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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 载机运动 匀速直线 相干系统 频率高稳定度 信号存储 高速 大容量 成像处理 二维 大容量 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 高稳定度信号源 脉冲压缩技术 通常使用线性调频技术 宽频带天线馈线系统 宽频带相干发射接收系统 高速数据采集和格式化 高速大容量数据存储 高速大容量信号处理 高精度运动补偿系统 包括高精度天线平台 高精度定时器 系统遥控 程控和故障监测 数据压缩和传输 原始数据 图像数据 高精度导航及定位技术 INS GPS 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 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 距离分辨率 方位分辨率 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 图像分辨率 雷达空间分辨率 图像动态范围 图像几何精度 图像定位精度 多视数 峰值旁瓣比 积分旁瓣比 距离模糊度 一般机载SAR无此指标 方位模糊度 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 距离分辨率 距离分辨率 脉冲宽度 3dB 线性调频信号的等效脉冲宽度 1 BB 信号带宽 窄脉冲的信号带宽B 1 c 光速脉冲宽度 以 s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 s线性调频脉冲带宽BMHz中心频率foMHz调频斜率B MHz s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 B倍数压缩脉冲宽度 理论值 1 B s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 方位分辨率 天线的方位向波束角 方位分辨率 真实孔径 例 0 24m D 10m R 600km A 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 SAR方位分辨率 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 方位向采样间隔 方位向分辨率 x A 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 R DA 采用的多普勒带宽 Bd KS 2VA DA 实际方位分辨率 A 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 85 影响分辨率的其他因素 信号源频率稳定度 短稳 中稳 长稳 信号源频谱纯度 谱线宽度 多余谱线 定时精度 定时抖动 与时钟不同步 采样间隔 采样频率限制距离分辨率PRF限制方位分辨率 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 A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 A越小 成像带宽度W也越小例如 A 3m VA 7km s 33 s则W 31 6km又如 A 1m VA 7km s 15 s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 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 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 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 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 脉冲宽度 s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 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 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NE 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 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 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 描述目标特性 原始数据成像处理时没有增益 重要参数说明 发射功率Pt Pav 脉冲峰值功率Pt与平均功率Pav的关系为 天线增益G 同一部天线的收 发增益相同 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 A 天线面积 天线效率 去掉 为方向性系数 重要参数说明 噪声等效后向散射系数NE 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NE 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 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 