岩土工程勘察中合成孔径雷达技术研究

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摘要：合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）作为一种主动的遥感成像手段，在环境保护、军事侦察、海洋观测、地质勘探等方面有广泛的应用。本文对合成孔径雷达技术进行了阐述。

关键词：地质勘探 合成孔径雷达 技术研究

一、 原理

对于雷达和目标都固定的成像应用，假设雷达以一定的脉冲重复频率（PulseRepetition Frequency，PRF） 发射了M个脉冲组成的线性调频脉冲序列，每个脉冲的带宽为B，脉冲宽度为 ，每个脉冲共采样N次。经过压缩处理，处理器得到图像的距离分辨率为：

其中c为光速。

图 1转动目标

如果雷达需要对转动的目标进行成像，则需要进一步分析。如图1所示，假设雷达位于远场中，观测一个中心在坐标原点，角速度为Ω的转盘。考虑转盘上一个坐标为（r， ）的点，速度为rΩ，视线（Line ofSight，LOS）上的速度为v=-rΩsin ，其中 为初始角度，r为离中心距离。该点到距离向轴的垂直距离为y=rsin ，LOS速度为v=-rsin Ω=-yΩ。因此在转盘上点的LOS速度与该点的方位Y坐标成正比，而与距离坐标无关。

因此，如果转盘的方位向轴垂直于LOS，则可以在距离多普勒处理中，将速度等效为方位坐标，就能把雷达回波还原为一个距离和方位上的二维目标像。方位向上的分辨率为：

其中 为采样频率， =l/ ， 为载波波长， 为圆盘在持续时间 内的转动角度。

式（1）和式（2）是成像雷达中最基本的分辨率表达公式。在数学上，雷达固定目标转动和雷达运动目标固定的成像原理是一样的。前者称为1SAR，后者称为SAR。

实际上这两者并不互逆，有些情况的成像过程既可以看成SAR，也可以看成ISAR，这只是一个约定俗成的问题。

对于简单目标的成像应用，基本的SAR原理非常容易阐述。下面进行的简单分析过程给出了SAR和ISAR的相同点，以及它们能够感知旋转这一共同的基础。

当一个雷达照射目标时，它离目标距离R并以速度矿围绕目标旋转， 目标上垂直于雷达视线方向上相距d的两个点会带来2Vd＼ R的多普勒差异。其中 是雷达的波长。这个分析在下文中的数据位数确定一节中有详细推导。

如果对持续时间长度为 的回波进行频谱分析，那么可分辨的频率为1/ 。因此，相应的方位向上目标分辨率为：

其中 是雷达视线在持续时间 内扫过目标的角度。

式（3）说明了众所周知的事实：方位向最佳分辨率依赖于积累时间 与斜距R的比值。这也说明了对于一定的雷达波长，增大 带来了方位向分辨率的改善。

二、距离多普勒成像

SAR的高分辨率来源于对回波数据进行距离.方位二维脉冲压缩。通常积累时间 内的M个回波脉冲可以看成是对一个很宽脉冲的M次抽样，这个很宽的脉冲宽度就是 。

距离多普勒图像包含许多分辨单元，每个分辨单元中包含了目标的幅度和散射点

在距离向和方位向上的位置信息。距离多普勒成像是基于目标相对于SAR的运动。点目标对线性调频信号的回波经过脉冲压缩形成了距离向上的高分辨率，同时点目标的回波被方位向上的阵列天线依次接收，依次接收的回波经过方位向压缩形成了方位向上的高分辨率。

三、距离向压缩

成像雷达如果既需要获得较大的探测距离，又需要获得较高的距离分辨率，那么就必须发射高峰值功率的窄脉冲。但是实际情况下所能利用的峰值功率电平是有限的。

因此，为了在峰值功率电平有限的情况下获得较大的探测距离，发射机必须发射相当宽的脉冲。假设发射脉冲宽度为tp，则雷达的距离分辨率为：

四、聚焦SAR与非聚焦SAR

非聚焦SAR是对回波信号的简单处理方法，指不改变孔径内从各个不同位置来的信号的相位就对存储信号进行累积操作。可以想到，既然对各个不同位置来的回波不进行相位调整，相对于阵列到待测绘区域的距离而言该阵列必须足够短。这样的话从该区域任意点到各个阵列单元的视线基本上都是平行的。现在假定阵列长度与到待测绘区域的距离之比是一个较大的分数，则从该距离处的一点至各个天线单元的视线将会散开，即阵列单元到目标的距离各不相同。这种距离上的极小差异可能导致各个阵列单元从该目标接收到的回波相位有较大的差异，假设在合成孔径边缘的最大相位偏移不超过Ω/4，则得到非聚焦SAR的方位分辨率为：

由此可见非聚焦SAR得到的方位向理论分辨率与雷达波长和斜距有关。非聚焦SAR处理全过程如图2 所示。

图2 非聚焦SAP，.成像处理

鉴于非聚焦SAR这样的缺陷，对天线阵列的聚焦操作就显得非常重要。对阵列的聚焦很大程度上可以消除对阵列长度的限制。于是适当加长阵列的长度，雷达在任何所需距离上都可达到不变的分辨率。

从原理上说，使阵列聚焦所要完成的全部工作就是对每个阵列单元接收到的回波加以适当的相位修正。任一单元的相位误差，也就是用于消除误差所需的相位旋转正比于该单元到阵列中心的距离平方。

五、总结

随着合成孔径成像雷达的快速发展，SAR回波信号仿真技术的发展方向是对回波模拟系统的分辨率要求越来越高，而且对PRF的要求也越来越高。目前国外正朝着分辨率为O.1m甚至更高分辨率的方面发展，PRF可能达到4000Hz，这对回波模拟仿真实现提出了更高的要求。若分辨率提高到0.1m，和目前的系统相比，其目标信号生成的运算量和数据量将是本设计的4倍；若PRF提高到4000Hz，则每毫秒需要生成4个原始回波信号，要求并行处理模块和卷积模块的速度是现在的7倍以上。为了满足SAR系统和成像算法研究的需要，必须研究性能更强的回波模拟器。当然随着并行计算技术的发展，同时更加先进、功能更为强大的FPGA投入测试和使用，使得运算量更大、功能更为复杂的回波模拟器成为可能。

总结过去和现在，回波模拟仿真作为电子对抗来说所有可能的对抗技术已经被发明了。然而新的技术肯定会被提出和发展。电子对抗系统设计者必须努力发展独立的技术和系统结构，新技术的开发才能根本地解决工程勘察及地质测绘问题。

参考文献：

[1] 黄培康，殷红成，许小剑编著.雷达目标特性[M]. 电子工业出版社， 2005

[2] 袁孝康著.星载合成孔径雷达导论[M]. 国防工业出版社， 2003

[3] 魏钟铨等著.合成孔径雷达卫星[M]. 科学出版社， 2001

[4] 刘永坦等著.雷达成像技术[M]. 哈尔滨工业大学出版社， 1999