合成孔径雷达

 

合成孔径雷达( SAR) 是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达，也称综合孔径雷达。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。所得到的高方位分辨力相当于一个大孔径天线所能提供的方位分辨力。合成孔径雷达的首次使用是在20世纪50 年代后期，装载在RB-47A和RB-57D 战略侦察飞机上。经过近60 年的发展，合成孔径雷达技术已经比较成熟，各国都建立了自己的合成孔径雷达发展计划，各种新型体制合成孔径雷达应运而生，在民用与军用领域发挥重要作用

 

一、简介

 

合成孔径雷达(Sy nthetic Aperture Radar :SAR)是利用一个小天线沿着长线阵的轨迹等速移动并辐射相参信号, 把在不同位置接收的回波进行相干处理, 从而获得较高分辨率的成像雷达，可分为聚焦型和非聚焦型两类。

 

作为一种主动式微波传感器, 合成孔径雷达具有不受光照和气候条件等限制实现全天时、全天候对地观测的特点, 甚至可以透过地表或植被获取其掩盖的信息。这些特点使其在农、林、水或地质、自然灾害等民用领域具有广泛的应用前景, 在军事领域更具有独特的优势。尤其是未来的战场空间将由传统的陆、海、空向太空延伸, 作为一种具有独特优势的侦察手段, 合成孔径雷达卫星为夺取未来战场的制信息权, 甚至对战争的胜负具有举足轻重的影响。

 

二、发展概况

 

1951年6月美国Goodyear宇航公司的CarlWiley首先提出用频率分析方法改善雷达角分辨率的方法。与此同时, 美国伊利诺依大学控制系统实验室独立用非相参雷达进行实验, 验证频率分析方法确实能改善雷达角分辨率。1978 年6 月27日, 美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)发射了世界上第1颗载有SAR的海洋卫星Seasat-A。该卫星工作在L波段、HH极化, 天线波束指向固定, Seasat-A的发射标志着合成孔径雷达已成功进入从太空对地观测的新时代。

 

三、美国宇航局

 

在Seasat-A取得巨大成功的基础上, 利用航天飞机分别于1981年11月、1984年10月和1994年4月将Sir-A、Sir-B和Sir-C/X-SAR3 部成像雷达送入太空。Sir-A是一部HH极化L波段SAR, 天线波束指向固定, 以光学记录方式成像, 对1000 ×104 km2 的地球表面进行了测绘, 获得了大量信息, 其中最著名的是发现了撒哈拉沙漠中的地下古河道, 显示了SAR具有穿透地表的能力, 引起了国际学术界的巨大震动。产生这种现象的原因, 一方面取决于被观测地表的物质常数(导电率和介电常数)和表面粗糙度, 另一方面, 波长越长其穿透能力越强。Sir-B是Sir-A的改进型, 仍采用HH极化L波段的工作方式, 但其天线波束指向可以机械改变, 提高了对重点地区的观测实效性。Sir-C/X-SAR是在Sir-A, Sir-B基础上发展起来的, 并引入很多新技术, 是当时最先进的航天雷达系统:具有L、C和X3个波段, 采用4种极化(HH , HV, VH和VV),其下视角和测绘带都可在大范围内改变。

 

"长曲棍球" (Lacrosse)系列SAR卫星, 是当今世界上最先进的军用雷达侦察卫星, 已成为美国卫星侦察情报的主要来源。自1988年12月2日, 由美国"亚特兰蒂斯"号航天飞机将世界上第1颗高分辨率雷达成像卫星"长曲棍球-1(Lacrosse-1)"送入预定轨道后,又分别在1991年3月、1997年10 月、2000年8月和2005 年4 月将Lacrosse-2、Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5送入太空, 目前在轨工作的有Lacrosse-2 ~ Lacrosse-5。4颗卫星以双星组网, 采用X、L2个频段和双极化的工作方式, 其地面分辨率达到1 m(标准模式)、3 m(宽扫模式)和0.3 m(精扫模式), 在宽扫模式下, 其地面覆盖面积可达几百km2 。

 

 