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 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 SAR系统灵敏度 实用计算公式 S N 252 76dB Pt dBW 2 G dB 3 dBM dBS 3 R dBM D dBM B dBHz F dB L dB Sin dB dBNE 252 76dB Pt dBW 2 G dB 3 dBM dBS 3 R dBM D dBM B dBHz F dB L dB Sin dB 5 2 5SAR图像指标 主要图像指标 分辨率 定义为点目标响应函数主瓣 3dB点的宽度 等幅线性调频信号压缩 聚焦 后 响应函数为Sinc函数 对线性调频信号进行幅度加权 压缩后的峰值副瓣和积分副瓣降低 但主瓣宽度略加宽 即分辨率略降低 方位向和距离向情况相同 主要图像指标 动态范围 分布目标图像的动态范围 接收系统的动态范围点目标图像的动态范围 接收系统的动态范围 脉冲压缩增益 方位聚焦增益 几何精度 图像几何畸变主要由载机运动误差造成 雷达系统本身造成的图像距离向几何畸变很小 图像方位向几何畸变主要由速度跟踪误差造成 机载SAR载机运动误差造成的方位向几何畸变较大 星载SAR载机运动误差造成的几何畸变很小 定位精度 图像的定位精度主要取决于载机本身的定位精度 图像几何畸变也对图像的定位精度有一定影响 主要图像指标 多视数 多视成像处理降低空间分辨率 提高辐射分辨率多视分辨率 单视分辨率 视数辐射分辨率主要受相干斑噪声影响 理论值为 距离模糊 地面雷达和机载雷达工作在发射一个脉冲 接收完回波后再发射第二个脉冲 即 发一收一 方式 没有距离模糊 但这样会有 模糊距离 限制 远于模糊距离RMAX的目标 回波将和发射脉冲冲突而不能接收 主要图像指标 星载SAR的距离模糊 星载SAR的工作距离很远 PRF又不能很低 受方位模糊和信 噪比要求限制 所以发射几个脉冲后才能接收到第一个脉冲的回波 即在当前发射和接收的脉冲之间 空中路途上还存在几个传输中的脉冲 这就造成先发射的脉冲从远处返回的回波和后发射的脉冲从近处返回的回波可能同时到达雷达天线 这种不同发射脉冲 不同距离目标的回波混叠在一起被接收造成了距离模糊 距离模糊形成实际上该位置并不存在的 目标 干扰和噪声 距离模糊对图像的影响与距离模糊度大小和地物特性有关 距离模糊度 模糊信号功率和成像信号功率的比值 距离模糊度与天线距离向方向图 工作距离 PRF值 主要图像指标 方位模糊 由于PRF不够高 数据的多普勒频谱发生混叠产生的 方位模糊与PRF关系 主要图像指标 星载SAR的方位模糊 受距离模糊限制 PRF不能很高 多普勒频谱混叠造成的方位模糊较严重 机载SAR 工作距离较近 PRF可以选得较高 通常取PRF大于多普勒带宽的4倍 最高多普勒频率的8倍 所以方位模糊的影响较小 只在天线副瓣区域有特别强的目标时才能看到方位模糊 方位模糊形成实际上该位置并不存在的 目标 干扰和噪声 方位模糊对图像的影响与方位模糊度大小和地物特性有关 方位模糊度 混叠频谱功率和成像有用频谱功率的比值 方位模糊度与天线方位向方向图 PRF值有关 主要图像指标 辐射分辨率 表征区分不同强度目标能力的参数 定义 均值和方差是对均匀分布目标图像的功率测量数据统计得到的辐射分辨率对于大面积分布目标的定量遥感应用非常重要影响辐射分辨率的主要因素为 相干斑噪声 雷达信噪比 雷达系统的增益稳定度内定标精度决定相对辐射精度外定标精度决定绝对辐射精度 均值 方差 5 3雷达主要技术指标 1 波段 2 工作频率 工作波长 雷达工作波段和工作频率主要根据使用目的确定下表列出了工作频率不同时 雷达系统性能的主要差别项目低频段高频段分辨率低高穿透能力强弱天馈线尺寸大小发射功率小大频带宽度窄宽技术难度小大 电磁波波段表 无线电波段表 3 极化方式 单极化 HH VV 交叉极化 HV VH不同极化的图像对不同物体反映不同 不同极化的图像反映物体不同的特性 因此不同极化的图像有不同的应用 多极化图像可以获得更多的信息 4 天线尺寸 方位向尺寸决定方位向波束宽度 方位分辨率距离向尺寸决定距离向波束宽度 成像带宽度 雷达主要技术指标 天线尺寸限制 天线尺寸限制 方位分辨率限制天线方位向尺寸DA成像带宽度限制天线距离向尺寸DR如果增大天线宽度 则必须减小成像带宽度 或者利用相控阵天线展宽距离向波束宽度 成像带宽度还受到方位分辨率 即天线方位向尺寸 限制 天线尺寸限制 条件 最高分辨率 最大成像带宽 雷达主要技术指标 5 天线增益 6 方位向波束宽度 7 距离向波束宽度 8 发射峰值功率 雷达天线发射的微波脉冲峰值功率Pt根据系统参数由雷达方程计算其实现取决于 发射机的功率 效率天线 馈线承受功率载机供电能力等 雷达主要技术指标 9 发射平均功率和工作比 占空比 10 脉冲重复频率PRF 1秒钟发射的脉冲数 Hz最低PRF受多普勒带宽Bd限制 PRF Bd最高PRF受成像带宽度W WG 限制 11 LFM脉冲宽度 对于线性调频脉冲 雷达距离分辨率只由信号带宽决定 与脉冲宽度 无关 增大脉冲宽度 增大脉冲平均功率 提高接收信 噪比 增大雷达工作距离 降低线性调频率 容易产生和获得高线性度的线性调频脉冲 增大脉冲占据的距离宽度 对去斜率工作方式有利 增大脉冲占据的距离宽度 增大成像带宽度损失 其损失 W 150 米 以 s为单位 12 LFM频带宽度B 决定雷达距离分辨率 R 雷达主要技术指标 雷达主要技术指标 13 线性调频斜率误差 线性调频斜率误差使脉冲压缩主瓣展宽 距离分辨率降低 固定的调频斜率误差可以在脉冲压缩处理时补偿 消除影响 变化的调频斜率误差主要是声表面波 SAW 器件参数随温度变化造成的 在使用声表面波器件做脉冲压缩时 