SAR技术

合成孔径雷达技术2003年5月合成孔径雷达技术1合成孔径雷达的基本要求2合成孔径雷达采用的先进技术3合成孔径雷达系统的组成4机载合成孔径雷达设备5合成孔径雷达系统5.1SAR系统形式和载机5.2SAR系统总体指标5.3雷达主要技术指标6SAR技术问题讨论1合成孔径雷达的基本要求⑴载机运动——匀速直线⑵相干系统——频率高稳定度⑶信号存储——高速、大容量⑷成像处理——二维、大容量⑸运动补偿——消除误差影响SAR是一种微波全息•SAR是微波全息成像，SAR原始数据就是数字化的全息图，成像处理就是图像重建。•在方位向通过PRF进行全息图的采样，采样间隔必须固定不变，因此要求PRF与地速成正比。•在距离向通过距离采样时钟进行全息图的采样。•为了保证全息图不发生畸变，需要采用运动补偿。•用一部分SAR原始数据就能处理出完整的图像，只是分辨率降低，这是多视处理和SCANSAR的依据。•SAR全息图方位向和距离向二维不对称，因此二维处理方法有区别。•SAR原始数据的动态范围比目标和图像动态范围小很多2合成孔径雷达采用的技术⑴高稳定度信号源⑵脉冲压缩技术（通常使用线性调频技术）⑶宽频带天线馈线系统⑷宽频带相干发射接收系统⑸高速数据采集和格式化⑹高速大容量数据存储⑺高速大容量信号处理⑻高精度运动补偿系统（包括高精度天线平台）⑼高精度定时器⑽系统遥控、程控和故障监测⑾数据压缩和传输（原始数据、图像数据）⑿高精度导航及定位技术（INS，GPS）⒀图像处理和识别等（黄字部分不含在雷达设备中）3合成孔径雷达系统的组成基本组成机载SAR航天SAR天线天线天线及展开机构馈线及微波组合馈线及微波组合馈线及微波组合波束指向控制天线平台(或相控阵)及平台控制(或波控机)波束指向控制基准信号源基准信号源基准信号源线性调频源线性调频源线性调频源发射机发射机(或T/R组件)发射机(或T/R组件)接收机接收机接收机(或T/R组件)数据采集和格式化数据采集和格式化数据采集和格式化数据存储数据记录数据存储定时器定时器定时器系统控制和故障监测系统控制和故障监测系统控制和故障监测（包括备份切换）（遥控遥测）运动补偿：实时运动补偿(实时)成像中补偿(地面)运动补偿：地速跟踪(实时)杂波锁定(实时)*径向速度补偿(实时)*成像中补偿(地面)*距离迁移校正(地面)*运动补偿：偏航控制(星上)*杂波锁定(地面)自聚焦(地面)距离迁移校正(地面)实时成像处理实时成像处理(机载)实时成像处理(星载)*地面成像处理地面成像处理地面成像处理图像记录图像记录(机或地)图像记录(地面)数传*─根据需要选用4机载合成孔径雷达设备各分机数据存储或数据传输地速数据输出地速数据输入惯性测量数据输入天线平台惯性测量左右开关右天线左天线收发开关发射机线性调频脉冲产生接收机频率源定时器地速补偿数据采集格式化杂波锁定径向补偿平台控制导航设备实时成像处理器整机控制电源各分机5合成孔径雷达系统5.1SAR系统形式和载机载机：飞机，航天飞机，卫星，空间站等载机主要性能：飞行高度飞行速度运动误差安装空间载荷能力供电能力5.1.1机载SAR系统主要特点：•飞行高度较低，速度较慢，机动性好，运动误差大；•距离模糊、方位模糊的限制较小；•距离徙动影响较小，多数情况下距离向和方位向的聚焦可以分别独立进行，成像适用R-D算法；•对运动补偿系统要求较高，大多采用实时运动补偿；•可以在机上直接记录原始数据和图像数据。5.1.2星载SAR系统主要特点：•飞行高度较高，速度较快，运动较规律，但机动性差；•工作距离很远，距离模糊、方位模糊的限制很大；•成像处理必须考虑距离徙动的影响；•主要在地面数据处理中进行运动补偿，较少采用实时补偿；•必须使用星地数据传输；•必须使用遥控遥测和程序控制；•系统要满足火箭发射和空间工作的环境条件；•体积、质量、功耗受卫星尺寸、载荷能力、供电能力限制；•不可维修，对可靠性要求高，大多采用冗余设计。