1.1　雷达成像及其发展概况 ^[1-4]

雷达的发明是无线电发展史上的重要里程碑，雷达可以全天候、全天时、远距离对目标进行检测和定位，在第二次世界大战发挥了重大作用，至今仍然是军用和许多民用领域的重要传感器。

早期雷达的分辨能力很低，其分辨单元通常远大于目标尺寸，因而雷达是将观测对象（如飞机、车辆等）视为“点”目标来测定它的位置和运动参数。为了获取目标更多的信息，雷达科技工作者做了许多研究工作，设法从回波中提取目标特性。实际上，提高雷达的分辨能力应当是最有效的方法之一，当分辨单元远小于目标的尺寸时，就有可能对目标成像，从图像来识别目标显然要比“点”回波识别可靠得多。

雷达的距离分辨率受制于信号频带，提高距离分辨率相对容易一些，例如信号频带为300MHz，则通过匹配滤波输出的脉冲宽度为3.3ns，相当于距离长度为0.5m（考虑到脉压时为降低距离副瓣所引起的脉冲主瓣展宽，距离分辨率为0.6m多）。在微波波段，现在要产生300MHz或更宽频带的信号是不困难的。

提高横向分辨率，要依靠减小波束宽度，即要采用大孔径的天线。举个实际例子，若天线孔径为300个波长（在X波段约为10m），其波束宽度约为0.2°，则在30km处的横向分辨率约为100m ^[1] 。因此，要将上述横向分辨率提高到1m，则天线孔径还要加大100倍，即约为1000m，实际上是难以做到的，特别是在飞行平台上。

如果只是为了提高方位分辨率，原理上用小天线（称为阵元）排成很长的线性阵列是可行的，为了避免方向模糊（即不出现波束栅瓣），阵元间距应不超过1/2波长。若目标是固定的，为了简化设备可以将阵元同时接收改为逐个收发，并铺一条直轨，将小雷达放在轨道上的小车上，步进式地推动小车，而将每一步得到的回波记录下来，这些回波含有接收处回波的相位、幅度信息，将它们按阵列回波做合成处理，显然能得到与实际阵列相类似的结果 ^[2] ，即可以得到很高的方位分辨率。由此类推，将雷达安装在飞机或卫星上，在飞行过程中发射和接收宽频带的信号对固定的地面场景作观测，将接收存储的信号作合成阵列处理，便得到径向分辨率和横向分辨率均很高的地面场景图像，合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）正是由此得名的。

利用飞行的雷达平台对地面场景获得高的方位分辨率还可用多普勒效应来解释，当雷达载机以一定速度水平飞行，地面的固定目标方位不同，其视线与雷达（载机）的速度向量的夹角也不相同，即它们有不同的相对径向速度和多普勒频率。因此，对同一波束里的固定目标回波做多普勒频率分析，只要多普勒分辨率足够高，仍然可将波束无法分辨的目标加以分辨。1951年，美国Goodyear公司在这种特定条件下，利用多普勒分析提高方位分辨率，他们把这种方法称为“多普勒锐化”，即通过多普勒分析将同一波束内的回波按方位不同分成一组“多普勒波束”，而将原波束宽度与“多普勒波束”宽度的比值称为“锐化比”。直至今日，多普勒锐化技术仍在机载雷达里应用，其锐化比值通常可做到32～64，以2°的波束宽度为例，多普勒锐化之后的波束可窄到0.06°～0.03°。图1.1是多普勒波束锐化（简称多普勒锐化）的地面场景图，其信号频带为5MHz，波束宽度为1.5°，通过锐化比值约为64的多普勒锐化，多普勒波束宽度约为0.023°。图1.1的纵向分辨率约为30m，横向分辨率为20m。这样的分辨率是较低的，只能得到地面场景的轮廓图。

为了提高图像的纵向和横向分辨率，前者相对简单一些，只需加宽信号频带，而横向则决定于多普勒分辨率，因而需要加长相干积累时间，也就是要加大前面提到的合成孔径。为了得到米级的分辨率，合成孔径长度一般应为百米的数量级，即飞机要飞行几百米后才能得到所需的分辨率。前面提到，相对于雷达不同方位角的地面固定目标，多普勒频率是不同的。对某一地面固定目标，在飞机飞行过程中，由于其视角不断变化，回波多普勒频移也随之变化。前面所说的多普勒锐化，只是由于相干时间不长（即合成孔径不大），多普勒频移的变化可以忽略。现在为提高横向分辨率采用了大的合成孔径，这时多普勒锐化不能再用简单的傅里叶变换，而需要特殊处理（后面还要详细讨论），习惯上用非聚焦和聚焦来区分两者（这两个名词也将在后面说明）。实际上，上面介绍的多普勒波束锐化也就是非聚焦方法。1953年夏，在美国Michigan大学的暑期讨论会上，明确了非聚焦和聚焦方法，“合成孔径”的概念也是在这次会上提出的。

有了清晰的概念、严格的理论分析和成功的部分原理性试验后，接下来就是工程实现的研制。当时，高相干的宽频带信号产生、发射和接收，信号的存储和处理都还是难题。1958年，Michigan大学雷达和光学实验室研制出第一部合成孔径雷达，并得到清晰的地面场景图像。当时的数字处理技术还比较落后，用光学设备实现复杂的二维处理成像。随着数字技术的迅速发展，光学处理方法很快被数字处理所代替 ^[5] 。

