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由二十四节气引出的科普话题之【小满-合成孔径雷达】

时间: 2021-07-30 10:27:00 | 作者:梁山伯父 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 113次

由二十四节气引出的科普话题之【小满-合成孔径雷达】

一春多雨慧当悭,今岁还防似去年。

玉历检来知小满,又愁阴久碍蚕眠。

最近降雨有点多,让人的心情也不由得大好,因为凉快了!

可是太阳不高兴了,它的复仇计划全被这些降雨破坏了,所以它又来找我了。


太阳:今天5·21,你怎么一个人?

我没有说话,掏出早餐。

打开。

我:

太阳:咳咳。吾来找你,是想问有没有办法让吾之阵法动起来,避开那些讨厌的乌云?

我:你们只要不乱阵型,移动起来就好了。

太阳:原来吾之阵法可以动啊。

我:嗯。

太阳:还有一个问题。

我:说。

太阳:吾等的视力不太好,只能通过发出能量回返的信息判断烤焦的人数,但总是把多个人类视为一个人类,有没有办法提高精度。

我:这好说,正好可以利用阵法移动来提高精度。

太阳:详细说来。


这个技术在19世纪50年代起就出现了,人类称之为合成孔径技术Synthetic Aperture Radar (SAR)。它可为多种应用场景提供全天候、高分辨率的图像,这些应用场景包括但不限于地球科学和气候变化研究、地球环境系统监视、2D和3D成像、变化监测、4D成像(时间和空间)、安检、甚至是行星探测。

它的原理就是让原本不动天线按一定的规律动起来,移动的天线在整个时间范围内变成了一个大的虚拟天线(相当于四维空间的天线),从而提高了探测精度。

那么为什么这个大的虚拟天线会提高精度呢?这要从天线不动的雷达说起。

首先判断雷达的精度有两个主要指标:距离分辨力和方位分辨力。

距离分辨力是指两个目标位于同一方位角时,但与雷达的距离不同时,二者被雷达区分出来的最小距离,如下图,也可以叫时延精度,这个在前面的文章中提到过,与信号的带宽成反比。

方位分辨力是指两个目标与雷达的距离相同但方位不同时,二者被雷达区分出来的最小距离,如下图。

对于普通的雷达,方位分辨力和天线的口径有关,口径越大,分辨力越强。例如当雷达信号的波长为0.03m、天线口径为3m、目标距离为5km时,其方位分辨力为50m。可以看出,天线的孔径越大,精度越高。

但对于合成孔径雷达则不同。

下图为合成孔径雷达的工作原理图。

时间维的多个天线合成以后,可以得到虚拟孔径如下式Θa表示天线的波束宽度:

进而有方位分辨力:

完全相反的、惊人的结论出现了!合成孔径雷达的天线口径越小,方位分辨力越强。

这其实不难理解。因为这时天线的口径越小,意味着雷达能在较长时间内“看到”地面上的任何一点。

SAR通常利用调频脉冲波形进行传输,即所谓的线性调频信号chirp signal。发射波形的幅度在脉冲时间τ内是恒定的,而瞬时频率则根据fi = kr * t在时间t上线性变化,其中kr被称为线性调频斜率chirp rate,得出带宽Br =kr * τ

与照相机不同,SAR接收的回波信号是一堆毫无意义的复数,这些复数可以分为两个维度,一个是快时间维度(距离维度),由一个方位的复杂的回波信号样本组成,这些样本经过放大,下变频至基带,数字化并存储在内存中。另一个是慢时间维度(方位维度),由表示多个距离维度在时间上的间隔。

这些毫无意义的复数只有在信号处理之后才能获得图像。

下图以非常简化的方式概述了基本SAR处理步骤,可以理解为沿着距离和方位角方向的两个单独的匹配滤波器操作。

距离参考函数仅取决于所传输的线性调频波形,而方位参考函数则取决于探测距离和目标的几何参数(雷达截面积)。

第一步是将传输的线性调频信号压缩为短脉冲。因为计算量比较小,可以直接在频域上(一个chirp)将距离维信号与发射信号的共轭相乘,因此获得了一个距离压缩图像,该图像仅显示有关雷达与地面上的点之间的相对距离的信息。

第二步的方位角压缩遵循相同的基本原理,即信号与其参考函数进行卷积,参考函数是地面上目标物体预期的响应的复共轭。这个参考函数的频率就是多普勒频率。


太阳:明白了,这就回去和人类对线。

我:等等,还有很多问题没有讲清楚呢。

(可惜太阳早已远去。)

我低头看向手里的

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文章标签:天线  雷达  科普
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