微型合成孔径雷达技术背景及意义
在21世纪的科技发展中，无人机（UAV）技术的飞速进步带来了对高分辨率成像雷达的全新需求。这些需求集中在小型化、经济化以及适用于无人机平台上。为此，微型合成孔径雷达（miniSAR）技术已经成为全球研究的热点领域。在保证系统性能的同时，miniSAR技术的核心挑战在于如何显著降低系统的重量、体积和功耗，甚至达到一个数量级的减少。传统的SAR技术通过简单的优化设计已无法满足这些高标准的要求，因此，必须在SAR的体制、技术和工艺上进行创新性研究。
中国科学院空天信息研究院的微波成像国家级重点实验室以及中科宇达（北京）科技有限公司，已经在miniSAR技术领域进行了长期的研究。他们采用了调频连续波体制，并结合了先进的芯片技术和高度集成的多芯片组件技术，实现了对一系列关键技术的突破，包括调频连续波体制的成像处理方法、基于运动传感器和回波数据的高精度运动补偿技术、以及芯片化雷达系统的设计与实现等。基于这些创新，他们成功研制出了系列化的miniSAR系统，并实现了产业转化。
这些miniSAR系统已经在多个领域得到了广泛应用，包括应急测绘、海洋监测、灾害监测、反恐维稳和科学研究等，并因此荣获2020年中国电子学会科学技术进步一等奖。这一成就不仅标志着我国在miniSAR技术领域的重大突破，也展现了我国科技工作者在全球高科技竞争中的实力和影响力。
微型合成孔径雷达系统技术参数和工作模式
中国科学院空天信息研究院的微波成像国家级重点实验室与中科宇达（北京）科技有限公司共同研发了一系列miniSAR系统，这些系统涵盖了从L到W的多个波段，包括L、C、X、Ku、Ka和W波段。这些先进的miniSAR系统具备全极化、干涉、GMTI（地面移动目标指示）等多种工作模式，以满足不同应用场景的需求。
图1展示了典型的高精度W波段微型SAR系统，以及该系统搭载于旋翼无人机的装机示意图。这一示意图不仅展示了系统的紧凑设计，也突显了其在实际应用中的灵活性和高效性。
图1 高度集成的W波段miniSAR实物图及装机图
miniSAR系统的设计采用了高度集成的芯片化和模块化设计思路，其功能模块包括九个主要部分：收发天线、发射模块、多通道接收模块、信号产生模块、信号采集和处理模块、导航测量模块、控制模块以及电源模块。这种设计不仅实现了系统的紧凑性和高效性，而且还使得小型旋翼无人机能够搭载高性能成像雷达，从而显著降低了合成孔径雷达（SAR）系统的使用和维护成本，使其更加经济实用。
miniSAR的主要技术参数如表1所示。
表1 研制的miniSAR系统主要技术参数
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波段
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L
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C
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X
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Ku
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Ka
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W
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分辨率
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0.5m
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0.3m
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0.2m
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0.15m
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0.15m
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0.05m
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作用距离
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8km
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8km
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6km
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6km
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4km
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1km
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重量
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5.8kg
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5.2kg
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3.2kg
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2.3kg
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1.6kg
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0.4kg
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功耗
