合成孔徑雷達

合成孔徑雷達( SAR) 是一種高解析度成像雷達,可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像。利用雷達與目標的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用資料處理的方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達,也稱綜合孔徑雷達。合成孔徑雷達的特點是解析度高,能全天候工作,能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。所得到的高方位分辨力相當于一個大孔徑天線所能提供的方位分辨力。合成孔徑雷達的首次使用是在20世紀50 年代後期,裝載在RB-47A和RB-57D 戰略偵察飛機上。經過近60 年的發展,合成孔徑雷達技術已經比較成熟,各國都建立了自己的合成孔徑雷達發展計畫,各種新型體製合成孔徑雷達應運而生,在民用與軍用領域發揮重要作用。

  • 中文名稱
    合成孔徑雷達
  • 外文名稱
    Synthetic Aperture Radar, SAR
  • 別稱
    綜合孔徑雷達
  • 分類
    聚焦型和非聚焦型
  • 特點
    解析度高,全天候,全天時工作
  • 套用
    地形測繪,海洋監測
  • 工作方式
    脈沖方式和連續波方式

簡介

合成孔徑雷達(Sy nthetic Aperture Radar :SAR)是利用一個小天線沿著長線陣的軌跡等速移動並輻射相參信號, 把在不同位置接收的回波進行相幹處理, 從而獲得較高解析度的成像雷達,可分為聚焦型和非聚焦型兩類。

作為一種主動式微波感測器, 合成孔徑雷達具有不受光照和氣候條件等限製實現全天時、全天候對地觀測的特點, 甚至可以透過地表或植被獲取其掩蓋的信息。這些特點使其在農、林、水或地質、自然災害等民用領域具有廣泛的套用前景, 在軍事領域更具有獨特的優勢。尤其是未來的戰場空間將由傳統的陸、海、空向太空延伸, 作為一種具有獨特優勢的偵察手段, 合成孔徑雷達衛星為奪取未來戰場的製信息權, 甚至對戰爭的勝負具有舉足輕重的影響。

發展概況

1951年6月美國Goodyear宇航公司的CarlWiley首先提出用頻率分析方法改善雷達角解析度的方法。與此同時, 美國伊利諾依大學控製系統實驗室獨立用非相參雷達進行實驗, 驗證頻率分析方法確實能改善雷達角解析度。1978 年6 月27日, 美國國家航空航天局噴氣推進實驗室(JPL)發射了世界上第1顆載有SAR的海洋衛星Seasat-A。該衛星工作在L波段、HH極化, 天線波束指向固定, Seasat-A的發射標志著合成孔徑雷達已成功進入從太空對地觀測的新時代。

美國宇航局(NASA)

在Seasat-A取得巨大成功的基礎上, 利用太空梭分別于1981年11月、1984年10月和1994年4月將Sir-A、Sir-B和Sir-C/X-SAR3 部成像雷達送入太空。Sir-A是一部HH極化L波段SAR, 天線波束指向固定, 以光學記錄方式成像, 對1000 ×104 km2 的地球表面進行了測繪, 獲得了大量信息, 其中最著名的是發現了撒哈拉沙漠中的地下古河道, 顯示了SAR具有穿透地表的能力, 引起了國際學術界的巨大震動。產生這種現象的原因, 一方面取決于被觀測地表的物質常數(導電率和介電常數)和表面粗糙度, 另一方面, 波長越長其穿透能力越強。Sir-B是Sir-A的改進型, 仍採用HH極化L波段的工作方式, 但其天線波束指向可以機械改變, 提高了對重點地區的觀測實效性。Sir-C/X-SAR是在Sir-A, Sir-B基礎上發展起來的, 並引入很多新技術, 是當時最先進的航天雷達系統:具有L、C和X3個波段, 採用4種極化(HH , HV, VH和VV),其下視角和測繪帶都可在大範圍內改變。

"長曲棍球" (Lacrosse)系列SAR衛星, 是當今世界上最先進的軍用雷達偵察衛星, 已成為美國衛星偵察情報的主要來源。自1988年12月2日, 由美國"亞特蘭蒂斯"號太空梭將世界上第1顆高解析度雷達成像衛星"長曲棍球-1(Lacrosse-1)"送入預定軌道後,又分別在1991年3月、1997年10 月、2000年8月和2005 年4 月將Lacrosse-2、Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5送入太空, 目前在軌工作的有Lacrosse-2 ~ Lacrosse-5。4顆衛星以雙星組網, 採用X、L2個頻段和雙極化的工作方式, 其地面解析度達到1 m(標準模式)、3 m(寬掃模式)和0.3 m(精掃模式), 在寬掃模式下, 其地面覆蓋面積可達幾百km2 。

歐空局(ESA)

