詳細分析:合成孔徑雷達成像技術

2021-01-15 雷達通信電子戰


對於機載側視雷達,若是實孔徑雷達,其解析度將受到很大的限制,特別是方位向解析度,下面列舉具體參數計算方位和距離向解析度。其中,SLAR是指Side Looking Airborne Radar。


合成孔徑的概念始於50年代初期。當時,有些科學家想突破經典解析度的限制,提出了一些新的設想:

合成孔徑雷達天線往往僅用單個輻射單元,沿一直線依次在若干個位置平移,且在每一個位置發射一個脈衝信號,接收相應發射位置的雷達回波信號並儲存起來,然後通過信號處理的方法產生一個等效的長的線性陣列天線。合成孔徑雷達的特點是解析度高,能全天候工作,可有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。 

相參性

要想通過在不同的位置發射信號並收集後再聯合處理,那麼首先就要確保發射的脈衝是相參的,相參性是SAR系統獲得高解析度的必要條件。

發射信號、本振電壓、相參震蕩電壓和定時器的觸發脈衝均由同一基準信號提供,接收機也需要具備很高的時間精度。

都卜勒歷程

隨著平臺的運動,地面目標逐漸進入雷達波束,平臺接近目標時都卜勒頻率為正,遠離目標時為負,頻率隨時間變化曲線的斜率為負,目標的都卜勒歷程如下圖所示。

SAR通過脈衝壓縮技術改善距離解析度,它與發射信號的帶寬有關,帶寬越大,解析度越小;通過合成孔徑技術改善方位分辨力,條帶SAR理論上可以達到天線尺寸的1/2,聚束SAR解析度更小。

高的分辨力要求採用小的天線而不是大的天線,並且與距離和波長無關。當然,受到其他因素的影響,天線孔徑也不可能無限小。

SAR是需要存儲雷達回波,由於數據不是同時採集的,需要對一定的時間間隔內接收的信號進行運算。 A/D轉換之後對數位訊號進行存儲,選擇存儲介質必須考慮到信息記錄的速率、記錄的數據容量、完成方位壓縮和脈衝壓縮時存儲數據的讀取速度。

SAR天線在每個位置發射脈衝信號並接收目標回波並按順序存儲,然後通過二維匹配濾波實現目標的距離和方位向的高分辨。

SAR信號處理是假定雷達隨飛機做直線等速飛行。實際上,運載天線的飛行器總是與這種典型的直線等速飛行狀態有偏差的。因此就需要用輔助設備來補償非直線運動。

運動補償設備必須包含能檢測飛行路線與直線路徑偏離的傳感器,可以用各種方式使用此敏感元件的輸出。為了完善運動補償,還必須調整接收信號的相位,以補償實際天線與理想的形成合成天線位置之間的偏移。

極化是電磁波的本質屬性之一,是除頻率、幅度、相位之外的又一維重要信息。電磁波的傳播和散射都是矢量現象,而極化正是用來研究電磁波的這種矢量特徵。SAR系統常用四種極化方式——HH、VV、HV、VH。

雷達發射的能量脈衝的電場矢量,可以在垂直或水平面內被偏振。無論哪個波長,雷達信號可以傳送水平(H)或者垂直(V)電場矢量,接收水平(H)或者垂直(V)或者兩者的返回信號。

單極化是指(HH)或者(VV),就是水平發射水平接收或垂直發射垂直接收。氣象雷達領域那一般都是(HH)。

雙極化是指在一種極化模式的同時,加上了另一種極化模式,如(HH:水平發射水平接收)和(HV:水平發射垂直接收)。全極化技術難度最高,要求同時發射H和V,也就是HH/HV/VV/VH四種極化方式。

電磁波的極化對目標的介電常數、物理特性、幾何形狀和取向等比較敏感,因而極化測量可以大大提高成像雷達對目標各種信息的獲取能力。下圖是同一個地區不同極化方式下的成像結果。

雷達極化已經發展成為一種比較成熟的技術,在農業(分辨不同的農作物耕地)、森林(植被高度、衰減係數等生物量的估計、物種識別)、地質(地質結構描述)、水文(表面粗糙度和土壤溼度估計、雪溼度估計)、海冰監測(冰齡和厚度估計)和海洋學(波特性估計,熱和波前探測)等很大範圍內都得到廣泛的研究和應用。

水平極化波和垂直極化波在地物或海洋的後向散射係數和相位特性均不相同,因此除了通過多波段來增加遙感的信息含量,也可以通過不同的極化來提高目標的識別的準確度。

通過對雷達目標和地物雜波的極化特性測量與分析,可以實現對不同目標的分類與識別,這在雷達抗幹擾領域的作用也日漸突出。 

雷達波段的選擇可以說是相當重要,對於星載SAR,波段選擇主要考慮了大氣傳輸窗口、頻率和極化對信息提取的影響,圖像質量與設備複雜度之間的權衡等因素。

大氣窗口都知道,大氣中的氧和水分子、雲霧和雨雹等對高頻電磁能量吸收明顯,在幾個頻率上有尖銳的吸收峰值,並且雷達信號在穿透電離層和對流層時會產生相位失真、極化旋轉和損耗等,從而使圖像出現誤差、甚至難以成像。

1GHz頻率以下,雖然大氣對電磁波的吸收不明顯,但是存在明顯的極化旋轉效應,因此星載SAR的工作頻段適宜選擇L、C、X波段。

星載SAR觀測的後向散射波既包含目標表面發射波,還包含穿透得到的回波。波長越長、穿透能力越強,這種穿透作用在稠密作物或樹木的情況下特別明顯,從而產生多路徑反射,從而形成了極化旋轉。

X波段適合對冰的觀測和分類,以及對海面汙染情況的觀察;L波段適合對淡水和穿透地下目標的觀測;C波段適合觀察海洋上的強目標。

合成孔徑雷達主要用於航空測量、航空遙感、衛星海洋觀測、航天偵察、圖像匹配製導等。它能發現隱蔽和偽裝的目標,如識別偽裝的飛彈地下發射井、識別雲霧籠罩地區的地面目標等。

《雷達成像技術》,每周二更新,2018全年共更新50次課程。該課程將帶你從雷達成像的基本原理到新體制雷達的成像算法;從仿真分析到結合實測數據的SAR成像實現;

課程將會給出豐富的參考資料以及仿真程序,同時會結合公開的實測數據來對算法進行詳細分析。並一起探討研究連續波SAR,相控陣SAR,MIMO-SAR等新體制雷達成像系統的基礎理論。

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