合成孔径_逆合成孔径和成象雷达_一_

义讲座义 合成孔径 、 逆合成孔径和成象雷达?一? 张 直中 ? 已? 旦犷 ? 习万二习 为 了改善机载微 波雷达地形测绘 时 方 位向分辨力 , ? 。年代人们开始研究合成孔径 雷达的理论和实验 , 于是合成孔径雷达是指 雷达移动被测物 ?地而?固定得到地形的清 晰图象 。 ? ? 年代人们根据合成孔径的理论和 实践 , 发展了在一定条件下雷达固定目标物 移动获得清晰图象的理论和方法 , 有人称这 种方式为逆合成孔径雷达 。 ? ? 年代 , 通过理 论上进一步的发展和深 入探讨以及大规模集 成电路和大容量高速电子计算机的问世 , 使 微波成象雷达得以实现 。 当然 , 合成孔径和 逆合成孔径均属成象雷达范畴 。 虽然合成孔径 、 逆合成孔径和成象雷达 的基本原理是一致的 , 但具体的工作方式 、 影响性能的各种 因索以及信息处理和获得图 象 ?形象?的方法则有所不同 。 因此下面我 们将由简至繁 , 由不 同的原理观 点至具体的 处理方法进行分章论述 。 第一章论述合成孔 径雷达灼基本 原理 , 第二章讨论合成孔径雷 达不同的类型 和不同分类 法 , 第三章讨论合 成孔径雷达的二维分辨力以及祸合和模糊等 限制 因素 , 第四章讨论合成孔径 雷 达 的功 率 、 运动补侩 、 光学和数字处理以及设计举 例 , 第五章讨论逆合成孔径雷达 , 第六章讨 论成象雷达 , 实质是合成和逆合成孔径综合 性和深入内在本质性的探讨 。 在合成孔径侧绘中虽有正侧 视 、 斜侧 · 视 、 多普勒波束锐化和聚束定点照射等多种 形式 , 但基本原理是相通的 。 因此本文前四 章的探讨大多以正侧视为例 , 这是由于正侧 视方式是目前最常用的 , 再则正侧视方式物 理意义较易讲请 , 数学表 达也较简清 。 善于 思考的读者对正侧视方式各方面的认真理解 就可能举一 反三地将它应用到斜侧视 、 多普 勒锐化和聚束照射等方式上去 。 第 一 章 合成孔径雷达的基本原 理 前 言 二次大战结束时雷达的距离分辨力已达 ? ? 米 , 但对 ? ? 公 里处目标的方位分辨力则 大于? ? ?米 。 如何能大大改善方位和距离分 辨力成为五十年代雷达技术研究的重要课 题 。 当时机载雷达用真实波束作地形测绘 , 寻找改善方位分辨力的新方法显得 特别 重 要 。 例如 , 通常方位向分辨力是依靠天线产 生狭的水平波束 , 机载雷达由于天线空间尺 寸的限制 , 无法小于? “, ? “ 波束在 ? ? 公里 处的方位向分辨力为?公尺 分辨力 。 如果 距离分辨力为 ? ? 公尺 , 耍使方位向分辨力 · ?在? ?公里处?和距离向相同 , 则应侧天 线波束为? ? ? ? 。, 显然真实天线 不可 能做 到 。 当时 , 美国密西根? ?五婚? , 卜 大 学 有一批科学家想到 ? 协条很长的钱阵天线所 ? 电子工业部第助研究所 。 以能有高的方位分辨力 , 是 由于发射时线阵 的每个振子同时发送相干信号 , 因此形成很 窄的发射波束?接收时每个振子又同时接收 回波信号并在馈线中同相迭加 , 形成很窄的 接 收波束 。 他们认为同时发射和同时接收其 实并非必需 , 可以先在第一振子上发射和接 收 , 再在第二个振子上发射和接收 , 依次下 去 , 并把接收到的信号全部贮存起来 , 待 到 最后一个振子发射接收完毕 , 然后将贮存的 全部信号同相迭加 , 其效果就类似于长线阵 天线同时发射接收 。 因此只要用 一个小夭线 沿着这个长线阵的轨迹等速移动并辐射相干 信号 , 记录下接收信号并经 适当处理 , 就 能获得相当于 一个很长 线阵天线的方位向高 分辨力 , 人们称这一概念为合成孔径天线 。 机载雷达采用这种合成孔径天线技术的称为 合成孔径雷达 。 