合成孔径雷达(SAR)系统设计

合成孔径雷达 (SAR) 是一种高分辨机载和星载遥感技术，用于对地形等场景上的远程目标进行成像。

1951 年，Carl Wiley 意识到，如果在雷达沿直线路径移动时收集回波信号，则接收信号的多普勒频谱可用于合成更长的孔径，以便提高沿轨道维度的分辨率。

1953 年，当一架 C-46 飞机绘制佛罗里达州基韦斯特的一段地图时，形成了第一张实测 SAR 图像。第一个星载卫星 SAR 系统由美国国家航空航天局 (NASA) 的研究人员开发并于 1978 年投入 Seasat。

SAR 模式

根据雷达天线的扫描方式，SAR 的模式可分为三种。如下图所示，当雷达收集其行进区域的电磁 (EM) 反射波，观察与飞行路径平行的地形带时，这种模式称为侧视 SAR或带状 SAR。

当雷达跟踪并将其电磁波聚焦到一个固定的、特定的感兴趣区域时，这种模式称为聚束 SAR，如下图所示。

SAR 操作的另一种模式称为扫描 SAR，它适用于雷达在高空飞行并获得比模糊范围更宽的条带时。条带的这种增强会导致距离分辨率的下降。如下图所示。

对于这种模式，照射区域被划分为几段，每段被分配到不同的条带的观察。随着雷达平台的移动，雷达在一段时间内照射一个段，然后切换到另一个段。这种切换是在特定的方法中完成的，使得所需的条带宽度被覆盖，并且当平台在其轨道上前进时没有留下任何空白段。

SAR 系统设计

通用 SAR 系统框图如下图所示。

所有的定时和控制信号都由处理器控制单元产生。首先，SAR 信号（线性频率调制（LFM）脉冲或阶跃频率波形）由波形发生器生成并传递到发射机。

大多数 SAR 系统使用单个天线或两个紧密放置的天线进行发射和接收，这样系统通常在单站配置下工作。SAR 天线、转换器和天线波束形成器可沿场景或目标方向形成和引导主波束。

发射的 SAR 信号从场景或目标反射回来后，接收到的信号由 SAR 天线收集并传递给接收机。接收机输出后的信号被模数转换器采样和数字化。数字信号经过信号处理单元处理后，即可形成非聚焦 SAR 图像。

此时，构建的 SAR 图像是未经处理的或原始的，即它包含由于平台运动引起的合成孔径不稳定性以及其他影响，包括距离偏移等而导致的误差。

显然，SAR 理论是基于平台沿直线或匀速圆周运动的匀速运动。偏离这种匀速运动的任何其他运动特征，例如偏航、滚动或俯仰，都会在接收到的相位中导致错误（或偏移）。

为了能够纠正这种不稳定性造成的这些影响，大多数 SAR 系统都携带惯性测量单元（IMU）和全球定位系统（GPS）传感器来记录飞行的状态。

原始 SAR 图像可以显示在操作界面显示，也可以存储起来以供将来处理或下行链接到远程站以进行进一步的信号和图像分析。对原始 SAR 数据进行后处理以成功纠正偏移错误会产生所谓的聚焦 SAR 图像。

SAR 分辨率

SAR 在实际中被广泛应用，因为它可以在距离和方位维度上提供高分辨率。距离，即从雷达到要成像的目标的视线距离。方位则为平行于雷达轨迹轴的维度。

在 SAR 操作中，通过使用宽带传输信号（通常是频率调制信号）获得高距离分辨率。在雷达沿直线移动时，通过相干处理在不同位置测量的目标散射回波，可以实现方位维的良好分辨率。

SAR 可以提供具有与光学成像系统分辨率相当的图像。事实上，SAR 可以做得更好，因为它可以在白天和黑夜以及阴雨天气条件下运行。此外，与仅包含目标光反射率幅度信息的摄影图像不同，SAR同时提供幅度和来自场景的散射电磁场的相位信息。这可以形成干涉式 SAR (IFSAR) 图像，该图像可以呈现关于三维、高度的信息，因此也可以形成场景的三维 (3D) SAR 图像。

术语“合成孔径”是因为 SAR 背后的远离是通过小尺寸实际孔径雷达（如下图所示）的集合来合成大孔径雷达的效果。

这是通过沿假想孔径轴移动小孔径雷达来模拟更长的孔径实现，如下图所示。

通常，雷达放置在机载或星载平台上，并且在雷达平台沿其沿轨道路径移动时的不同时刻测量地面的电磁反射率（见下图）。

对来自不同频率和孔径照射区域的电磁回波进行相干处理，可以形成地形或场景的二维 (2D) 图像。

SAR 系统的距离处理与常规雷达相同。因此，SAR 中的距离分辨率  与常规雷达的情况相同：

SAR中脉冲波形的频率带宽  应选择得足够宽以实现更高的分辨率。根据傅里叶理论，则要求每个脉冲的持续时间非常短。

另一方面，很难将足够的能量投入到非常短的脉冲中。发射功率的极小部分能散射回雷达，因此对于如此短的脉冲，几乎不可能感应到高于噪声的接收信号。为了避免这个问题，一个瞬时频率为

的 LFM 波形被使用。这里，  是起始频率，  是脉冲持续时间，  是总带宽。LFM 信号具有提供所需带宽和更长脉冲持续时间的特性。

通过沿直线路径移动雷达天线形成长度为  的合成线天线，可以在 SAR 系统中实现良好的方位分辨率。如果使用单个天线，则方位分辨率为

其中  是工作波长，  是天线的孔径。但是，如果通过沿直线路径移动单个天线来形成长度为  的合成阵列，则理论上方位分辨率为

又因为有效合成孔径大小是真实阵列的两倍；因此

例如，在  工作频率下，合成孔径长度为  的 SAR 平台对  处的目标成像，则方位分辨率为  。

审核编辑：汤梓红