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合成孔徑雷達的簡介及軍事應用
來源:國防科技工業
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作者:吳生財
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發布時間: 2021-04-12
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現代戰爭中，雷達如同是無形的眼睛，成為軍事情報偵察和搜集的最重要手段，能否有效探測敵方軍事部署的詳細信息.....
隨著科學技術的飛速發展，雷達成像技術在國防和軍事領域發揮著舉足輕重的作用，為軍隊信息化建設提供了有力的支撐。現代戰爭中，雷達如同是無形的眼睛，成為軍事情報偵察和搜集的最重要手段，能否有效探測敵方軍事部署的詳細信息，成為戰爭前期冷交鋒的主要焦點，偵察與反偵察，干擾與抗干擾都是在沒有硝煙的戰場上進行的激烈戰斗，所以通過雷達成像技術獲取高分辨率的直觀偵測圖像信息便成為現代信息化戰爭中兵家必爭的無形高地。但是想要在萬米高空甚至是太空中實現對坦克等小尺寸武器裝備的觀測，傳統雷達是無法實現的，因為傳統雷達獲取地面目標的分辨率與天線的尺寸和雷達的發射功率呈正比，要想獲取較高的分辨率圖像，就需要不斷增加天線的尺寸或者雷達的發射功率。以普通機載火控雷達常用的X波段為例，它的波長大約是3厘米，要想探測坦克大小尺寸的目標，至少要達到1.5米的分辨率，如果用傳統雷達探測，則天線長度要達到400米左右，如此大的天線不但飛機上難以安裝，就是地面也很難實現。
20世紀50年代，美國特異公司的卡爾?威利（Carl Wiley）發現，通過多普勒頻移處理后，在不增大雷達尺寸的條件下，可實現高分辨率雷達成像，這就是合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）最早的雛形。美國是最早開始SAR成像技術研究的國家，1981年11月，他們發射的SAR-A衛星探測出撒哈拉沙漠中的地下古河道，揭示了合成孔徑雷達能夠穿透地表獲取地下信息這一重要特性，這個驚人的發現對軍事偵察行動來說簡直是如虎添翼，那些掩藏于地下或者植被下的武器裝備從此便失去了保護罩。隨著科學家對SAR成像技術不斷探索研究，后期還發現SAR不僅可以穿透云層和偽裝物進行夜間成像，實現24小時全天候持續觀測，甚至能識別出材料屬性、濕度等相關信息，從而獲取在光學成像中不明顯的高價值信息，這些特性迅速引起了全世界科研人員特別是軍事科研人員的濃厚興趣，其研究成果也首先被各國用于軍事偵察領域，其中美國于20世紀90年代發射的“長曲棍球”合成孔徑探測雷達衛星，憑借其強大的探測能力，幫助美軍在伊拉克戰爭、阿富汗戰爭等局部戰爭中搜集了大量軍事情報，為美軍執行精確打擊任務、制定軍事行動計劃提供了有力的支撐，同時也將信息化戰爭的概念深入人心，促使各國投入大量人力、物力和財力用于研究合成孔徑雷達成像技術，促使SAR成像技術在短短幾十年內便得到迅速發展。
作為雷達技術發展的新產物，合成孔徑雷達獲取了和千米級孔徑雷達近乎相同的探測能力，而且打破了傳統雷達受探測時間和環境影響的限制，具備成像清晰、探測力好、抗干擾強、應用范圍廣等特點，目前已廣泛應用于情報偵查、精確打擊等軍事領域，并逐漸擴展到氣候變化、災害評估、農作物長勢等民用領域。我國從上世紀70年代開始研究合成孔徑雷達探測技術，并于1979年獲得了第一幅合成孔徑雷達圖像，經過科研人員的不懈努力，研究波段已經從單一波段發展到多波段，掃描模式也從從單一條帶模式發展到條帶、聚束、掃描等模式，分辨率更是從最早的幾十米提高到0.5米，達到國際先進水平。下圖所示為我國合成孔徑雷達衛星于2015年7月24日獲取的西沙永暑島圖像，從圖像中可以清晰地分辨出當時永暑礁擴島的全景。
01 合成孔徑雷達的工作原理
