合成孔径雷达（SAR）基础知识

一、概念解析

雷达（Radar）：全称为Radio Detection And Ranging，中文意为无线电探测和测距。雷达技术通过无线电波来探测和确定物体的位置、速度等信息。


雷达系统工作原理概述：
1.射频信号的产生：雷达发射机负责产生射频信号。
2.信号辐射：生成的射频信号通过雷达发射天线被辐射到空间中。
3.信号反射：当这些电磁波遇到目标物体时，会发生反射。
4.回波信号接收：反射回来的电磁波，即回波信号，由雷达接收天线捕获。
5.信号处理：回波信号随后被送入雷达接收机，接收机对其进行处理。
6.目标参数获取：经过处理的信号最终送至信号处理机，经过进一步分析，可以提取出目标物体的参数，包括距离、方位、速度以及形状等信息。

二、雷达的任务演变

1.早期任务：雷达的主要功能是测距。
2.现代任务：雷达的功能扩展到测距、测角度、测速度以及测形状等多个方面。

三、雷达系统的基本组成

雷达系统主要由以下几部分组成：天线、发射机、接收机、信号处理机、终端显示设备、伺服系统以及同步设备。

1.天线
天线负责将射频信号辐射到空间，并接收从目标反射回来的回波信号。

2. 发射机
发射机负责产生雷达信号。

雷达发射的信号通常分为连续波信号和脉冲信号。

[1]连续波信号
- 符号说明：其中，下标 t 表示 transmit（发射），参数 t 表示 time（时间）。
- 符号解释：表示信号频率，即单位时间内波的个数，与信号周期的关系可表示为（见下图） 
- 表示波长（见下图）


[2]脉冲信号

发射信号（主波）：


图中变量含义如下：
- 脉冲宽度
- 脉冲重复周期

回波信号：


3. 接收机

- 功能：接收机负责接收回波信号，并对其进行处理。处理过程通常包括从射频到中频，再到视频的转换。
- 信号处理流程：接收机最初接收的是射频信号，其频率较高。根据奈奎斯特采样定理，为了避免信号失真，采样频率需要是信号频率的两倍以上。然而，直接在射频层面进行采样会带来高昂的成本。因此，接收机首先对射频信号进行混频处理，将其转换到中频，以降低对采样率的要求。
- 混频原理：从数学角度来看，混频实质上是求两个频率之间的差值。
- 频率表示：
射频信号频率：表示为 ，其中 R 代表 receive（接收）。
本振信号频率：表示为 ，其中 L 代表 local（本振）。
中频信号频率：表示为 。


从图中可知，中频信号，频率虽然变低了，但是包络还是原来的包络。

4.视频

中频信号经过包络检波处理，就得到视频信号。


那么，是否所有的接收机，都需要按照射频->中频->视频的过程进行处理呢？答案是否定的。实际上，这和雷达的具体应用有关。

一般来说，如果要测距就需要做视频处理，根据发射信号和回波信号脉冲前沿的时间差，就可以计算得到目标距雷达的距离。

如果要测速，就需要在中频进行处理。因为测速需要利用多普勒效应，需要获取发射频率和接收频率的频率差。视频信号已经丢失了载波信息，就无法获取频率信息了。

5.信号处理机

信号处理机所能处理的是数字信号，这就需要对模拟信号进行采样[奈奎斯特采样定理]。理论上，一方面我们希望采样点越少越好，同时又希望尽可能将信号对应的信息都保留下来。根据奈奎斯特采样定理，只要采样频率大于信号频率的两倍，就可以将采样得到的信号，无失真的还原回去。

6.终端显示设备

将雷达探测到的目标信息，以可视化的方式显示到屏幕上。

7.伺服系统和同步设备

伺服系统：控制天线转动，使天线指向不同角度，以探测不同方位的目标。
同步设备：雷达的频率和时间标准。产生各种频率振荡；提供统一的时钟。

四、目标参数测量

1.距离测量


脉冲信号测距的公式如下：

\[ \text{距离} = \frac{c \times \Delta t}{2} \]

