合成孔径雷达

背景用途

机载雷达对地面目标观测时，成像质量由分辨单元的尺寸确定。如图1所示。

图1 图像分辨力与分辨单元尺寸关系 ¹

分辨单元是一个边长分别为距离分辨力和方位角分辨力的矩形。距离分辨力由脉冲宽度决定，比如，在脉冲宽度为1微秒时，距离上可能达到的分辨力大约为500英尺。脉冲到底能做多窄，这主要取决于发射机和接收机可能的频带宽度。方位分辨力大致等于天线的3dB波束宽度乘以距离。3dB波束宽度大致等于波长除以天线长度。

分辨单元要多大才能提供足够的分辨率，这主要取决于必须辨认的最小目标的尺寸。分辨单元大小不同，对相同的目标，雷达必须完成的信号处理量不同、飞行员要分析的数据量不同、所需费用不同（随着分辨率的提高和处理信号复杂度的增加，费用将不同程度地增加）。

脉冲宽度和天线尺寸由于机载空间、成本等约束，总有极限。

在近距离上，用实波束天线可以获得足够高分辨率应用的方位分辨率。但是，为了辨认在远距离上即使是较大目标的形状，只有根据实天线在一段时间内接收到的回波合成出一个长阵列天线的输出，才能获得足够的分辨率。这种方法可以实现等效于数千米长的天线。这就是合成孔径雷达出现的背景。

合成孔径雷达信号处理既可以用光学方法，也可以用数字方法实现。

基本概念

假设载有一部X波段雷达的飞机以固定速度和高度飞行。雷达天线指向与飞行速度方向成90度。飞机向前飞行时，波束扫过与飞行路线平行的一个宽的地面条形区域。

图2 合成孔径雷达概念: ²
飞机的任务是要以大约50米的分辨力对地面相关区域成像。为了获得50米的分辨力，假想的SAR必须合成一个50米长的天线阵列。

假设飞机地速为100米/秒，机载雷达PRF为每秒100个脉冲。那么，雷达每发射一个脉冲，雷达天线中心就沿飞行路线方向前进1米。于是，合成阵列可以认为是由相隔1米的辐射单元组成的阵列（如图3）。

图3 各点表示发射连续脉冲时的天线中心位置，每个点构成合成孔径的一个单元

为了合成出所需的长度为50米的阵列，需要有50个这样的单元。换句话说，需要将50个连续发射脉冲的回波加在一起。

---

1. George W. Stimson. Introduction to Airborne Radar, second edition, SciTech Publishing, Inc., Raleigh, NC, USA, 1998. ↩︎

2. 雷达系统 学习笔记（八）——合成孔径雷达1 ↩︎