对横向分辨率的要求越高，所需合成孔径长度就越长，即要有长的相干积累时间。所谓聚焦处理就是将在相干时间内由于雷达至目标距离变化而引起的相位非线性变化和包络平移通过补偿做处理，分辨率越高，相干积累时间就越长，对补偿精度的要求也越高，从而处理也越复杂。因此，合成孔径雷达能够达到的分辨率是逐年提高的，早期的分辨率可达10～20m，不久就到了米的数量级；近年来，国内外已有分辨率达0.03m的报道。当然，在应用中并不都要求最高的分辨率，而是根据实际要求确定，图1.2是图1.1对应地区的合成孔径雷达场景图像，分辨率为3m。可见用作广域的普查，3m分辨率已可满足要求。如果要求观察清楚其中一小部分特定区域，则要求更高的分辨率。

合成孔径雷达发展中的一个新的里程碑是高程测量，前面提到过，为了在方位向得到高的横向分辨率需要大的横向合成孔径。因此，如果要在高度方向得到高的分辨率，同样需要在高度向有大的天线孔径，这是难以做到的。但是，对合成孔径雷达图像做高程测量只是对已经在距离-方位平面分离开的点测高，这时可用垂直于航向分开的两副接收天线，各自做合成孔径成像，将两幅图像加以配准，则图像中的每一点均具有分开的天线的两路输出，对它们做比相单脉冲处理（这是雷达技术里用的术语，在物理学里叫干涉法），就可得到该点的仰角值，从而根据该点相对于雷达的几何位置计算出它的高程。可以想象，所测高程的精度与两天线之间的基线长度有关，无论是在飞机还是卫星上安装两副天线，上述基线不可能很长，其测高精度一般比较低，如果要提高测高精度则要采取另外的措施。这种能测量高程的合成孔径雷达通常称为干涉合成孔径雷达，双天线的干涉合成孔径雷达的原理是在20世纪70年代中期提出的，真正达到实用则是80年代后期的事，这在后面还要详细介绍。

合成孔径雷达另一个发展是合成孔径雷达的地面动目标显示，它在军事上是战场感知的重要手段，它也用两副接收天线和两个通道，只是这时的两副接收天线沿平台运动方向前后放置。由于合成孔径图像的横坐标也相当于是多普勒频率，只是由于雷达平台相对于地面固定场景的相对速度和几何位置已知，从上述多普勒频率可以换算出横向位置。当然这只是对固定目标，如果场景里有运动目标（如车辆等），它还有额外的多普勒频率，因而动目标显示的横向位置会“错位”。

当用前后放置的两副接收天线的信号各自成像时，两幅复数像只是有一段时间差，如果将时间差加以补偿（主要是横向位置配准，在后面还要详细介绍），则两天线相当于在同一地点成像，两幅固定场景的复数像会完全相同，两者相减原理上可完全抵消。动目标则不一样，因为两幅复数像实际是在不同时间得到的，两者的相位不同，因而在两幅复数像相减后会留下动目标。不过动目标的横向位置是“错位”的，要得到动目标的真实横向位置还要另想办法，这也将在后面介绍。

合成孔径雷达的应用领域越来越广，20世纪五六十年代只用于飞机。人造卫星发射成功后，很快有人研究星载合成孔径雷达，并于1978年试验成功。现在机载、星载合成孔径雷达的应用已十分广泛，在军用方面有战场侦察、目标识别、对地攻击等，而在民用方面有地形测绘、海洋观测、灾情预报、农作物评估、天体观测等，在国民经济和国防建设方面发挥了重要作用。

逆合成孔径雷达是又一个发展方面。实际上，合成孔径是利用雷达与目标之间的相对运动形成的，这里是目标不动，而雷达平台做直线运动。如果反过来，雷达平台不动，而飞机运动，当以飞机为基准时，也可将雷达视为反向运动，并在虚拟的运动中不断发射和接收信号，用合成孔径技术得到飞机图像。其实两者在原理上是相同的，不存在原理上的“逆”问题，只不过是运动方倒置，而在雷达界习惯称为逆合成孔径雷达。在20世纪80年代初，就实现了非合作目标的逆合成孔径雷达成像，现已得到较广泛的应用，图1.3所示为一种逆合成孔径雷达的飞机图像。逆合成孔径雷达在实际应用中存在的主要问题是目标（如飞机）通常是非合作的，很难要求它做规则的直线飞行，因而所形成的逆合成孔径的阵列在空间形成复杂的阵列流形。对机动目标的逆合成孔径成像现在仍然是研究的热点。

应当说，合成孔径技术发展到今天，不仅有专用的合成孔径雷达，而应用该技术的雷达成像已成为一种功能应用于各种雷达。在许多现代雷达里都配备有宽带信号，并根据需要加成像处理，使雷达具有对场景的合成孔径成像（对运动平台的雷达）和对目标的逆合成孔径成像（对运动或固定平台的雷达）的功能。 v0GJXdUndMTU0HgoY7ZV8SckSaWvQ2e280Pm2j6kqZMMnhS6F4D+lHZbCNtb5dIX