王巖飛劉 暢 詹學(xué)麗 韓 松

（中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190）

無人機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用

王巖飛*劉 暢 詹學(xué)麗 韓 松

（中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190）

該文在概述無人機(jī)載SAR技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了國內(nèi)外無人機(jī)載SAR技術(shù)的發(fā)展概況，對(duì)無人機(jī)載SAR的工作體制、關(guān)鍵技術(shù)、性能指標(biāo)、典型系統(tǒng)及應(yīng)用等方面的內(nèi)容進(jìn)行了歸納。結(jié)合研制的高分辨率、全極化、雙天線干涉等SAR系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了基于功能單元的SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)、SAR實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)處理、多維度運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。針對(duì)無人機(jī)的特點(diǎn)和對(duì)載荷的要求，概述了無人機(jī)載SAR在高分辨率、新功能模式等方面的技術(shù)進(jìn)展。并針對(duì)國內(nèi)外當(dāng)前的發(fā)展概況，探討了無人機(jī)載SAR技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

合成孔徑雷達(dá)（SAR）；無人機(jī)；SAR系統(tǒng)技術(shù)；SAR應(yīng)用

引用格式：王巖飛， 劉暢， 詹學(xué)麗， 等.無人機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)， 2016， 5（4）: 333-349.

DOI: 10.12000/JR16089.

Reference format: Wang Yanfei， Liu Chang， Zhan Xueli， et al..Technology and applications of UAV synthetic aperture radar system［J］.Journal of Radars， 2016， 5（4）: 333-349.DOI: 10.12000/JR16089.

1 引言

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備或者機(jī)載程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的非載人飛行器，至今已有一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程。上世紀(jì)80年代以來，伴隨著航空、電子、信息以及材料等技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)得到了長足進(jìn)步。無人機(jī)的應(yīng)用包括在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應(yīng)用日益廣泛，促使國際上許多國家以更大的熱情開展無人機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)。

無人機(jī)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用取決于其自身所具備的顯著優(yōu)勢(shì)：一是無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、性價(jià)比高，無人機(jī)的使用無需考慮飛行員因素，因而可以完成許多困難、復(fù)雜的任務(wù)，并且生產(chǎn)、使用和日常維護(hù)成本較低；二是機(jī)動(dòng)性能好、生存能力強(qiáng)，相對(duì)于有人機(jī)而言，無人機(jī)重量輕、體積小，機(jī)動(dòng)飛行能力強(qiáng)、使用方便，對(duì)使用環(huán)境、起降場地要求較低，具有較高的生存能力；三是應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，無人機(jī)在戰(zhàn)場偵察、對(duì)抗、攻擊等軍事應(yīng)用中確立了其特有的地位，在突發(fā)災(zāi)害和應(yīng)急事件的監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用，在航空攝影、地圖測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源勘查、動(dòng)物保護(hù)以及農(nóng)業(yè)、林業(yè)等諸多民用領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）作為一種工作于主動(dòng)探測(cè)方式的微波成像遙感系統(tǒng)，自上世紀(jì)50年代出現(xiàn)以來，一直是雷達(dá)遙感領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)，具有高分辨率、遠(yuǎn)探測(cè)距離、探測(cè)范圍大，可全天候、全天時(shí)、不受云霧雨雪遮擋等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)不可或缺的重要手段。

SAR載荷與無人機(jī)相結(jié)合有利于無人機(jī)遙感系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮。具有主動(dòng)探測(cè)特點(diǎn)的SAR設(shè)備的應(yīng)用，彌補(bǔ)了光電載荷設(shè)備的不足，使無人機(jī)系統(tǒng)具備了全天候全天時(shí)的探測(cè)能力。SAR載荷的高分辨率、大探測(cè)范圍的特點(diǎn)，使得無人機(jī)系統(tǒng)具有更高的工作效率，便于應(yīng)用和降低成本。SAR的遠(yuǎn)探測(cè)距離、側(cè)向觀測(cè)等特點(diǎn)，有利于無人機(jī)遠(yuǎn)離目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，避免危險(xiǎn)、提高生存能力。

近年來，隨著應(yīng)用需求的增加，SAR技術(shù)得到迅速發(fā)展。功能模式從條帶成像、聚束成像擴(kuò)展至地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示、海面廣域搜索與目標(biāo)跟蹤、ISAR成像、多極化成像、干涉3維成像等。新體制、新方法以及新器件、新材料等先進(jìn)技術(shù)的采用，使得SAR的分辨率等性能指標(biāo)不斷提高，設(shè)備的重量、體積、耗電量逐步減少。這些發(fā)展與進(jìn)步大大促進(jìn)了SAR與無人機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合以及無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用。

