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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: 112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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