美国合成孔径雷达及其处理 技术开发最早 , 现将其有代 表性的大事年表 列于下面 ? · ? ? ?年 , 密西根大学首先用光学相 关器展示了合 成孔 径雷达 的地形 测绘图 , · ? ?年代中期 , 用模拟电子相关器非 实时展示了地形测绘图 。 · ? ?年 代后期 , 用数字电子相关器非 实时展示 了地形测绘图 。 · ? ?年代初期 , 用高速数字相关器实 时展示了地形测绘图 。 由上可见 , 合成孔径雷达的关键是在信 号 的 相关处理技术上 。 目前 , 机载测绘雷达已经达到方位向和 距离向分辨 尺寸均是一米左右的量级 , 方 位向采用合成孔径技 术 , 距离向采用脉冲压 缩技术 。 如果使用要求允许 非实 时 测绘 , 例 如 资源勘 探 、 地图地形测绘 、 作物生长预 测 等等 , 光学相关技术和数字相关技术均 可使 用 , 若必须实时测绘 , 例如作战中前沿敌军 动态侦察 , 则必 须用高速数字相关处理 。 分析和实践均表明 , 合成孔径夭线比实 际的长线阵天线优越 , 主要有 ? ? 同样长度的合成孔径天线和实除 长线阵相比 , 合成孔径分辨力要高识百 。 这 是由于实际长线阵分辨力取决于线阵中各单 元的接收单向相位差 , 而合成孔径取决于单 元的发射和接收双向相位差?详见芍? ? ? 。 ? ? 实际长线阵允许的理论长度是有 限的 , 即 目标必须在天线的远场区 , 关系式 为? “? 入 , 式中?为目标距离 , 入为雷达 波长 , ? 为符合远场区的天线长度 。 例如若 ? ? ? 公里 , 入? ? 厘米 , 则实际长线阵天 线的极限长度为了? ? , 。 ? ? ? ? ?“ ? ? ? ?米 , ? , , ? , 二 , 、 , 。? 入? ? ? 公 里处的 极 限 分辨力 为乙? ? 、 斗上 。甘 从 ?凡 “? 叭 憋刀盯 ? ?“ “ 一 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 二? ? ? 米 。 若实际 天线超 过上式极限长度 , 由于各接收振子收到的信 号相位不一致 , 不仅不能提高分辨力反而会 下降 。 但合成孔径天线可以在信息处理中进 行对各次回波信息在迭加前进行相位补偿使 它们完全同相迭加 , 这种处理方式称为 “聚 焦 ” , 完全聚焦的合成孔径天线可以得到极 高的 ?理论上无止 境?分 辨力 , ?详见 怪? ? ? 。 ? 实 际长线阵天线的方位波束宽度 一定 。二 车 , 式中。为方位波束宽?弧度? , 因 踢 一 ? 月 ? ? ? ? 脚一 ? ?、 ? 、 刃, ? , ? 此方位向尺寸分辨力随距离的增大成比例变 坏 。 若用作地形测绘 , 必 然近处清晰远处模 糊 , 很不理想 。 就如日常生活中目视所见情 景 , 眼睛就是一具实际的光学 天线组成的传 感器 。 但聚 焦的合成孔径天线则能使远近 地 面均具有相同的线尺寸分辨力 , 这一奇妙的 特性对大 面积地形测绘是非常理想的 ?详见 式? ? ? ? ? 推导过程 ? 。 ? ? ? 合 成孔径原理和横向线尺寸分拼力 天线孔径之所以能合成 , 实质上是由于 雷达和 目标具有相对运动时月标回波脉冲列 信号中存在着多普勒频率的变化 , 信息处理 是将这脉冲列信号中的多普勒变化信息用匹 配滤波或相关积分处理提取出来 。 若照射目 标的脉冲列时间为 ? , 能分辨的多普勒频率 差? ? 二犷 , 因此?大就使? ? 小 , 就能获 一 一 “ ? ? ? 一尸 、甲“ ?一 “ 寸 了 少 “ “、 得高的方位向 ?横向?尺寸分辨力 。 上面说 的匹配滤波是频域处理 , 相关积分是时域处 理 , 它们是等效的 , 数学表达式有 ? · ?, · ?一 ? ? ·? ,· ” “ 二 ?一 , ,· 一” ? 。? ? 式中? ? ? ? 