合成孔径雷达技术的发展及其应用

中国科学院国家科学图书馆,科学研究动态监测快报.

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科学研究动态监测快报

2007年11月1日 第10期（总第10期）

空间光电科技专辑

(合成孔径雷达技术专题)

中国科学院高技术研究与发展局

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空间光电科技专辑 2007年第10期（总10期）

出版日期：2007年11月1日

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专 题

编者按：合成孔径雷达（SAR）能够克服云雾雨雪和夜暗条件的限制对地面目标成像，可全天时、全天候、高分辨率、大幅面对地观测，在军事侦察、军事测绘及诸多民用领域发挥了重要作用，近年来受到世界各国高度重视并得到迅速发展。本期专题对SAR技术的发展及其应用做以简要介绍，详细介绍美、德等国的SAR计划进展及相关技术，以及近期国际上关于SAR的最新情况。

合成孔径雷达技术的发展及其应用

SAR是一种二维微波遥感成像雷达，由于具有远距离全天候高分辨力成像、自动目标识别、先进的数字处理能力等优点，使其拥有广泛的用途。20世纪50年代初美国科学家最先提出来“合成孔径”的概念，主要是为了满足军事侦察雷达对高分辨率的需求。经过多年的发展，SAR从开始的单波段、单极化、固定入射角、单工作模式，逐渐向多波段、多极化、多入射角和多工作模式方向发展，天线也经历了固定波束视角、机械扫描、一维电扫描及二维相控阵的发展过程。未来几年SAR的研究热点以及发展趋势是：多参数（多频段，多极化和多视角）SAR系统，聚束SAR，极化干涉SAR及合成孔径激光雷达。

1. 应用范围

1.1 军事应用

美国的“长曲棍球”(Lacrosse)军用雷达卫星，自1988年至2005年已先后发射了5颗，分辨率从最初的1 m提高到0.3 m，这是目前为止分辨率最高的天基合成孔径雷达。美国正在发展的“天基雷达”计划是为美国空军实施的一项具有空间力量增强战略的计划，该计划是一个由8~10颗成像卫星组成的星座，星上的主要有效载荷是SAR，且具有地面运动目标指示（GMTI）的功能。

德国的SAR-Lupe军事雷达卫星，是欧洲高分辨率（分辨率低于1 m）天基成像雷达的首次应用。该系统独特的设计概念是包括五颗卫星的星座，每颗卫星都载有有源线阵雷达，具有很高的性价比，为不同的应用奠定了基础。第一颗SAR-Lupe卫星已于2006年12月成功入轨，第二颗卫星在今年的7月2日发射，第三颗将于11月1日发射，后两颗将于2008年中期发射。最后两颗SAR-Lupe卫星的技术改造工作已经开始，项目名称为SARah，主要目的是研制有源雷达系统，尤其是高功率放大器管。德国宇航中心（DLR）最近还启动了对TanDEM-X雷达卫星的研究工作，该卫星计划2009年发射，设计运行5年。TanDEM-X卫星将与今年6月15日发射的TerraSAR-X卫星在地球轨道内近距离编队飞行，通过这种双星编队星座方式，卫星能够在三年内完全勘测地球陆地表面（1.5亿平方公里），为德国军方提供数字高程模型。

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加拿大的Radarsat-2采用多极化工作模式，大大增加可识别地物或目标的类别。根据采用的不同工作模式，可为用户提供3~100 m分辨率的雷达图像，相应的成像幅宽范围为10~500 km。

俄罗斯正在研制一颗名为“秃鹰E”(Kondor-E)的S波段小型雷达卫星，“秃鹰E”卫星重量仅800 kg，由于采用了重量极轻的6 m折叠式抛物面天线，有效载荷重仅有约250 kg。信号带宽200 MHz，分辨率约为12 m，卫星轨道为800 km高的极地轨道。

以色列国防部及Elta系统公司披露了正在建造的TecSAR侦察卫星的细节，该卫星是一种低地球轨道SAR技术演示器，重量达300 kg，其中包括100 kg的、采用电子束控制的多工作模式SAR有效载荷。TecSAR卫星与以色列的“地平线（”Ofeq）系列间谍卫星一样，将以大约每90分钟一次的速率通过特定的目标区域，可在24小时内提供双倍数量的可用情报。一个强大的地面站已经被部署，用来通过高速数据链路分派新的任务，同时也可以通过该链路下载图片以备进一步利用及解释。数据链路有240 G的存储容量。

1.2 海洋、气象、气候方面的应用

X波段SAR作为NASA “Missin to Planet Earth”的一部分，是NASA、德国空间局（DARA）和意大利空间局的合作项目。X-SAR可以在任何天气和太阳情况下，实际测量地球上的任意地区，如穿透植被、冰层和干旱的沙漠等，绘制地表图形，为科学家提供关于气候和地质推移、水循环和海洋环流的详细信息。X-SAR分别于1994年的4月和9月，由美国的奋进号航天飞机搭载飞行了两次，这两次连续的飞行在两个不同季节观测地球上的同一地点，目的是探测季节的改变，为可再生和不可再生资源提供更精确和可靠的监测。SIR-C/X-SAR任务，观测了超过400个地点。2000年1月，X-SAR在航天飞机雷达地形任务中再一次被使用，产生了第一张地球表面的三维图形。

1.3 环境方面的应用

2002年2月发射的Envisat卫星，搭载了复杂的光学和雷达仪器（ASAR，高级合成孔径雷达），目的是为了连续观测和测量地球海洋、陆地、冰山，以及为研究各种自然和人为因素造成的气候改变提供大气数据，同时也为自然资源的管理提供了大量信息。

韩国航空宇宙研究院（KARI）和韩国空间局共同开发的Kompsat-5（韩国多目标卫星）SAR地球观测卫星，其搭载的X波段多工作模式SAR将为地理信息应用提供图像，帮助监测和预防环境灾难，预计于2008年底发射，2009年的上半年完成在轨测试。

2. 关键技术

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2.1 天线

2.1.1 现状

对任何类型的雷达而言，天线是最重要的关键部位，是决定星载SAR质量的最大因素。具有T/R模块的相控阵列天线工作波段为P波段、L波段、C波段。TerraSAR可以使用X波段的T/R模块。目前的其他星载SAR的天线尺寸大约为：微波阵列天线，10~15 m×l m (ENVISAT，Radarsat)；Radarsat 2，一个阵列天线质量为800 kg，预计体积为7 m3。SRTM机械式折叠天线的尺寸为10 m×3 m。SAR-Lupe计划使用反射天线，L波段、直径为12.5 m的网格状天线在太空中是合格的，并且尺寸可以扩大，频率也可以扩展。

干涉SAR（InSAR）系统需要电子扫描的相阵列天线，发射/接收（T/R）模块是一个关键组成部分，T/R模块效率的提高将使SAR更加可行。JPL在2005年介绍了其两个高效率T/R模块，一个模块采用30 W GaAs Class-A/B功放，另一个模块采用70 W LD-MOS Class-E/F功放，两个模块都采用一个普通的的功率零件。每个模块都工作在超过80 MHz带宽L波段（1.2 GHz），模块效率均超过58％，表1列举了详细结果（参考文献6）。

表1 30 W和70 W T/R模块的测试结果

2007年该实验室又演示了振幅和相位稳定的高效率L波段T/R模块，评估了未补偿模块的性能，揭示了自适应T/R模块的必需条件。表2是对未补偿模块和带自校准模块的测试结果（参考文献7）。

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表2 T/R模块测试性能

2.1.2 趋势

在未来10年中，会出现超轻天线和大 …… 此处隐藏：14755字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……