合成孔径雷达的简介及军事应用
来源:国防科技工业
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作者:吴生财
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发布时间: 2021-04-12
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现代战争中，雷达如同是无形的眼睛，成为军事情报侦察和搜集的最重要手段，能否有效探测敌方军事部署的详细信息.....
随着科学技术的飞速发展，雷达成像技术在国防和军事领域发挥着举足轻重的作用，为军队信息化建设提供了有力的支撑。现代战争中，雷达如同是无形的眼睛，成为军事情报侦察和搜集的最重要手段，能否有效探测敌方军事部署的详细信息，成为战争前期冷交锋的主要焦点，侦察与反侦察，干扰与抗干扰都是在没有硝烟的战场上进行的激烈战斗，所以通过雷达成像技术获取高分辨率的直观侦测图像信息便成为现代信息化战争中兵家必争的无形高地。但是想要在万米高空甚至是太空中实现对坦克等小尺寸武器装备的观测，传统雷达是无法实现的，因为传统雷达获取地面目标的分辨率与天线的尺寸和雷达的发射功率呈正比，要想获取较高的分辨率图像，就需要不断增加天线的尺寸或者雷达的发射功率。以普通机载火控雷达常用的X波段为例，它的波长大约是3厘米，要想探测坦克大小尺寸的目标，至少要达到1.5米的分辨率，如果用传统雷达探测，则天线长度要达到400米左右，如此大的天线不但飞机上难以安装，就是地面也很难实现。
20世纪50年代，美国特异公司的卡尔•威利（Carl Wiley）发现，通过多普勒频移处理后，在不增大雷达尺寸的条件下，可实现高分辨率雷达成像，这就是合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）最早的雏形。美国是最早开始SAR成像技术研究的国家，1981年11月，他们发射的SAR-A卫星探测出撒哈拉沙漠中的地下古河道，揭示了合成孔径雷达能够穿透地表获取地下信息这一重要特性，这个惊人的发现对军事侦察行动来说简直是如虎添翼，那些掩藏于地下或者植被下的武器装备从此便失去了保护罩。随着科学家对SAR成像技术不断探索研究，后期还发现SAR不仅可以穿透云层和伪装物进行夜间成像，实现24小时全天候持续观测，甚至能识别出材料属性、湿度等相关信息，从而获取在光学成像中不明显的高价值信息，这些特性迅速引起了全世界科研人员特别是军事科研人员的浓厚兴趣，其研究成果也首先被各国用于军事侦察领域，其中美国于20世纪90年代发射的“长曲棍球”合成孔径探测雷达卫星，凭借其强大的探测能力，帮助美军在伊拉克战争、阿富汗战争等局部战争中搜集了大量军事情报，为美军执行精确打击任务、制定军事行动计划提供了有力的支撑，同时也将信息化战争的概念深入人心，促使各国投入大量人力、物力和财力用于研究合成孔径雷达成像技术，促使SAR成像技术在短短几十年内便得到迅速发展。
作为雷达技术发展的新产物，合成孔径雷达获取了和千米级孔径雷达近乎相同的探测能力，而且打破了传统雷达受探测时间和环境影响的限制，具备成像清晰、探测力好、抗干扰强、应用范围广等特点，目前已广泛应用于情报侦查、精确打击等军事领域，并逐渐扩展到气候变化、灾害评估、农作物长势等民用领域。我国从上世纪70年代开始研究合成孔径雷达探测技术，并于1979年获得了第一幅合成孔径雷达图像，经过科研人员的不懈努力，研究波段已经从单一波段发展到多波段，扫描模式也从从单一条带模式发展到条带、聚束、扫描等模式，分辨率更是从最早的几十米提高到0.5米，达到国际先进水平。下图所示为我国合成孔径雷达卫星于2015年7月24日获取的西沙永暑岛图像，从图像中可以清晰地分辨出当时永暑礁扩岛的全景。
01 合成孔径雷达的工作原理
合成孔径雷达的基本原理就是利用雷达与目标的相对运动，将小尺寸真实天线获取的接收信号的振幅与相对发射信号的相位叠加起来，再通过后期的数据处理，合成一个等效的合成孔径天线的接收信号，从而获得与大尺寸天线雷达相同的观测效果。其探测的过程类似于“多轨道录音”，就像一位通晓各种乐器的演奏家，将他演奏的各种乐器录下来，再将这些声音合成在一起，最终成了个人演奏交响乐。
与大多数常规雷达一样，合成孔径雷达测定距离的方式也是通过发射电磁脉冲和接收目标回波之间的时间差来计算的，所以合成孔径雷达的分辨率与所发射的电磁脉冲的宽度、电磁脉冲发射的持续时间有关，发射的电磁脉冲宽度越宽，分辨率越低，反之，分辨率越高。目前，大部分国家的合成孔径雷达主要安装在各型号飞机和卫星上，前者称为机载合成孔径雷达，后者称为星载合成孔径雷达。由于搭载雷达的飞机或者卫星平台的航迹不规则，会造成图像散焦，须借助惯导传感器等设备对天线运动产生的误差进行纠正补偿。
