雷达资讯|最高分辨率0.05m的微型合成孔径雷达
微型合成孔径雷达技术背景及意义
近年来，随着无人机的快速发展和应用，对于小型化、经济化、适用于无人机的高分辨率成像雷达的需求越来越多，微型合成孔径雷达（miniSAR）技术成为国内外研究的一个热点。miniSAR核心技术挑战是在兼顾系统性能的同时，如何将系统的重量、体积和功耗成倍降低甚至降低一个数量级。在传统SAR技术的基础上简单的优化设计是无法满足以上要求的，必须在SAR体制、技术、工艺上进行创新研究。
中国科学院空天信息研究院微波成像国家级重点实验室和中科宇达（北京）科技有限公司长期从事miniSAR技术的研究，采用调频连续波体制，结合先进的芯片技术和高度集成的多芯片组件技术，系统性突破了调频连续波体制成像处理方法、基于运动传感器和回波数据的高精度运动补偿技术、芯片化雷达系统设计与实现等关键技术，研制出了系列化的miniSAR系统，并成功实现了产业转化，在应急测绘、海洋监测、灾害监测、反恐维稳、科学研究等众多领域得到了广泛应用，获2020年中国电子学会科学技术进步一等奖。
微型合成孔径雷达系统技术参数和工作模式
中科院空天院微波成像国家级重点实验室和中科宇达研制的系列化miniSAR系统，波段覆盖L、C、X、Ku、Ka和W波段，具备全极化、干涉、GMTI等多种工作模式。图1为典型的高精度的W波段微型SAR系统及搭载旋翼无人机的装机图。
图1 高度集成的W波段miniSAR实物图及装机图
miniSAR系统的功能模块包括：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、电源模块共9个模块。所有模块均采用芯片化和模块化设计的思路进行高度集成，使得小型旋翼无人机搭载高性能成像雷达成为可能，大幅降低了SAR的使用和维护成本。
miniSAR的主要技术参数如表1所示。
miniSAR系统主要工作模式包括：高分辨率工作模式、全极化工作模式、交轨干涉工作模式、重轨干涉工作模式，分别介绍如下。
（1）高分辨率工作模式
在高分辨率工作模式下，miniSAR系统可设置激励信号带宽等雷达系统参数，实现高分辨率SAR原始数据的获取与处理。
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，雷达设置为极化工作模式，配置全极化天线，发射信号通过极化开关交替通过H极化和V极化天线对外辐射信号，通过H极化和V极化天线接收全极化SAR原始回波信号。雷达射频模块、天馈模块、数字模块均可满足最高分辨率全极化原始回波数据获取能力的要求。全极化SAR模式可用于地物分类、目标解译等领域。
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，系统设置为干涉工作模式，配置交轨双天线，两副天线接收SAR原始回波信号。微型SAR系统射频模块、天馈模块、数字模块均可满足交轨干涉SAR原始回波数据获取能力的要求。交轨干涉模式可用于地表高程测量等领域。
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
在重轨干涉模式下，系统搭载飞行平台进行重复轨道飞行，两次图像配准后进行干涉处理。重轨干涉模式可用于地表形变监测等领域。图5为L波段SAR对同一区域进行两次飞行后（3m基线），对图像进行配准和干涉处理得到的干涉条纹。
图5 L波段SAR干涉条纹
微型合成孔径雷达典型应用
miniSAR具有体积小、重量轻、成本低、多功能，可灵活组合形成多种工作模式等特点，能够满足轻小型低空无人机飞行平台搭载安装需求，还可以满足双装载、多装载的多任务平台的安装需求，可广泛应用于国防、应急测绘、灾害监测、海洋监测、反恐维稳、科学研究等领域。
（1）应急测绘
中科院空天院微波成像国家级重点实验室和中科宇达研制的Ku波段全极化微型合成孔径雷达已成功应用于国家应急测绘条件保障能力建设项目，该雷达系统最高分辨率达到0.15米。miniSAR系统在国内首次批量应用于民用应急测绘领域，使我国应急测绘保障系统具备全天候全天时数据获取能力，为构建4小时抵达我国80%陆地及重点海域的应急测绘能力做出了重要贡献。
图6 国家应急测绘保障项目获取的分辨率优于0.15m的全极化SAR影像
（2）反恐维稳
高分辨率Ka波段miniSAR工作在交轨干涉模式，利用干涉相位信息和毫米波雷达对地物表面特征的敏感性，可以快速获取人员活动痕迹，实现关键目标的检测与识别，成为反恐维稳的一种重要的情报信息获取技术手段。图7是利用Ka波段miniSAR对车辙痕迹进行检测的结果。
图7 Ka波段干涉SAR痕迹检测（右侧分图上下反了）
（3）减灾应用
合成孔径雷达具有全天候全天时获取遥感数据的能力，利用其高分辨率和图像相位信息，在倒塌房屋等地震灾害评估与应急救援、道路等基础设施损毁监测、滑坡等地质灾害监测灾害预报等领域均有重要的应用价值。图8是L波段miniSAR经过两次重复轨道飞行（基线3m，两次飞行过程中移动测试点目标位置），通过对两次飞行图像进行配准和干涉处理，得到测试点位置变化的检测结果，检测误差结果在1cm内。
（4）海洋监测
微波信号对海面粗糙度结构非常敏感，电磁波与海面微尺度波共振相互作用，散射强度的变化直接反映了海面粗糙度的变化。miniSAR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、海上舰船监视监测领域均有着重大应用前景。图9为Ku 波段minSAR获取的东海溢油图像。
图9 溢油监测结果
（5）科学研究
利用多旋翼无人机搭载高分辨率miniSAR，可以快速便捷的实现典型目标的多角度、多极化、定量化特征数据的获取，可以用于开展微波成像机理和成像理论的科学探索研究，为微波成像的进一步发展提供数据基础。图10为W波段miniSAR获取的0.15m分辨率SAR影像。
图10 W波段miniSAR获取的0.15m分辨率SAR影像
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编辑：蒋文
审核：贾守新
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