合成孔徑雷達的基本原理就是利用雷達與目標的相對運動，將小尺寸真實天線獲取的接收信號的振幅與相對發射信號的相位疊加起來，再通過后期的數據處理，合成一個等效的合成孔徑天線的接收信號，從而獲得與大尺寸天線雷達相同的觀測效果。其探測的過程類似于“多軌道錄音”，就像一位通曉各種樂器的演奏家，將他演奏的各種樂器錄下來，再將這些聲音合成在一起，最終成了個人演奏交響樂。
與大多數常規雷達一樣，合成孔徑雷達測定距離的方式也是通過發射電磁脈沖和接收目標回波之間的時間差來計算的，所以合成孔徑雷達的分辨率與所發射的電磁脈沖的寬度、電磁脈沖發射的持續時間有關，發射的電磁脈沖寬度越寬，分辨率越低，反之，分辨率越高。目前，大部分國家的合成孔徑雷達主要安裝在各型號飛機和衛星上，前者稱為機載合成孔徑雷達，后者稱為星載合成孔徑雷達。由于搭載雷達的飛機或者衛星平臺的航跡不規則，會造成圖像散焦，須借助慣導傳感器等設備對天線運動產生的誤差進行糾正補償。
為達到以上要求，搭載合成孔徑雷達的飛機必須以側視方式工作，在一個孔徑長度內發射相干信號，同時接收天線獲取接收信號并經數據處理后得到二維灰度觀測圖像。雷達所獲取圖像像素的亮度與接收被觀測區域反射的能量成正比，接收反射能量的總量稱為雷達截面積，對此雷達截面積進行歸一化后便得到雷達后向散射的程度，用分貝(dB) 表示，目前，地球表面歸一化雷達截面積的區間為: 最亮+5dB，最暗-40dB。
20世紀50年代，美國特異公司的卡爾?威利（Carl Wiley）發現，通過多普勒頻移處理后，在不增大雷達尺寸的條件下，可實現高分辨率雷達成像，這就是合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）最早的雛形。美國是最早開始SAR成像技術研究的國家，1981年11月，他們發射的SAR-A衛星探測出撒哈拉沙漠中的地下古河道，揭示了合成孔徑雷達能夠穿透地表獲取地下信息這一重要特性，這個驚人的發現對軍事偵察行動來說簡直是如虎添翼，那些掩藏于地下或者植被下的武器裝備從此便失去了保護罩。隨著科學家對SAR成像技術不斷探索研究，后期還發現SAR不僅可以穿透云層和偽裝物進行夜間成像，實現24小時全天候持續觀測，甚至能識別出材料屬性、濕度等相關信息，從而獲取在光學成像中不明顯的高價值信息，這些特性迅速引起了全世界科研人員特別是軍事科研人員的濃厚興趣，其研究成果也首先被各國用于軍事偵察領域，其中美國于20世紀90年代發射的“長曲棍球”合成孔徑探測雷達衛星，憑借其強大的探測能力，幫助美軍在伊拉克戰爭、阿富汗戰爭等局部戰爭中搜集了大量軍事情報，為美軍執行精確打擊任務、制定軍事行動計劃提供了有力的支撐，同時也將信息化戰爭的概念深入人心，促使各國投入大量人力、物力和財力用于研究合成孔徑雷達成像技術，促使SAR成像技術在短短幾十年內便得到迅速發展。
01 合成孔徑雷達的工作原理
合成孔徑雷達的基本原理就是利用雷達與目標的相對運動，將小尺寸真實天線獲取的接收信號的振幅與相對發射信號的相位疊加起來，再通過后期的數據處理，合成一個等效的合成孔徑天線的接收信號，從而獲得與大尺寸天線雷達相同的觀測效果。其探測的過程類似于“多軌道錄音”，就像一位通曉各種樂器的演奏家，將他演奏的各種樂器錄下來，再將這些聲音合成在一起，最終成了個人演奏交響樂。
與大多數常規雷達一樣，合成孔徑雷達測定距離的方式也是通過發射電磁脈沖和接收目標回波之間的時間差來計算的，所以合成孔徑雷達的分辨率與所發射的電磁脈沖的寬度、電磁脈沖發射的持續時間有關，發射的電磁脈沖寬度越寬，分辨率越低，反之，分辨率越高。目前，大部分國家的合成孔徑雷達主要安裝在各型號飛機和衛星上，前者稱為機載合成孔徑雷達，后者稱為星載合成孔徑雷達。由于搭載雷達的飛機或者衛星平臺的航跡不規則，會造成圖像散焦，須借助慣導傳感器等設備對天線運動產生的誤差進行糾正補償。
為達到以上要求，搭載合成孔徑雷達的飛機必須以側視方式工作，在一個孔徑長度內發射相干信號，同時接收天線獲取接收信號并經數據處理后得到二維灰度觀測圖像。雷達所獲取圖像像素的亮度與接收被觀測區域反射的能量成正比，接收反射能量的總量稱為雷達截面積，對此雷達截面積進行歸一化后便得到雷達后向散射的程度，用分貝(dB) 表示，目前，地球表面歸一化雷達截面積的區間為: 最亮+5dB，最暗-40dB。