为达到以上要求，搭载合成孔径雷达的飞机必须以侧视方式工作，在一个孔径长度内发射相干信号，同时接收天线获取接收信号并经数据处理后得到二维灰度观测图像。雷达所获取图像像素的亮度与接收被观测区域反射的能量成正比，接收反射能量的总量称为雷达截面积，对此雷达截面积进行归一化后便得到雷达后向散射的程度，用分贝(dB) 表示，目前，地球表面归一化雷达截面积的区间为: 最亮+5dB，最暗-40dB。
02 合成孔径雷达的军事应用
由于合成孔径雷达是以微波工作方式获取目标信息，因此受到外界环境因素小，基本不受太阳光照、气候条件等环境因素的影响，能够对地进行全天时、全天候的不间断观测，更为突出的是它能够对隐藏于地表和植被下面的物体进行准确探测，从而获取地表以下物体的信息。这些得天独厚的特点，使其在军事领域得到广泛应用。
其主要应用有以下两个方面：
一 是用于军事情报侦察。合成孔径雷达通过斜视照射的方式对目标区域进行探测，这就保证了在探测敌方相关军事情报时不越过敌方边界就可以获取所需要的信息，在安全上有极大的保障。从战争的发展阶段来说，合成孔径雷达在任何一个阶段都可以发挥重要的信息支撑作用。在战争初期，可以通过合成孔径雷达对敌方军事部署进行先期侦查，便于我方制定有针对性的作战计划；在战争进行阶段，可以通过合成孔径雷达对敌我双方的作战情况进行动态监测，便于指挥员掌握全局态势，制定进攻或者防御策略；在战争结束后，可以通过合成孔径雷达对军事目标的毁伤效果进行评估，对敌我双方的战损比进行测算，对作战策略的有效性进行检验。在当前的练兵备战中，合成孔径雷达也可以对演习对抗的效果进行实时监测和评定，为我们提供可靠的信息支撑，从而优化演训方案，提高练兵备战的实效性。
二 是用于军事精确打击。机载合成孔径雷达具备造价成本低廉、便于操作可靠性强等特点，使其通过小天线获取高分辨率探测图像的优势在战斗机和无人机等机载平台上得到广泛应用，为无人机和战斗机扩展对地侦察，提高攻击能力提供了有效途径。近年来，大多数国家战斗机的雷达升级，基本上都增加了合成孔径工作模式，在此工作模式下，机载的火控雷达实际上就成为了一部合成孔径雷达，战机可以借助合成孔径雷达所具备的优势，快速探测到地面的小型目标，便于战机对地实施精确打击，使战斗机具备了全天时全天候对地攻击能力，这对军用战斗机的打击效能来说是质的飞跃。
可见，合成孔径雷达技术在军事领域的应用已经十分广泛，对提升各国的军事实力有着非常重要的意义。
03未来展望
未来的合成孔径雷达将会进一步克服传统合成孔径雷达对于信号/数据处理要求高、探测模式单一等约束条件的影响，呈现体积小型化、类型多样化多、模式合成化的发展趋势。美国一家专门从事小型合成孔径雷达（SAR）研究的ImSAR公司与一家从事远程无人机开发的Insitu公司合作，成功地实现了重量仅为0.454千克的世界上最小的纳米合成孔径雷达(NanoSAR)的原型机开发，它将有可能把具有全天候侦察和定位能力的合成孔径雷达装在几乎所有的机载平台上。
逆合成孔径雷达 (ISAR)是一种利用目标与雷达相对运动时产生的多普勒信息进行成像的系统，可以对运动的目标实施精准探测，对于探测海上舰船等目标具备良好的探测效果。极化合成孔径雷达可以通过调整电磁波在传播过程中电磁场的方向进行不同极化方式的选择，实现从不同角度去观测目标的散射特性，获取更多维的信息，丰富目标的散射信息量。通过多极化方式获取的图像经过合成后可以形成一幅伪彩图，更易于人眼接收和识别。干涉合成孔径雷达通过两副天线同时对目标进行观测或一定时间间隔的两次观测，获取同一地区具有一定视角差的两幅复图像，利用其干涉相位信息来获取地面目标的三维雷达图像，具备更为直观的视觉效果。
除了上述的新型合成孔径雷达技术外，科学家们还将合成孔径雷达图像与高光谱图像、红外探测图像等进行合成研究，综合各类探测技术的优点，从而获得更适于人眼辨识、更能反映观测目标特性的合成图像。随着科学技术的飞速发展，合成孔径雷达技术将会在人类活动的各个方面发挥越来越重要的作用，特别是在军事领域大放异彩。
我军正处于信息化发展的关键阶段，要加大人力、物力和财力的全面投入，强化科研攻关，迅速占领合成孔径雷达技术研究的战略高地，为促进国防和军队现代化建设，努力现实两个百年目标加油助力。
（作者单位新疆军区保障部特运办事处）
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