5.2SAR系统总体指标工作模式分辨率、成像带宽度、工作距离的组合分辨率距离分辨率，方位分辨率（一般相同）成像带宽与分辨率是一对矛盾工作距离与分辨率有密切关系系统灵敏度检测弱目标的能力，与所有参数有关5.2.1分辨率⑴距离分辨率⑵方位分辨率⑶影响分辨率的其他因素5.2.2成像带宽与分辨率是一对矛盾5.2.3工作距离与分辨率有密切关系5.2.4系统灵敏度5.2.5SAR图像指标：⑴图像分辨率（雷达空间分辨率）⑵图像动态范围⑶图像几何精度⑷图像定位精度⑸多视数⑹峰值旁瓣比⑺积分旁瓣比⑻距离模糊度（一般机载SAR无此指标）⑼方位模糊度⑽辐射分辨率5.3雷达主要技术指标波段工作频率（工作波长）极化方式天线尺寸天线增益方位向波束宽度距离向波束宽度发射峰值功率发射平均功率（工作比）脉冲重复频率LFM脉冲宽度LFM频带宽度线性调频斜率误差线性调频非线性误差频率源稳定度接收机带宽接收机噪声系数接收机总增益输入、输出动态范围增益控制(MGC)范围自动增益控制(AGC)范围时间灵敏度控制(STC)范围中频频率（射频基准频率，中频基准频率）视频信号形式视频信号带宽采样时钟频率采样点数量化位数数据压缩形式输出数据率5.2.1分辨率•雷达分辨率分为：空间分辨率辐射分辨率•通常分辨率指空间分辨率•空间分辨率以米做单位•空间分辨率分为：距离分辨率方位分辨率•本节讨论空间分辨率•辐射分辨率在5.2.5节讨论⑴距离分辨率距离分辨率：τ─脉冲宽度(-3dB)，线性调频信号的等效脉冲宽度τ'=1/BB─信号带宽，窄脉冲的信号带宽B=1/τc─光速脉冲宽度τ以μs为单位，信号带宽B以MHz为单位时：距离分辨率：特别B=fMax时：信号波长是距离分辨率的极限线性调频信号脉冲压缩波形射频脉冲波形压缩脉冲波形视频脉冲波形线性调频信号参数线性调频脉冲宽度τμs线性调频脉冲带宽BMHz中心频率foMHz调频斜率B/τMHz/μs线性度%相位误差：一次相位误差—中心频率误差压缩脉冲位置误差二次相位误差—斜率变化压缩主瓣展宽（倍数K2）高次相位误差—调频非线性产生压缩副瓣随机相位误差—相位噪声积分副瓣增机加时间带宽积（压缩倍数理论值）τB倍数压缩脉冲宽度（理论值）τ’=1/Bμs压缩脉冲副瓣：峰值副瓣比；积分副瓣比dB加权展宽系数：K1倍数距离分辨率：⑵方位分辨率天线的方位向波束角：方位分辨率（真实孔径）：例:λ=0.24m,D=10m,R=600kmρA=14.4km提高方位分辨率要求增大天线方位向孔径点目标的全息图——方位向线性调频R合成孔径LS天线RoxSAR方位分辨率R合成孔径长度LSθA天线合成孔径长度方位分辨率多普勒带宽合成孔径时间时间带宽积SAR方位分辨率①方位向采样间隔＜方位向分辨率ΔxρA②实际得到的方位向分辨率与以下因素有关：•天线方向图造成的加权使聚焦主瓣展宽，副瓣降低•方位向成像处理时合成孔径长度（多普勒带宽）值可以根据需要选取SAR方位分辨率•天线为理想均匀口面分布时，双程方向图为Sinc2函数•采用的合成孔径长度：LS=KS×(λR／DA)•采用的多普勒带宽：Bd=KS×(2VA／DA)•实际方位分辨率：ρA=KA×DASAR图像指标与所取波束宽度的关系波束宽度定义-3dB-4dB-5dB-6dB-8dB主瓣0点Ks0.8861.0091.1141.2051.3562.000KA0.5520.5000.4680.4460.4200.390PSLR(dB)-17.78-19.49-21.32-23.26-27.35-39.60ISLR(dB)-14.73-16.56-18.49-20.47-24.58-41.85⑶影响分辨率的其他因素①信号源频率稳定度——短稳、中稳、长稳②信号源频谱纯度——谱线宽度、多余谱线③定时精度——定时抖动、与时钟不同步④采样间隔——采样频率限制距离分辨率PRF限制方位分辨率⑤运动误差——降低分辨率、产生副瓣、增加噪声、甚至不能成像5.2.2成