详细分析非聚焦SAR成像的基础与局限 留言
雷达成像原理主要运用天线理论和信号处理概念。合成孔径雷达(SAR)是一种应用最广泛的雷达成像技术。本文将进一步研究SAR雷达原理，特别是数字处理的基本原理。
SAR系统利用雷达的前向运动形成等效长天线。每发射一个脉冲，雷达在飞行路径上的位置就会稍微远一点。通过一部小型侧向天线，叠加连续脉冲的回波信号，就能合成一个非常长的侧向线性孔径。
非聚焦SAR系统
通过研究一种简化的非聚焦SAR雷达系统，我们可以很直观地掌握合成孔径原理。以一架搭载X波段雷达系统的飞机为例，它以恒定的速度和高度沿直线飞行。雷达天线略向下(即指向地面)，与飞行航迹固定呈90°夹角(如图1所示)。
图1 SAR雷达系统的天线与飞行路径的夹角固定90°
雷达测绘2km宽、15km长的条带区域
当飞机前进时，波束会扫过与飞行路径平行的一大片地面区域。我们只考虑这片区域相对狭窄的部分。整个区域的这部分狭窄部分为2km宽的狭长地带，与飞行路径相距15km。
飞机的任务是对这片狭长的地面区域进行横向和纵向分辨率为15m的测绘。我们后续会进行解释，为了实现16km距离内15m的沿航迹分辨率，SAR雷达必须合成一个大约15m长的阵列。
合成长孔径
飞机相对地面的水平速度为300m/s，脉冲重复频率为1KHz，雷达每发射一个脉冲，雷达天线的中心沿飞行路径向前移动了30cm。因此，合成孔径可以认为是由一排30cm长的辐射源组成的(如图2所示)。
要合成所需的15m长的孔径，需要50个这样的阵列单元。换句话说，必须叠加50个连续发射脉冲的回波信号。
图2 当发射连续的脉冲时，这些点代表天线中心
在数字化接收机的输出信号后，再叠加回波信号。距离门分布在2km宽的条带范围内(如图3所示)。每次传输后，每个可分解的距离门接收的回波信号与增加的间距，会添加到之前相应的距离门中。
图3 合成阵列的连续阵列单元接收的回波信号
在距离门生成的测绘距离间距中相加
第一个脉冲的回波信号由1号阵列单元接收，第二个脉冲的回波信号由2号阵列单元接收，依此类推。合成阵列的波束形成，类似于一个阵列接收来自地面某点的辐射。
假设辐射距离比阵列长度长得多，则方向线上(垂直于飞行路径)的一个小地块到每个阵列单元的距离几乎相同。因此，所有阵列单元接收的回波信号的射频相位也几乎相同。在方向线上叠加时，具有最大的相位相干和(如图4所示)。
图4 连续的阵列单元到方向线上的远点的距离在相位上进行相干相加
另一方面，对于不完全在方向线上的地块，地块与连续阵列单元之间的距离(或相位)是逐渐不同的。在这种情况下，连续阵列单元接收的离轴地块的回波信号相位也是逐渐不同的，因此相位通常会抵消。这样，回波信号会形成类似阵列天线一样的非常窄的天线波束(如图5所示)。
图5 从连续阵列单元到方向线以外的一点的距离逐渐不同
当叠加组成阵列所需的50个脉冲回波信号时，每个距离门中累积起来的结果非常接近于来自单个距离/方位分辨单元的总回波信号(如图6所示)。因此，图像单元的内容(像素)表示来自一列分辨单元的回波信号，这些分辨单元分布在2km宽的测绘区域内。
图6 当整合50个脉冲的回波信号后
此时，各个距离门的内容可以存储到计算机内存相应的位置以便显示(如图7所示)。然后，信号处理器开始处理新的孔径信息，孔径波束扫过2km宽的条带，但是比图像单元要靠前。由于成像时一次形成一条线，这种SAR雷达信号处理方法通常称为逐行处理。
图7 基础非聚焦阵列的合成步骤
每当接收一个新单元行的回波信号时，存储波门(像素)将在显示器上下移一行，以便为新的图像数据腾出空间。因此，当飞机前进时，操作员可以实时地从上到下移动屏幕，就像从飞机窗户看到的地面一样。
信号处理需求
在前面的讨论中，SAR雷达处理器的输入信号仅仅是数字化雷达的回波信号。这些输入信号是转换为基带信号后的回波信号的数字化I和Q分量。距离门中的累积和I/Q分量的复数向量和。这些向量和从距离门存储到显示内存。
非聚焦阵列的局限性
一个非聚焦阵列长度比映射的条带距离短。这导致从条带上的任意一点到单个阵列单元的视距几乎是平行的。然而，阵列越短，沿航迹分辨率越低。
如果阵列长度占大部分扫描距离，那么从这个距离上的一点到单个阵列单元的视距将会发生轻微偏离，因为波阵面是弧形的。那么，即使该点在方向线上，到阵列单元的距离也不会完全相同(如图8所示)。如果波长非常短，那么在这些距离上的细微差异，会导致单个阵列单元从P点处接收的回波信号相位出现很大的差异。
图8 如果阵列长度为L，可测绘距离为R
从P点到阵列末端单元的距离明显大于到阵列中心单元的距离
由于非聚焦阵列不会抵消这些相位误差，图像质量会因为对比度的损耗而降低。虽然增加阵列长度最初可以提高方位分辨率(在设定的距离内)，但是很快就会达到一个极值点，超过这个极值点，增加长度反而会降低性能，这是由于相位发生了很大变化。
当旁瓣相对主瓣增益逐渐增加，低阶旁瓣与主瓣相融时会引起衰减(如图9所示)。
图9 无聚焦阵列的辐射方向图表明，随着阵列长度L的增加，旁瓣相对增益增加，副瓣与主瓣相融。这种影响持续增加，主瓣增益随阵列长度的增加而逐渐衰减。
如图8所示，可以看出增益下降的原因。它图解了方向线上的P点到一个长阵列的每个阵列单元的距离L。对阵列中心附近的阵列单元而言，这个距离只有非常细微的差别。
但对离阵列中心越来越远的阵列单元而言，距离差异越来越大。随着阵列的延长，阵列最末端单元接收的回波信号越来越滞后于其他阵列单元接收的回波信号相位和。因此，会影响相干和的效率。
如图10所示，可以更具体理解这种对非聚焦合成阵列主瓣增益的改进型相位旋转。从向量图可知，一个具有27个独立阵列单元的合成阵列从远处P点处的方向线上接收回波信号。以中间阵列单元(阵列单元14)接收的回波信号相位作为参考。方向线上的增益对应相位和。
图10 这里显示了非聚焦阵列增益的降低。向量代表远端P点通过单个阵列单元接收的回波信号。增益等于向量和。在这种情况下，减小阵列长度可以增加增益
中心阵列单元(阵列单元9至19)接收的回波信号相位比较相近，它们的和值没有受到未聚焦的影响，相干合成几乎是100%。然而，阵列单元越来越多的话，接收的回波信号也越来越多。
阵列单元4和24接收的回波信号相位与相近的阵列单元接收的回波信号相位和相差接近90°，因此对相干和的影响极小。阵列单元1、2、3、25、26和27接收的回波信号相位是负数，会减小相位和数值。
如图10所示，如果阵列只有21个阵列单元(阵列单元4至24)，那么此时回波信号增益值最大。
原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）