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80W
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80W
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80W
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80W
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60W
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30W
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miniSAR系统的主要工作模式包括四种：高分辨率模式、全极化模式、交轨干涉模式和重轨干涉模式。每种模式都有其独特的应用和优势，具体介绍如下。
（1）高分辨率工作模式
在启用高分辨率工作模式时，miniSAR系统能够调整雷达系统的关键参数，如激励信号的带宽，从而实现对高分辨率合成孔径雷达（SAR）原始数据的获取与处理。这一模式确保了系统能够捕捉到详细的地表特征，为用户提供精确的图像信息。
图2 分辨率优于0.05m的W波段微型SAR影像
（2）全极化工作模式
在全极化工作模式下，miniSAR系统被配置为极化模式，并装备了全极化天线。发射的信号会通过极化开关，交替使用水平（H）和垂直（V）极化的天线来辐射信号。同时，系统通过这些H和V极化的天线接收全极化的SAR原始回波信号。雷达的射频模块、天馈模块和数字模块均设计能够满足获取最高分辨率全极化原始回波数据的需求。全极化SAR模式的应用非常广泛，包括但不限于地物分类和目标解译等领域，它为用户提供了一种强大的工具来分析和理解复杂场景中的地物特性。
图3 Ku波段SAR获取的全极化SAR影像
（3）交轨干涉工作模式
在交轨干涉SAR工作模式下，miniSAR系统被配置为干涉模式，并装备了交轨双天线。这两副天线共同工作，接收SAR的原始回波信号。系统的射频模块、天馈模块和数字模块均经过优化，以确保能够满足交轨干涉SAR原始回波数据获取的高标准要求。交轨干涉模式的应用主要集中在地表高程测量等领域，为用户提供了一种有效的工具来获取地形的三维信息。
图4 Ka波段微型SAR获取的数字表面高程图
（4）重轨干涉工作模式
在重轨干涉工作模式下，miniSAR系统搭载于飞行平台，执行重复轨道飞行任务。完成两次飞行后，系统对获取的图像进行精确配准，随后进行干涉处理。这种模式主要应用于地表形变监测等领域，能够提供关于地表微小变化的重要信息。
图5展示了L波段SAR在相同区域进行两次飞行（基线为3米）后，对图像进行配准和干涉处理得到的干涉条纹。这些条纹反映了地表的高度变化和形变情况，为研究人员和决策者提供了宝贵的数据支持。
图5 L波段SAR干涉条纹
微型合成孔径雷达典型应用
miniSAR系统以其小巧的体积、轻便的重量、低廉的成本和多功能性而著称，能够灵活地组合成多种工作模式。这些特性使得它完美适配轻小型低空无人机飞行平台的搭载和安装需求。此外，它还能满足双装载、多装载等多任务平台的安装需求。由于其广泛的适用性，miniSAR系统在国防、应急测绘、灾害监测、海洋监测、反恐维稳和科学研究等多个领域都有着重要的应用价值。
（1）应急测绘
由中国科学院空天信息研究院微波成像国家级重点实验室与中科宇达（北京）科技有限公司联合研制的Ku波段全极化微型合成孔径雷达（miniSAR），已经在国家应急测绘条件保障能力建设项目中取得成功应用。该雷达系统具备最高0.15米的分辨率，标志着我国在应急测绘领域的技术进步。
该miniSAR系统在国内首次实现了在民用应急测绘领域的大规模应用，显著提升了我国应急测绘保障系统的性能。它使得系统具备了全天候、全天时的数据获取能力，这对于快速响应自然灾害和其他紧急情况至关重要。该系统的部署对于构建能够在4小时内抵达我国80%陆地及重点海域的应急测绘能力起到了关键作用，为我国的应急响应和灾害管理提供了强有力的技术支持。
（2）反恐维稳
在交轨干涉模式下，高分辨率的Ka波段miniSAR系统能够结合干涉相位信息与毫米波雷达对地物表面特征的敏感性，快速识别并获取人员活动的痕迹。这一技术手段对于检测和识别关键目标至关重要，已成为反恐维稳领域一种重要的情报信息获取工具。
图6展示了利用Ka波段miniSAR系统对车辙痕迹进行检测的结果，这一应用实例凸显了该系统在实地情境中的高效率和准确性，为相关领域的专业人士提供了强大的技术支持。
图6 Ka波段干涉SAR痕迹检测（右侧分图上下反了）
（3）减灾应用
合成孔径雷达（SAR）具备独特的全天候、全天时遥感数据获取能力，结合其高分辨率和图像相位信息，在多个领域发挥着关键作用。这些领域包括地震灾害后的倒塌房屋评估与应急救援、道路和其他基础设施损毁监测，以及滑坡等地质灾害的监测和预报。
图7展示了L波段miniSAR系统在两次重复轨道飞行（基线3米，且在两次飞行中移动测试点目标位置）后，通过对两次飞行图像进行精确配准和干涉处理，得到的测试点位置变化检测结果。这种检测的误差结果控制在1厘米以内，证明了系统在精确监测地表变化方面的卓越性能。
图7 L波段SAR重轨干涉变化检测
（4）海洋监测
由于微波信号对海面粗糙度结构的极高敏感性，电磁波与海面微尺度波的共振相互作用使得散射强度的变化能够直接映射出海面粗糙度的变化。因此，miniSAR技术在海上溢油监测、海冰监测、绿潮监测、海岸侵蚀及围填海监测、海上舰船监视等多个领域具有广阔的应用前景。
图8展示了Ku波段miniSAR在东海获取的溢油图像，这一实例体现了miniSAR技术在海洋监测方面的实用性和有效性，为海洋环境保护和管理提供了重要的技术支持。
图8 溢油监测结果
（5）科学研究
通过多旋翼无人机搭载高分辨率的miniSAR系统，可以轻松快捷地获取典型目标的多角度、多极化、定量化特征数据。这些数据对于开展微波成像机理和成像理论的科学探索研究至关重要，它们为微波成像技术的进一步发展提供了坚实的数据基础。
图9展示了W波段miniSAR系统获取的0.15米分辨率SAR影像，这一实例突显了miniSAR在提供高精度成像方面的潜力，以及在科学研究领域中的应用价值。
图9 W波段miniSAR获取的0.15m分辨率SAR影像
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