为处理后的输出信号波形 , ? ? ? ?为 接收信号波形 , 它的频谱为 ? ? 。 式中 上 面部分表达接收信号谱经匹配滤波器后输出 的谱转换成波形的付里叶反变换式 。 下面部 分表达接收信号波形 经相关积分后的输出波 形 。 它们二者的等效性及具体实现方法在许 多资料中均讲到 , 例 如参考资料? 。 在实际工作 中 , 采用哪一种处理器 , 视 具体实现的方便而定 。 我们以最常用的正侧视机载合成孔径雷 达来说明基本工作原理 。 雷达发射相干脉冲 列信号 , 可用图? ? ?表示简化的雷达框图 。 是相同形式的编码微波信号 , 常用的是线性 调频信号 , 于是相千脉冲列信号就通过收发 开关送至 天线向要测绘的地面发射 。 地 面回 波信号经同一 天线和收发开关到达接收机高 放 , 经 混频成中频?可以是零中频? , 然后 经相位检波器输出 。 相位检波器的输出值是 比例于接收信号和稳定本振之间的余弦相差 值 , 即图示的 ? ? ?小? ? 。 换言之 , 用稳定本 振可精确测定目标每个脉冲 回波与本振间的 相位差以及同一 目标被相 干脉冲列照射后回 波脉冲与脉冲间的相位差的变化 。 图 ? ? ? 示出求得机载合成孔径接收回波 的相位和 多普勒频率一般表达式的 几何关 系 。 鞠 菜 编 “ 成架黔 ”二“ 图? ? ? 相 位和多普勒须率的几何 关 系图 图中? 、 ? 、 ? 。、 五所代表的意义均已注明 , ?为在接收时间?内的航程 。 由图可得 , 在 ? 时的斜距? ? ?为 ? 幼幼幼 ? 二 ? 。 ?, 一 一坐华业 ? ? 坐丝业丝 、 ? 。 ?落 ? 。? ? 臼?价茂, 雷达信号去回双程距离的变化为 ? 二 ? 。 一? ? 图? ? ? 相干雷达 简化框图 ? ? ? ?一 ? 忿?么 ? 。 ?名? 图中由极稳定的连续波振荡器产生基 准频 率 , 经倍频后送至微波功率放大级 , 脉冲摘 制器产生等间隔的脉冲列 , 使功率放大器输 出脉冲列微波信号 。 组成脉冲列的每个脉冲 ? 。? ? 转换成?时间的相位变化则有 ? ? 在不加权情况 可 写成 ? ? 二 ? 了 ? ,、 ? 叔 ? 。 甲、?声? ?布,一 。从 人 ? ? 在实际工作中必然有? 。 ? , 因 此上式可 进一步简化得 乳一 石 石 一 ?人 ? ?名 一 ? 石 ?应? ? 。? ? ? ? ?入? 下犷? 凸? ? 口、? 一牡? 人 这就是图? ? ?中相位检波器的输出 。 这个相 位变化转换成?时刻的多普勒频率 ? ? 为 ? ? ?小? ? ? ? 兀 ? ? ? ? ? 名? 入? 。 ? ? 。? ? 若在邻近?点的地面有另一点? , 雷达 至?点距离与?点相同?在同一距离门内? 。 雷达对这邻近二点有一个很小的视角差 如 图? ? ?所示 。 由此式可知 , 当值一定时 , ? ? ? ? 。 可得最 大的? 值 。 合成孔径的处理实际是用窄带滤 波器进行多普勒频率分辨 , 由式? ? ? ?可知 , 当? 值给 定时 , ? ? ? ? “ 可使值最小 , 也就 是有最好的横向分辨力 。 这就是为 什么地形 测绘合成孔径雷达的天线通常总装在飞机侧 面 。 为 了表达天线波束和飞行方向是 垂直 的 , 有些资料称此为正侧视合成孔径 。 正侧 视合成孔径横向二点方位角差和多普勒频差 的关系式为 ? ? ? ? 二一一 ? 一 人 ? 。? ? 心。 , ? 图? ? ? 口邑 。 假设? 。 ?的情况 , 即 下视俯角接 近 零 。 ?为飞行 矢量 和?点 的方位角 要建立具有带宽为? 的 滤波器需要积累 时间? , 它们的关系为 ? 二 ? ? ? ? ? 将式? ? ? ?代入得 入 ? ? 。? 互? 为简化起见 , 图中假设? 。 ? , 即天线俯 角勺?