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极化合成孔径雷达(Pol-SAR),从基础到应用
发布日期:2017年09月19日 12:33   发布者:雷达通信电子战(微信号:SAR-ECCM)   浏览次数:1309

合成孔径雷达(SAR)基本概念

合成孔径雷达天线往往仅用单个辐射单元,沿一直线依次在若干个位置平移,且在每一个位置发射一个脉冲信号,接收相应发射位置的雷达回波信号并储存起来,然后通过信号处理的方法产生一个等效的长的线性阵列天线。

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SAR通过脉冲压缩技术改善距离分辨力,通过合成孔径技术改善方位分辨力。合成孔径雷达的特点是分辨率高,能全天候工作,能有效地识别伪装和穿透掩盖物。 

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SAR思想的产生

合成孔径的概念始于50年代初期。当时,有些科学家想突破经典分辨力的限制,提出了一些新的设想:

● 利用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高分辨力;

● 用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得高分辨力。

相参性

要想通过在不同的位置发射信号并收集后再联合处理,那么首先就要确保发射的脉冲是相参的,发射信号、本振电压、相参震荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供,接收机也需要具备很高的时间精度。相参性是SAR系统获得高分辨率的必要条件。

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SAR回波的存储与处理

SAR是需要存储雷达回波,由于数据不是同时采集的,需要对一定的时间间隔内接收的信号进行运算。 A/D转换之后对数字信号进行存储,选择存储介质必须考虑到信息记录的速率、记录的数据容量、完成方位压缩和脉冲压缩时存储数据的读取速度。

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多普勒历程

随着平台的运动,地面目标逐渐进入雷达波束,平台接近目标时多普勒频率为正,远离目标时为负,频率随时间变化曲线的斜率为负,目标的多普勒历程如下图所示。

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SAR的分辨率

SAR的距离分辨率主要由发射信号的带宽决定。而SAR方位向理论分辨率等于天线孔径的一半,高的分辨力要求采用小的天线而不是大的天线,并且与距离和波长无关。当然,受到其他因素的影响,天线孔径也不可能无限小。

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SAR处理过程

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首先SAR天线在每个位置发射脉冲信号并接收目标回波并按顺序存储,然后通过二维匹配滤波实现目标的距离和方位向的高分辨。

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运动补偿

SAR信号处理是假定雷达随飞机做直线等速飞行。实际上,运载天线的飞行器总是与这种典型的直线等速飞行状态有偏差的。因此就需要用辅助设备来补偿非直线运动。

运动补偿设备必须包含能检测飞行路线与直线路径偏离的传感器,可以用各种方式使用此敏感元件的输出。为了完善运动补偿,还必须调整接收信号的相位,以补偿实际天线与理想的形成合成天线位置之间的偏移。

极化合成孔径雷达

极化是电磁波的本质属性之一,是除频率、幅度、相位之外的又一维重要信息。电磁波的传播和散射都是矢量现象,而极化正是用来研究电磁波的这种矢量特征。SAR系统常用四种极化方式——HH、VV、HV、VH。

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雷达发射的能量脉冲的电场矢量,可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长,雷达信号可以传送水平(H)或者垂直(V)电场矢量,接收水平(H)或者垂直(V)或者两者的返回信号。

单极化是指(HH)或者(VV),就是水平发射水平接收或垂直发射垂直接收。气象雷达领域那一般都是(HH)。

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双极化是指在一种极化模式的同时,加上了另一种极化模式,如(HH:水平发射水平接收)和(HV:水平发射垂直接收)。

全极化技术难度高,要求同时发射H和V,也就是(HH)(HV)(VV)(VH)四种极化方式。

电磁波的极化对目标的介电常数、物理特性、几何形状和取向等比较敏感,因而极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力。下图是同一个地区不同极化方式下的成像结果

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雷达极化已经发展成为一种比较成熟的技术,在农业(分辨不同的农作物耕地)、森林(植被高度、衰减系数等生物量的估计、物种识别)、地质(地质结构描述)、水文(表面粗糙度和土壤湿度估计、雪湿度估计)、海冰监测(冰龄和厚度估计)和海洋学(波特性估计,热和波前探测)等很大范围内都得到广泛的研究和应用。

通过对雷达目标和地物杂波的极化特性测量与分析,可以实现对不同目标的分类与识别,这在雷达抗干扰领域的作用也日渐突出。 
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SAR应用领域

合成孔径雷达主要用于航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、航天侦察、图像匹配制导等。它能发现隐蔽和伪装的目标,如识别伪装的导弹地下发射井、识别云雾笼罩地区的地面目标等。

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