合成孔径雷达的简介及军事应用
来源:国防科技工业
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作者:吴生财
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发布时间: 2021-04-12
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现代战争中，雷达如同是无形的眼睛，成为军事情报侦察和搜集的最重要手段，能否有效探测敌方军事部署的详细信息.....
随着科学技术的飞速发展，雷达成像技术在国防和军事领域发挥着举足轻重的作用，为军队信息化建设提供了有力的支撑。现代战争中，雷达如同是无形的眼睛，成为军事情报侦察和搜集的最重要手段，能否有效探测敌方军事部署的详细信息，成为战争前期冷交锋的主要焦点，侦察与反侦察，干扰与抗干扰都是在没有硝烟的战场上进行的激烈战斗，所以通过雷达成像技术获取高分辨率的直观侦测图像信息便成为现代信息化战争中兵家必争的无形高地。但是想要在万米高空甚至是太空中实现对坦克等小尺寸武器装备的观测，传统雷达是无法实现的，因为传统雷达获取地面目标的分辨率与天线的尺寸和雷达的发射功率呈正比，要想获取较高的分辨率图像，就需要不断增加天线的尺寸或者雷达的发射功率。以普通机载火控雷达常用的X波段为例，它的波长大约是3厘米，要想探测坦克大小尺寸的目标，至少要达到1.5米的分辨率，如果用传统雷达探测，则天线长度要达到400米左右，如此大的天线不但飞机上难以安装，就是地面也很难实现。
20世纪50年代，美国特异公司的卡尔•威利（Carl Wiley）发现，通过多普勒频移处理后，在不增大雷达尺寸的条件下，可实现高分辨率雷达成像，这就是合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）最早的雏形。美国是最早开始SAR成像技术研究的国家，1981年11月，他们发射的SAR-A卫星探测出撒哈拉沙漠中的地下古河道，揭示了合成孔径雷达能够穿透地表获取地下信息这一重要特性，这个惊人的发现对军事侦察行动来说简直是如虎添翼，那些掩藏于地下或者植被下的武器装备从此便失去了保护罩。随着科学家对SAR成像技术不断探索研究，后期还发现SAR不仅可以穿透云层和伪装物进行夜间成像，实现24小时全天候持续观测，甚至能识别出材料属性、湿度等相关信息，从而获取在光学成像中不明显的高价值信息，这些特性迅速引起了全世界科研人员特别是军事科研人员的浓厚兴趣，其研究成果也首先被各国用于军事侦察领域，其中美国于20世纪90年代发射的“长曲棍球”合成孔径探测雷达卫星，凭借其强大的探测能力，帮助美军在伊拉克战争、阿富汗战争等局部战争中搜集了大量军事情报，为美军执行精确打击任务、制定军事行动计划提供了有力的支撑，同时也将信息化战争的概念深入人心，促使各国投入大量人力、物力和财力用于研究合成孔径雷达成像技术，促使SAR成像技术在短短几十年内便得到迅速发展。
作为雷达技术发展的新产物，合成孔径雷达获取了和千米级孔径雷达近乎相同的探测能力，而且打破了传统雷达受探测时间和环境影响的限制，具备成像清晰、探测力好、抗干扰强、应用范围广等特点，目前已广泛应用于情报侦查、精确打击等军事领域，并逐渐扩展到气候变化、灾害评估、农作物长势等民用领域。我国从上世纪70年代开始研究合成孔径雷达探测技术，并于1979年获得了第一幅合成孔径雷达图像，经过科研人员的不懈努力，研究波段已经从单一波段发展到多波段，扫描模式也从从单一条带模式发展到条带、聚束、扫描等模式，分辨率更是从最早的几十米提高到0.5米，达到国际先进水平。下图所示为我国合成孔径雷达卫星于2015年7月24日获取的西沙永暑岛图像，从图像中可以清晰地分辨出当时永暑礁扩岛的全景。
01 合成孔径雷达的工作原理
合成孔径雷达的基本原理就是利用雷达与目标的相对运动，将小尺寸真实天线获取的接收信号的振幅与相对发射信号的相位叠加起来，再通过后期的数据处理，合成一个等效的合成孔径天线的接收信号，从而获得与大尺寸天线雷达相同的观测效果。其探测的过程类似于“多轨道录音”，就像一位通晓各种乐器的演奏家，将他演奏的各种乐器录下来，再将这些声音合成在一起，最终成了个人演奏交响乐。
与大多数常规雷达一样，合成孔径雷达测定距离的方式也是通过发射电磁脉冲和接收目标回波之间的时间差来计算的，所以合成孔径雷达的分辨率与所发射的电磁脉冲的宽度、电磁脉冲发射的持续时间有关，发射的电磁脉冲宽度越宽，分辨率越低，反之，分辨率越高。目前，大部分国家的合成孔径雷达主要安装在各型号飞机和卫星上，前者称为机载合成孔径雷达，后者称为星载合成孔径雷达。由于搭载雷达的飞机或者卫星平台的航迹不规则，会造成图像散焦，须借助惯导传感器等设备对天线运动产生的误差进行纠正补偿。
为达到以上要求，搭载合成孔径雷达的飞机必须以侧视方式工作，在一个孔径长度内发射相干信号，同时接收天线获取接收信号并经数据处理后得到二维灰度观测图像。雷达所获取图像像素的亮度与接收被观测区域反射的能量成正比，接收反射能量的总量称为雷达截面积，对此雷达截面积进行归一化后便得到雷达后向散射的程度，用分贝(dB) 表示，目前，地球表面归一化雷达截面积的区间为: 最亮+5dB，最暗-40dB。