其中，\( \Delta t \) 表示主波和回波之间的时间差，\( c \) 为光速。

连续波信号同样可以用于测距，但其原理与脉冲信号测距不同。连续波信号测距通常采用调频法。

2.角度测量

测方位角和俯仰角。

雷达测角的物理基础：
[1]电磁波是直线传播的；
[2]雷达天线具有方向性。

天线分类：
[1]有方向性天线：各向异性天线；
[2]无方向性天线：各向同性天线。

可以通过天线方向图来衡量。

天线方向图：指有方向性天线相对于无方向性天线，在某个方向上功率增加的倍数。

对于无方向性天线，到各个方向径长相等，在平面上就是一个以天线为圆心的圆。各个方向的增益都是 1。

典型雷达天线方向图如下。


- 发射机功率；
- 最大增益；
- 与最大增益方向夹角为 的方向对应的增益；

假设 表示天线增益，则天线辐射到空间中的功率为 。

如何获得天线方向图呢？

通过测量得到。电磁场看不见，摸不着。天线哪个方向增益大，哪个方向增益弱，是在天线设计的时候通过试验测得的。

副瓣：天线方向图实际在360°方向都有值，如下图。


主瓣单调性：与最大增益方向夹角越大，增益越小。只在主瓣范围内有效。

第1副瓣和第2副瓣又统称为副瓣。

前面给出的是极坐标下的天线方向图，直角坐标系下的天线方向图，如下图。


天线在某个方向上的增益是通过天线方向图来确定的。增益就是指有方向性天线相对于无方向性天线，在某个方向上功率增加的倍数。这个倍数可能大于 1 [主瓣方向]，也可能小于 1 [副瓣方向]。从能量守恒的角度来讲，主瓣获得的功率增益，是以牺牲副瓣增益得到的。

3.波束宽度

主瓣的宽度称为波束宽度，是衡量天线方向图胖瘦的指标。定义为主瓣功率下降到波束中央 1/2 功率处的宽度。用分贝表示的话，1/2 是 -3dB。因此，又称为 3dB 波束宽度。


4.速度测量

测速原理：利用多普勒效应。实际测量的是径向速度，目标和雷达之间必须有径向速度分量。

多普勒效应：当目标与雷达之间存在相对速度时，接收到的回波信号的载频相对于发射信号的载频会产生一个频移 。

- 回波信号的频率；
- 雷达发射信号的频率；
- 目标相对于雷达的径向速度；
- 信号波长。

频率与相位的关系：角频率 = 相位的导数

对普通连续波信号：

角频率为：

对于线性调频信号：

频率：

频率随时间线性增加（下降），一般用于脉冲雷达。线性调频信号波形如下图。


5.测速公式推导

回波信号：

回波信号的相位对时间求导，就得到接收信号的频率：

所以，

其中， 为径向速度，如下图所示。


6.目标形状测量

SAR：合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar），是一种成像雷达技术。

ISAR：逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar），同样属于成像雷达技术。

这两种雷达技术统称为成像雷达。

SAR雷达的应用：

通常安装在运动的载体上，如飞机或卫星，用于对地面目标进行成像。

例如，Google Earth就是利用SAR技术进行地形成像的原理。

ISAR雷达的应用：

一般位于地面的相对静止载体上，用于对空中飞机、海面舰船等移动目标进行成像。

微型SAR雷达载荷可作为伪装勘察，作业时搭载于低空无人机平台，对伪装目标、阵地、作战地域背景进行定量化勘察检测，获取目标与背景的雷达波段SAR图像和雷达后向散射系数等勘察检测参数，并具备空中多角度勘察检测、数据快速导出等功能，为目标伪装方案设计、伪装效果评估提供数据支撑。

7.微型SAR基本指标

载荷重量；
载荷的电源和功耗；
载荷电池；
载荷尺寸大小；
极化方式；
成像分辨率；
勘测波段；
成像采集幅宽；
最远作用距离；
相对辐射测量精度；
勘测用时；
成像模式；
数据类型；
存储性能；
和平台对接接口；

8.其它属性

是否国产研发；
环境适应性的六性指标；

微型合成孔径雷达/MiniSAR：

波段	KU	X
极化方式	HH、HV、VH、VV	HH、HV、VH、VV
工作体制	调频连续波\脉冲	调频连续波\脉冲
分辨率	0.15m\0.1m	0.15m\0.1m
作用距离	6km~30km	6km~30km
实时成像	有	有
功耗	120W	120W
工作模式	条带、聚束、极化、干涉	条带、聚束、极化、干涉
重量	2.7kg~6kg	2.7kg~6kg
适配平台	多旋翼无人机/固定翼无人机	多旋翼无人机/固定翼无人机

波段	L	W	Ka
极化方式	HH、HV、VH、VV	HH、HV、VH、VV	HH、HV、VH、VV
工作体制	调频连续波\脉冲	调频连续波\脉冲	调频连续波\脉冲
分辨率	0.5m	0.05m	0.2m
作用距离	10km	7.5	6km
实时成像	有	有	3km
功耗	120W	120W	120W
工作模式	条带、聚束、极化、干涉	条带、聚束、极化、干涉	条带、聚束、极化、干涉
重量	8kg	5KG	5km
适配平台	多旋翼无人机/固定翼无人机	多旋翼无人机/固定翼无人机	多旋翼无人机/固定翼无人机