欧空局分别于1991年7月和1995年4月, 发射了欧洲遥感卫星(European Remote Sensing Satellite, ERS)系列民用雷达成像卫星:ERS-1和ERS-2, 主要用于对陆地、海洋、冰川、海岸线等成像。卫星采用法国Spot-I和Spot-Ⅱ卫星使用的MK-1平台, 装载了C波段SAR, 天线波束指向固定, 并采用VV极化方式, 可以获得30 m空间分辨率和100 km观测带宽的高质量图像。Envisat是ERS计划的后续, 由欧空局于2002年3月送入太空的又一颗先进的近极地太阳同步轨道雷达成像卫星。Envisat上所搭载的ASAR是基于ERS-1/2主动微波仪(AMI)建造的, 继承了ERS-1 /2 AMI中的成像模式和波束模式, 增强了在工作模式上的功能, 具有多种极化、可变入射角、大幅宽等新的特性, 它将继续开展对地观测和地球环境的研究。

 

五、意大利

 

2007年6月, 由意大利国防部与航天局合作项目的首颗雷达成像卫星Cosmo-Skymed1 卫星的发射入轨标志着Cosmo-Skymed星座项目的启动。Cosmo-Skymed卫星工作在X波段(9.6 GHz), 具有多极化、多入射角的特性, 具备3种工作方式和5种分辨率的成像模式:ScanSAR(100 m和30 m)、Strip-Map(3 m和1.5 m)、SpotLight(1 m)。其中, Cosmo-Skymed星座是意大利的SAR成像侦察卫星星座,共包括4颗SAR卫星。该星座是与法国Pleiade光学卫星星座配套使用的, 两者均采用太阳同步轨道, 作为全球第1个分辨率高达1 m的雷达成像卫星星座, Cosmo-Skymed系统将以全天候、全天时对地观测的能力、卫星星座特有的高重访周期和1 m高分辨率的成像为环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事领域等应用开辟更为广阔的道路。

 

六、德国

 

TerraSAR-X是首颗由德国宇航中心(DLR)和民营企业EADSAstrium及Infoterra公司根据PPP模式(公-私共建)共同开发的的军民两用雷达侦察卫星。该卫星于2007年6月15日从拜科努尔航天中心发射升空, 运行在515 km的近极地太阳同步轨道上, 工作在X波段(9.65 GHz), 具有多极化、多入射角的特性,具备4种工作方式和4 种不同分辨率的成像模式:StripMap(单视情况下:距离上3m,方位上3m)、Scan-SAR(4视情况下:距离上15 m, 方位上16 m)、Spot-Light(单视情况下:距离上2 m, 方位上1.2 m)和高分辨SpotLight(单视情况下:距离上1 m, 方位上1.2 m)。SAR-LUPE是德国第1 个军用天基雷达侦察系统, 服务于德国联邦部队。该卫星系统主要由5 颗X波段雷达成像卫星组成星座, 分布在3个高度500 km的近极地太阳同步轨道面上, 其中2 个轨道面上将有2颗卫星运行, 另一个轨道面上有1颗卫星。每颗卫星都可以穿透黑暗和云层, 提供分辨率1 m以内的图像。整个卫星系统, 每天可以提供全球从北纬80°到南纬80°地区的30 多幅图像, 具有SpotLight和Strip-Map2种工作模式, 并且具有星际链路能力, 缩短了系统相应时间, 具备对"热点"地区每天30 次以上的成像能力。

 

七、俄罗斯

 

1987年7月25日, 苏联成功发射第1个雷达卫星演示验证项目Cosmos-1870, 在此基础上, 俄罗斯分别于1991年3月31日和1998年将"钻石"(Almaz)系列雷达成像卫星--- Almaz-1和Almaz-1B送入倾角73°的非太阳同步圆形近地轨道。其中, Almaz-1是一颗对地观测卫星雷达成像卫星, 工作在S波段(中心频率3.125 GHZ), 采用单极化(HH)、双侧视工作方式, 入射角可变(30°~ 60°),分辨率达到(10 m~ 15 m)。Almaz-1B是一颗用于海洋和陆地探测的雷达卫星, 卫星上搭载3种SAR载荷:SAR-10(波长9.6 cm, 分辨率5 m~ 40 m)、SAR-70(波长7 cm, 分辨率15 m~ 60 m)和SAR-10(波长3.6 cm、分辨率5 m~ 7 m), 这3种SAR载荷均采用HH极化方式。此外, 俄罗斯还将发射Arkon-2多功能雷达卫星、Kondor-E小型极地轨道雷达卫星。

 

八、加拿大航天局

 