歐空局分別于1991年7月和1995年4月, 發射了歐洲遙感衛星(European Remote Sensing Satellite, ERS)系列民用雷達成像衛星:ERS-1和ERS-2, 主要用于對陸地、海洋、冰川、海岸線等成像。衛星採用法國Spot-I和Spot-Ⅱ衛星使用的MK-1平台, 裝載了C波段SAR, 天線波束指向固定, 並採用VV極化方式, 可以獲得30 m空間解析度和100 km觀測頻寬的高質量圖像。Envisat是ERS計畫的後續, 由歐空局于2002年3月送入太空的又一顆先進的近極地太陽同步軌道雷達成像衛星。Envisat上所搭載的ASAR是基于ERS-1/2主動微波儀(AMI)建造的, 繼承了ERS-1 /2 AMI中的成像模式和波束模式, 增強了在工作模式上的功能, 具有多種極化、可變入射角、大幅寬等新的特徵, 它將繼續開展對地觀測和地球環境的研究。

義大利

2007年6月, 由義大利國防部與航天局合作項目的首顆雷達成像衛星Cosmo-Skymed1 衛星的發射入軌標志著Cosmo-Skymed星座項目的啓動。Cosmo-Skymed衛星工作在X波段(9.6 GHz), 具有多極化、多入射角的特徵, 具備3種工作方式和5種解析度的成像模式:ScanSAR(100 m和30 m)、Strip-Map(3 m和1.5 m)、SpotLight(1 m)。其中, Cosmo-Skymed星座是義大利的SAR成像偵察衛星星座, 共包括4顆SAR衛星。該星座是與法國Pleiade光學衛星星座配套使用的, 兩者均採用太陽同步軌道, 作為全球第1個解析度高達1 m的雷達成像衛星星座, Cosmo-Skymed系統將以全天候、全天時對地觀測的能力、衛星星座特有的高重訪周期和1 m高解析度的成像為環境資源監測、災害監測、海事管理及軍事領域等套用開闢更為廣闊的道路。

德國

TerraSAR-X是首顆由德國宇航中心(DLR)和民營企業EADSAstrium及Infoterra公司根據PPP模式(公-私共建)共同開發的的軍民兩用雷達偵察衛星。該衛星于2007年6月15日從拜科努爾航天中心發射升空, 運行在515 km的近極地太陽同步軌道上, 工作在X波段(9.65 GHz), 具有多極化、多入射角的特徵,具備4種工作方式和4 種不同解析度的成像模式:StripMap(單視情況下:距離上3m, 方位上3m)、Scan-SAR(4視情況下:距離上15 m, 方位上16 m)、Spot-Light(單視情況下:距離上2 m, 方位上1.2 m)和高分辨SpotLight(單視情況下:距離上1 m, 方位上1.2 m)。SAR-LUPE是德國第1 個軍用天基雷達偵察系統, 服務于德國聯邦部隊。該衛星系統主要由5 顆X波段雷達成像衛星組成星座, 分布在3個高度500 km的近極地太陽同步軌道面上, 其中2 個軌道面上將有2顆衛星運行, 另一個軌道面上有1顆衛星。每顆衛星都可以穿透黑暗和雲層, 提供解析度1 m以內的圖像。整個衛星系統, 每天可以提供全球從北緯80°到南緯80°地區的30 多幅圖像, 具有SpotLight和Strip-Map2種工作模式, 並且具有星際鏈路能力, 縮短了系統相應時間, 具備對"熱點"地區每天30 次以上的成像能力。

2.5

俄羅斯

1987年7月25日, 前蘇聯成功發射第1個雷達衛星演示驗證項目Cosmos-1870, 在此基礎上, 俄羅斯分別于1991年3月31日和1998年將"鑽石"(Almaz)系列雷達成像衛星--- Almaz-1和Almaz-1B送入傾角73°的非太陽同步圓形近地軌道。其中, Almaz-1是一顆對地觀測衛星雷達成像衛星, 工作在S波段(中心頻率3.125 GHZ), 採用單極化(HH)、雙側視工作方式, 入射角可變(30°~ 60°),解析度達到(10 m~ 15 m)。Almaz-1B是一顆用于海洋和陸地探測的雷達衛星, 衛星上搭載3種SAR載荷:SAR-10(波長9.6 cm, 解析度5 m~ 40 m)、SAR-70(波長7 cm, 解析度15 m~ 60 m)和SAR-10(波長3.6 cm、解析度5 m~ 7 m), 這3種SAR載荷均採用HH極化方式。此外, 俄羅斯還將發射Arkon-2多功能雷達衛星、Kondor-E小型極地軌道雷達衛星。

加拿大航天局(CAS)