像带宽度•分辨率ρA和成像带宽度W是一对相互限制的参数•可见分辨率越高即ρA越小，成像带宽度W也越小例如ρA=3m，VA=7km/s，τ=33μs则W≤31.6km又如ρA=1m，VA=7km/s，τ=15μs则W≤8.1km斜距成像带宽度与地距成像带宽度5.2.3工作距离•从SAR分辨率公式看来，分辨率与工作距离无关•实际上SAR工作距离与分辨率有密切的关系：⑴工作距离大，合成孔径长度大，需要存储和处理的合成孔径内的数据量成比例增加；⑵在相同分辨率的情况下，工作距离大，需要的发射功率随R3成比例增大；⑶在相同分辨率的情况下，工作距离大，对运动补偿精度要求成比例提高；⑷在相同分辨率的情况下，工作距离大，对系统精度要求提高。以上各项都会造成对分辨率或观测带宽度的限制。相同工作距离时，以上各项都会随分辨率的提高而提高要求。5.2.4系统灵敏度主要参数符号名称单位说明Pt发射峰值功率w雷达天线发射的微波脉冲峰值功率Pav发射平均功率w雷达天线发射的微波信号平均功率τ脉冲宽度μs发射脉冲的持续时间PRF脉冲重复频率Hz发射脉冲的重复频率λ工作波长m与发射微波信号中心频率fo对应的波长D天线长度m天线方位向的长度G天线增益dB中心频率下的天线增益（假定收发相等）S/N接收信/噪比dB折合到接收机输入端的信号/噪声功率比σ目标后向散射系数dB被天线照射区域的平均后向散射系数NEσ噪声等效后向散射系数dB使S/N=0dB的目标后向散射系数R作用距离m雷达天线到被照射区域中心的距离F接收机噪声系数dB折合到接收机输入端的噪声与热噪声的功率比B系统频带宽度MHz整个SAR系统的有效-3dB频带宽度L系统损耗dB整个SAR系统系统的总损耗T绝对温度K雷达工作环境的绝对温度k波尔兹曼常数焦耳/度热力学物理常数k=1.38×10-23焦耳/度c光速m/s光在真空中的传播速度c=3×108m/s重要参数说明⑴目标：分为两类点目标：目标尺寸远小于雷达分辨单元。用雷达截面积σ描述目标特性。雷达截面积与目标的大小、形状有关。角反射器是一种尺寸很小但雷达截面积很大的点目标。原始数据成像处理时有压缩增益和聚焦增益。分布目标：目标尺寸远大于雷达分辨单元，散射较均匀(强度和方向)。用后向散射系数σ°描述目标特性。原始数据成像处理时没有增益。角反射器分布目标重要参数说明⑵发射功率Pt、Pav：脉冲峰值功率Pt与平均功率Pav的关系为：⑶天线增益G：同一部天线的收/发增益相同⑷接收信/噪比S/N：折合到接收机输入端的信号/噪声功率比一般雷达要求S/N远远大于1(0dB)合成孔径雷达对点目标有很高增益，使S/N提高数十分贝但对分布目标没有增益，S/N不能提高SAR系统设计中根据用途，一般取S/N=5～10dB)(PRFPTpPtPtav24AGA=天线面积η=天线效率，去掉η为方向性系数重要参数说明⑸噪声等效后向散射系数NEσ：又称雷达系统灵敏度假设雷达天线波束照射地物的后向散射系数全都是NEσ，则接收机输入的回波信号功率与折合到接收机输入端的噪声功率相等，即S/N=0dB（S/N=1）⑹接收机噪声系数F：折合到接收机输入端的噪声与热噪声的功率比，是接收机灵敏度的最终限制⑺系统频带宽度B：整个系统的有效频带宽度(一般定义-3dB)带宽决定因素：发射信号带宽、收发天线带宽、接收机带宽、数据形成带宽、数据处理带宽等⑻系统损耗L：整个SAR系统系统的总损耗，主要产生于：天线损耗、馈线损耗、接收系统前端插损、收发系统相位误差、数据处理误差等雷达方程合成孔径雷达方程入射角的面积地面接收并反射电磁波DRSinc2DSinRcGPSot243332雷达天线接收的功率otDSinRcRGP242从地面反射的功率DFBLSinRGPkTcNSot332324//噪比雷达输入的信PRFPTpPtPtav平均发射功率SinPRFDFBLRGPkTcNSoav332324//噪比雷达输入的信SAR系统