合成孔径技术：空天“鹰眼”

在北约空袭南联盟的大规模军事行动中，大约动用了50多颗卫星在太空助阵，其中2颗“长曲棍球”雷达成像侦察卫星最为耀眼，这种卫星是目前世界上唯一的一种军用雷达成像侦察卫星，星上的关键设备是高分辨率合成孔径雷达，它能克服云、雾、雨、雪和黑夜等限制，实现全天候、全天时侦察，其探测目标的真实性、准确性、可靠性是普通雷达所不能比拟的，故有飞行器的“鹰眼”之称。

在军事上，合成孔径雷达较之其他空中侦察平台所使用的雷达有着明显的优势，其主要特点如下：一是具有全天候、全天时的侦察能力。当雷达工作于X波段时，可在云、雨、雾和烟尘环境下获得清晰的目标图像。二是具有探测地下目标的能力。当雷达工作频率为20～90兆赫时，它可以探测到一定厚度植被中的目标，还可确定地面以下5～10米深处的地道、加固的掩蔽所通道和地下管道等目标。三是具有一定识别伪装的能力。当雷达使用多种工作模式，即使用不同的极化方式、不同的波束入射角、不同的观测次数和测绘走向对同一目标观测时，可获得几种图像，加以分析判读，从而鉴别出目标的真伪。四是具有较强的生存能力。雷达具有多种工作形式，自身被发现的可能性很小。星载合成孔径雷达还可在不飞越敌方阵地的情况下侦察到对方纵深100～200千米内的目标。五是具有动目标显示能力。合成孔径雷达不仅能对地面（海面）固定目标进行探测，而且能够监视和跟踪地面移动目标（如坦克）及低空飞行的目标（如巡航导弹）。六是具有先进的雷达成像技术。用该雷达获得的目标图像与空中高分辨率照相的效果相近，其图像分辨率最高可达0.3米，是目前雷达成像技术的最高水平。七是具有信息快速处理能力。该雷达在获得信息后能将数据在飞机或空间飞行器上进行实时处理，也可通过高速数据传输系统发送到地面站进行处理。

那么，什么是合成孔径呢？在光学仪器中，孔径是指物镜的直径。它的大小决定透光量的多少。雷达波是经过天线辐射出去或接收进来的，天线就相当于光学仪器的物镜，孔径越大，辐射和接收的雷达波能量越大，雷达的作用距离就越远，分辨率就越高。合成孔径雷达是利用雷达与地面目标的相对运动，即“多普勒效应”，把尺寸较小的真实天线孔径，通过数据处理的方法，合成较大等效天线孔径的雷达。下面以星载合成孔径雷达为例来介绍其工作原理。目标角度分辨率是衡量雷达性能优劣的重要标志，那么要想提高角度分辨率，就必须使雷达波束宽度变窄，而根据波束宽度的近似公式θ=0.5λ/nd（d为天线间距，n为天线数目，nd为天线孔径，λ为雷达发射电磁波的波长）可知：雷达发射的电磁波波长是一定的，那么波束宽度与天线孔径成反比，当天线间距一定时，天线数目越多，天线孔径就越大，即波束变窄。然而对于一个飞行器来说，建立如此大的天线阵显然是不可能的，解决这个问题的方法是将运动平台，比如卫星上的天线，只作为天线阵中的一个单元天线，当卫星以一定的速度飞行时，将经过1～n个位置，如能把卫星在1～n个位置时接收到的目标信号振幅和相位存储下来，当经过第n个位置后，再把以前存储的信号提取出来，同时相加和处理，这样就等效为孔径为nd的天线，从而使波束宽度变窄。因为这不是一个实际的天线孔径，而是人工合成的等效孔径，所以称为合成孔径。

美军“掠夺者”无人机上的合成孔径雷达

合成孔径的概念始于20世纪50年代初期。50年代末，美国研制出第一批可供军事侦察用的机载合成孔径雷达。60年代中期，军用合成孔径雷达技术推广到民用，成为环境遥感的重要工具。70年代后期，卫星载合成孔径雷达技术取得进展。80年代，卫星载合成孔径雷达和数字图像实时处理技术投入实际应用。在海湾战争中发挥重要作用的美国E-8侦察飞机就装备有合成孔径雷达，具有探测地面活动目标的能力。目前最先进的合成孔径雷达侦察卫星是美国的“长曲棍球”雷达成像侦察卫星，首颗卫星是1988年由美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机发射升空的，星上带有SIR-D型合成孔径雷达，它有多种工作频率（L、C、X、K波段）、多种极化方式、多种入射角、不同的观测次数和走向，并能获取同一种目标的几种图像，其地面分辨率为0.3～1米，具有全天候、全天时实时数据处理能力，并能探测地下隐蔽目标，最初目的是用于跟踪华约装甲部队。第一颗已于1997年3月按指令脱离轨道。第二颗于1991年3月发射，第三颗于1997年10月23日从范登堡空军基地用“大力神4号”火箭发射升空，第四颗于2000年从范登堡空军基地发射。“长曲棍球”卫星参加了对伊拉克、南联盟的军事侦察。目前，在天空运行的合成孔径雷达还有欧空局的Envisat卫星系统，2002年3月1日发射，所载的ASAR有成像模式、交替极化模式、宽测绘带模式、全球监视模式和海浪测量模式五种工作模式，ASAR采用有源相控阵天线，具有不同的入射角和高中低空间分辨率成像能力，并结合了多极化和测绘带宽度可变能力，从而可获得更多信息，成像质量、覆盖范围和重访时间得到明显提高，在VV或HH极化模式下，测绘带宽度为100千米时，空间分辨率为28×28。还有日本的ALOS-1系统，2006年1月24日发射升空，为太阳同步轨道卫星，轨道高度700千米，倾角为98°，主要用于地图绘制、区域性观测、自然灾害监视和资源勘测，它采用了先进的地面观测技术，是世界上最大的地球观测卫星之一，在扫描SAR模式下，测绘带宽度为250～350千米，分辨率为100米。