shí)間越短，距離分辨率越高；反之越低合成孔徑是一種高分辨率成像,所謂高分辨率包括距離向分辨率"SAR采用綜合孔徑原理提高的角分辨率;小沿線不動(dòng),在移動(dòng)中每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)信號(hào),天線接收相應(yīng)發(fā)射位置的回波信號(hào)存, 時(shí)必須同時(shí)保存接收信號(hào)的振幅和相位。當(dāng)天線移動(dòng)一段距離L, 的信號(hào)與長(zhǎng)度L的天線陣列諸單元所接收的信號(hào)非常相似,對(duì)地實(shí)像.這,利用多普勒頻移現(xiàn)象/合成一個(gè)更大的孔徑,達(dá)到/增加天線長(zhǎng)度的效,提高 圖像的位向(沿 飛行方向)分辨率。合成孔徑 通過(guò)飛行平臺(tái)的向前運(yùn)動(dòng)實(shí)被 發(fā)電照，散磁波會(huì)包含地物對(duì)電磁波的后向散射特性，地物目標(biāo)對(duì)電磁波的散射可以以一果 的固則只集一小部分從地物反射過(guò)來(lái)的信號(hào)（后向散射但是如果天線是快速運(yùn)動(dòng)的，則向磁號(hào)樣的量會(huì)大大增加。這樣利用一個(gè)小天線的連續(xù)移動(dòng)來(lái)獲取一個(gè)虛擬的大孔徑天線從而獲得與實(shí)際大孔徑天線同樣的效果 合成孔徑通過(guò)飛行平臺(tái)的向前運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)合成孔徑的目的。當(dāng)目標(biāo)被發(fā)射的電磁波照射