加拿大航天局于1989年开始进行SAR卫星---RadarSat-1的研制, 并于1995年11月4日在美国范登堡空军基地发射成功, 1996 年4月正式工作, 是加拿大的第1颗商业对地观测卫星, 主要监测地球环境和自然资源变化。该卫星运行在780 km的近极地太阳同步轨道上, 工作在C波段(5.3 GHz), 采用HH极化方式, 具有7 种波束模式、25 种成像方式。与其他SAR卫星不同,首次采用了可变视角的ScanSAR工作模式, 以500 km的足迹每天可以覆盖北极区一次, 几乎可以覆盖整个加拿大, 时间每隔3 天覆盖一次美国和其他北纬地区, 全球覆盖一次不超过5天。RadarSat-2是加拿大继RadarSat-1 之后的新一代商用合成孔径雷达卫星, 它继承了RadarSat-1所有的工作模式, 并在原有的基础上增加了多极化成像, 3 m分辨率成像、双边(dual-channel)成像和动目标探测(MODEX)。RadarSat-2 与RadarSat-1拥有相同的轨道, 但是比RadarSat-1滞后30 min, 缩短了对同一地区的重复观测周期, 提高了动态信息的获取能力。

 

十、日本

 

JERS-1卫星于1992年2月11日在Tanegashima空间中心被发射升空, 主要用于地质研究、农林业应用、海洋观测、地理测绘、环境灾害监测等。该卫星载有2个完全匹配的对地观测载荷:有源SAR和无源多光谱成像仪, 运行在570 km的近极地太阳同步轨道上, 入射角固定、单一极化(HH), 工作在L波段(中心频率1.275 GHz), 分辨率18 m。先进陆地观测卫星(Advanced Land Observing Satellite,ALOS)于2006年1月24日被送入690 km的准太阳同步回归轨道。ALOS采用高分辨率和微波扫描, 主要用于陆地测图、区域性观测、灾害监测、资源调查等方面。该卫星携带了3 种传感器:全色立体测图传感器PRISM、新型可见光和近红外辐射计AVNIR-2和相控阵型L波段合成孔径雷达PALSAR。该卫星具有多入射角、多极化、多工作模式(高分辨率模式和ScanSAR模式)及多种分辨率的特性,最高分辨率能达到7 m。

 

十一、以色列

 

TecSAR是以色列国防部的第1颗雷达成像卫星,运行在倾角为143.3°、高度为550 km的太阳同步圆形轨道上, 具有多极化(HH、VV、VH、HV)、多种成像模式(StripMap、ScanSAR、SpotLight、马赛克)及多种分辨率的特性, 工作在X波段, 最高分辨率可达到1 m(SpotLight)。此外, 据不完全统计, 还有其他很多国家也在大力开展星载雷达的研究, 已经发射或即将发射星载SAR的国家及卫星包括:印度的RiSat、中国的"遥感一号"、韩国的"KompSat-5"、阿根廷的"SAOCOM"等。

 

十二、工作原理

 

与其它大多数雷达一样，合成孔径雷达通过发射电磁脉冲和接收目标回波之间的时间差测定距离，其分辨率与脉冲宽度或脉冲持续时间有关，脉宽越窄分辨率越高。合成孔径雷达通常装在飞机或卫星上，分为机载和星载两种。合成孔径雷达按平台的运动航迹来测距和二维成像，其两维坐标信息分别为距离信息和垂直于距离上的方位信息。方位分辨率与波束宽度成正比，与天线尺寸成反比，就像光学系统需要大型透镜或反射镜来实现高精度一样，雷达在低频工作时也需要大的天线或孔径来获得清晰的图像。由于飞机航迹不规则，变化很大，会造成图像散焦。必须使用惯性和导航传感器来进行天线运动的补偿，同时对成像数据反复处理以形成具有最大对比度图像的自动聚焦。因此，合成孔径雷达成像必须以侧视方式工作，在一个合成孔径长度内，发射相干信号，接收后经相干处理从而得到一幅电子镶嵌图。雷达所成图像像素的亮度正比于目标区上对应区域反射的能量。总量就是雷达截面积，它以面积为单位。后向散射的程度表示为归一化雷达截面积，以分贝( dB) 表示。地球表面典型的归一化雷达截面积为: 最亮+ 5 dB，最暗-40 dB。合成孔径雷达不能分辨人眼和相机所能分辨的细节，但其工作的波长使其能穿透云和尘埃。

 

合成孔径雷达