可以把产生线性调频脉冲和压缩线性调频脉冲的器件成对设计制造 并且放在同一个屏蔽盒内 使它们温度相同 调频斜率变化相同 消除对脉冲压缩主瓣的影响消除 14 线性调频非线性误差 调频非线性产生高次相位误差 高次相位误差使距离压缩副瓣升高 副瓣不对称等 固定的调频非线性误差可以在SAR系统中进行补偿 也可在成像处理中进行补偿 雷达主要技术指标 15 频率源稳定度 有下列三个参数短期稳定度 在电磁脉冲发射到接收的时间间隔 1 10ms 内和合成孔径时间 几秒 内的频率变化用阿仑方差表示长期稳定度 一年时间内的频率变化 用相对误差表示单边带相位噪声 相位噪声随频率的变化 用dBc Hz表示频率源稳定度的影响 长期稳定度对一般成像无影响 对特殊应用 如多星干涉成像 多航迹干涉成像 干涉SAR的几种形式 则可能有影响短期稳定度 相位噪声影响图像的分辨率和积分副瓣比频率源的随机相位误差 2 f t y方位向积分副瓣比ISLR 10lg 2 ISL0 式中 f 工作频率 t 回波延迟时间 双程 y t时间内的短期稳定度 阿仑方差 ISL0 没有误差时的副瓣总功率 雷达主要技术指标 16 接收机带宽 通常的接收机和器件 带宽有两种定义方法 幅频响应半功率 即 3dB 点之间的频带宽度 幅频特性 1dB点之间的频带宽度大多数电子设备通常采用定义 SAR成像对幅频要求很高所以采用定义 决定SAR距离分辨率的是系统带宽B系统带宽B由发射信号带宽 调频源 发射机等带宽决定 天线馈线带宽 发 收双程 接收机带宽 数据形成带宽等决定 接收机带宽对系统带宽的影响较大接收机中的各级滤波器特性对接收机带宽的影响较大接收机带宽要合理确定 带宽太窄会降低距离分辨率 增大脉冲压缩副瓣 带宽太宽会增加噪声 降低信 噪比和系统灵敏度 雷达主要技术指标 17 接收机噪声系数F噪声系数F表示把热噪声kTB增大的倍数 噪声N FkTB接收机各级的噪声全部折合到输入端来计算N N1 N2 K1 N3 K1K2 前级噪声对接收机噪声系数的影响最大天线到接收机之间的所有插入损耗 馈线 旋转关节 收发开关 电缆连接器 保护开关 限幅器等 都使噪声系数增大 18 接收机总增益G 计算公式 G POmax PIminPImin 最小输入电平 POmax 最大输出电平设计应留有适当的裕量 预备增益随器件衰老而下降留有对微弱目标成像的余地 雷达主要技术指标 19 输入 输出动态范围放大器动态范围定义 从噪声电平到传递特性偏离线性1dB点 所谓1dB压缩点 之间的输入 或输出 电平范围另一种定义 从噪声电平到限幅电平 或饱和电平 之间的输入 或输出 电平范围接收机输入动态范围主要取决于前级低噪声放大器的动态范围接收机输出动态范围主要取决于末级视频放大器的动态范围合理分配各级的增益是保证接收机达到最大动态范围的关键在各级动态范围最佳匹配的情况下 放大链的动态范围主要受其中动态范围最小的一级放大器限制接收机输入动态范围 放大链的动态范围 增益控制范围 20 增益控制 MGC 范围 增益控制能扩展接收机输入动态范围 接收机各级动态范围的匹配 接收机各级动态范围的匹配 动态范围的控制 动态范围的控制 雷达主要技术指标 21 自动增益控制 AGC AGC在通讯 广播 电视接收机中广泛应用 控制范围很大一般情况下SAR回波信号强度变化较小 较慢 可以使用AGC在回波信号强度变化剧烈的区域 如水陆交界 AGC不好用AGC有时间延迟 时间常数小 增益变化造成幅度调制 影响图像质量时间常数大 增益变化滞后于信号变化 不起控制作用对AGC时间常数的要求是 在合成孔径时间内 增益变化不大 如 1 3dB 在回波强度变化时 接收机输出电平变化不大AGC的增益变化会降低辐射精度对定量遥感应用不利 在系统进行内定标 外定标 时 不能使用AGC由于数据率限制 数据量化位数较少时 采用分组自适应量化 BAQ 扩大数据动态范围 降低数据率要比AGC好 雷达主要技术指标 22 时间灵敏度控制 STC 范围STC用增益随时间变大来补偿回波信号随距离增大而减弱 使接收机输出的信号电平变化不大 有利于信号采集记录 由于机载SAR距离变化很大 数倍 随距离增大 回波信号强度迅速减弱 所以多用STC 一般STC范围在10 20dB 星载SAR工作距离很大 距离相对变化不大 由此引起的回波信号强度变化不大 星载SAR回波信号强度变化主要由天线方向图造成 强度变化不太大 天线波束很多 也很难用STC一一补偿 所以星载SAR一般不用STC STC的增益变化会降低辐射精度对定量遥感应用不利 雷达主要技术指标 23 中频频率 射频基准频率 中频基准频率 中频频率fI的选择原则 中频频率fI选低些 放大容易 电路较稳定 相对带宽较大 幅频特性 相频特性的指标较难做得高中频频率fI选高些 相对带宽较小 幅频特性 相频特性的指标容易做得高 对放大器件要求高 电路较难设计 尽量选择标准的 常用的 系列的中频频率 器件 电路成熟 容易选用元器件和设计电路 频率关系 工作频率 射频基准频率 中频频率或工作频率 射频基准频率 中频频率 雷达主要技术指标 24 视频信号形式 有三种 方位偏置形式 视频信号中心频率 方位偏置频率fbfb PRF 4 2BdBd 多普勒带宽 距离偏置形式 视频信号中心频率 距离偏置频率fbfb BB 信号带宽 正交形式 I Q 视频信号中心频率 0需2路视频信号三种视频形式比较项目方位偏置距离偏置正交形式视频信号路数一路一路二路视频信号频率低 B 2 高 2B 低 B 2 fb的产生较复杂较简单不用运动补偿较容易较复杂较复杂 雷达主要技术指标 三种视频信号形式的应用 方位偏置形式 光学记录和成像处理系统 机载SAR实时运动补偿系统 距离偏置形式 模拟数传系统 例如SEASAT 正交形式 I Q 数字记录 传输和成像处理系统 25 视频信号带宽 由视频信号形式决定视频信号形式方位偏置距