加拿大航天局于1989年開始進行SAR衛星---RadarSat-1的研製, 並于1995年11月4日在美國範登堡空軍基地發射成功, 1996 年4月正式工作, 是加拿大的第1顆商業對地觀測衛星, 主要監測地球環境和自然資源變化。該衛星運行在780 km的近極地太陽同步軌道上, 工作在C波段(5.3 GHz), 採用HH極化方式, 具有7 種波束模式、25 種成像方式。與其他SAR衛星不同, 首次採用了可變視角的ScanSAR工作模式, 以500 km的足跡每天可以覆蓋北極區一次, 幾乎可以覆蓋整個加拿大, 時間每隔3 天覆蓋一次美國和其他北緯地區, 全球覆蓋一次不超過5天。RadarSat-2是加拿大繼RadarSat-1 之後的新一代商用合成孔徑雷達衛星, 它繼承了RadarSat-1所有的工作模式, 並在原有的基礎上增加了多極化成像, 3 m解析度成像、雙邊(dual-channel)成像和動目標探測(MODEX)。RadarSat-2 與RadarSat-1 擁有相同的軌道, 但是比RadarSat-1滯後30 min, 縮短了對同一地區的重復觀測周期, 提高了動態信息的獲取能力。

日本

JERS-1衛星于1992年2月11日在Tanegashima空間中心被發射升空, 主要用于地質研究、農林業套用、海洋觀測、地理測繪、環境災害監測等。該衛星載有2個完全匹配的對地觀測載荷:有源SAR和無源多光譜成像儀, 運行在570 km的近極地太陽同步軌道上, 入射角固定、單一極化(HH), 工作在L波段(中心頻率1.275 GHz), 解析度18 m。先進陸地觀測衛星(Advanced Land Observing Satellite,ALOS)于2006年1月24日被送入690 km的準太陽同步回歸軌道。ALOS採用高解析度和微波掃描, 主要用于陸地測圖、區域性觀測、災害監測、資源調查等方面。該衛星攜帶了3 種感測器:全色立體測圖感測器PRISM、新型可見光和近紅外輻射計AVNIR-2和相控陣型L波段合成孔徑雷達PALSAR。該衛星具有多入射角、多極化、多工作模式(高解析度模式和ScanSAR模式)及多種解析度的特徵, 最高解析度能達到7 m。

以色列

TecSAR是以色列國防部的第1顆雷達成像衛星,運行在傾角為143.3°、高度為550 km的太陽同步圓形軌道上, 具有多極化(HH、VV、VH、HV)、多種成像模式(StripMap、ScanSAR、SpotLight、馬賽克)及多種解析度的特徵, 工作在X波段, 最高解析度可達到1 m(SpotLight)。此外, 據不完全統計, 還有其他很多國家也在大力開展星載雷達的研究, 已經發射或即將發射星載SAR的國家及衛星包括:印度的RiSat、中國的"遙感一號"、韓國的"KompSat-5"、阿根廷的"SAOCOM"等。

工作原理

與其它大多數雷達一樣,合成孔徑雷達通過發射電磁脈沖和接收目標回波之間的時間差測定距離,其解析度與脈沖寬度或脈沖持續時間有關,脈寬越窄解析度越高。合成孔徑雷達通常裝在飛機或衛星上,分為機載和星載兩種。合成孔徑雷達按平台的運動航跡來測距和二維成像,其兩維坐標信息分別為距離信息和垂直于距離上的方位信息。方位解析度與波束寬度成正比,與天線尺寸成反比,就像光學系統需要大型透鏡或反射鏡來實現高精度一樣,雷達在低頻工作時也需要大的天線或孔徑來獲得清晰的圖像。由于飛機航跡不規則,變化很大,會造成圖像散焦。必須使用慣性和導航感測器來進行天線運動的補償,同時對成像資料反復處理以形成具有最大對比度圖像的自動聚焦。因此,合成孔徑雷達成像必須以側視方式工作,在一個合成孔徑長度內,發射相幹信號,接收後經相幹處理從而得到一幅電子鑲嵌圖。雷達所成圖像像素的亮度正比于目標區上對應區域反射的能量。總量就是雷達截面積,它以面積為單位。後向散射的程度表示為歸一化雷達截面積,以分貝( dB) 表示。地球表面典型的歸一化雷達截面積為: 最亮+ 5 dB,最暗-40 dB。合成孔徑雷達不能分辨人眼和相機所能分辨的細節,但其工作的波長使其能穿透雲和塵埃。

合成孔徑雷達

圖書基本信息

書 名: 合成孔徑雷達

作 者:匡綱要

出版社: 國防科技大學出版社

出版時間: 2007年11月

ISBN: 9787810994545

開本: 16開

定價: 38.00 元

內容簡介

本書主要介紹了合成孔徑雷達(SAR)目標檢測所涉及的基本概念、理論和套用技術,以及近年來國際上有關的最新研究成果。具體內容包括SAR圖像中的雜波統計建模、RCS重構、目標檢測的基礎理論和演算法、目標鑒別、邊緣及線目標檢測以及極化SAR系統中的目標檢測,最後給出典型的套用示例。 本書適用于遙感信息處理、圖像判讀專業的研究人員、工程技術人員、高等院校教師等閱讀參考,亦可作為高等院校遙感信息處理等相關專業的研究生課程教材。

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