本文對(duì)國外無人機(jī)載SAR技術(shù)進(jìn)行了概述，介紹了國內(nèi)無人機(jī)載SAR技術(shù)的發(fā)展概況以及相關(guān)的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，對(duì)無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了概括與分析。并對(duì)無人機(jī)載SAR的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

2 典型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)

作為無人機(jī)和無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的先行者，美國對(duì)相關(guān)SAR系統(tǒng)研制和裝備工作一直高度重視，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國在無人機(jī)系統(tǒng)研發(fā)、試驗(yàn)和采購的費(fèi)用逐年增加［1］。海灣戰(zhàn)爭后，隨著信息處理和通信技術(shù)的發(fā)展，美軍的無人機(jī)載SAR也取得了快速發(fā)展和廣泛運(yùn)用。為了加強(qiáng)戰(zhàn)地實(shí)時(shí)偵察能力，美軍先后研制裝備了多型無人機(jī)載SAR偵察遙測(cè)系統(tǒng)，如“全球鷹”系統(tǒng)、“捕食者”系統(tǒng)、和“火力偵察兵”系統(tǒng)等，裝備在空軍、海軍、陸軍等多兵種進(jìn)行使用，裝載的SAR系統(tǒng)也在不斷地升級(jí)改造以適應(yīng)多任務(wù)類型。此外，歐盟等國家也投入了大量經(jīng)費(fèi)競相發(fā)展無人機(jī)載SAR遙感測(cè)量系統(tǒng)。在民用方面，無人機(jī)載SAR系統(tǒng)在地形測(cè)繪、災(zāi)害評(píng)估和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。我國在近20年來，為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭與民用微波遙感信息獲取的需要，也對(duì)無人機(jī)載SAR系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)研究與開發(fā)，并形成了系列化產(chǎn)品。

無人機(jī)按照飛行高度與續(xù)航時(shí)間可以分為高空長航時(shí)、中高空長航時(shí)、戰(zhàn)術(shù)型等［2］。不同類型無人機(jī)裝載的SAR系統(tǒng)工作體制、技術(shù)指標(biāo)、實(shí)現(xiàn)功能均有所差異。

2.1 高空高速無人機(jī)載SAR系統(tǒng)

目前，國際上典型的先進(jìn)高空高速無人機(jī)載SAR系統(tǒng)是美國研制的“全球鷹”系統(tǒng)?！叭蝥棥睙o人機(jī)平臺(tái)由諾格公司研制，最大飛行高度可達(dá)20 km、續(xù)航時(shí)間長達(dá)35 h、最大飛行速度為640 km/h［3］。裝載在該型無人機(jī)上的SAR系統(tǒng)由雷神公司研制，自1992年研制以來經(jīng)歷了3代更新，由最早的HiSAR系統(tǒng)升級(jí)到現(xiàn)在的Multi-Platform-Radar Technology Insertion Program（MPRTIP）雷達(dá)系統(tǒng)［4］，其具體性能的對(duì)比見表1［5］。

表1 “全球鷹”無人機(jī)裝載的SAR系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 SAR specifications of Global Hawk UAV

HiSAR系統(tǒng)采用平板天線、集中發(fā)射體制，如圖1所示。發(fā)射600 MHz信號(hào)帶寬的線性調(diào)頻信號(hào)，發(fā)射峰值發(fā)射功率為3.5 kW，具有SAR條帶、SAR聚束、GMTI 3種主要工作模式，為適應(yīng)海上應(yīng)用2008年增加了ISAR工作模式。HiSAR系統(tǒng)最優(yōu)分辨率為0.3 m，最遠(yuǎn)作用距離可達(dá)200 km，增強(qiáng)型HiSAR系統(tǒng)作用距離可增大至300 km。采用廣域掃描對(duì)10000 km2區(qū)域的動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)距離為30～120 km。HiSAR雷達(dá)系統(tǒng)于1992年開始研制，1998年裝載在“全球鷹”上完成了首飛，2000年形成產(chǎn)品翌年交付部隊(duì)使用，2004年完成了用于全球鷹海上演示型（GHMD）的首飛，2008年入選海軍廣域海上偵察無人航空系統(tǒng)（BAMS）計(jì)劃。

圖1 HiSAR雷達(dá)天線Fig.1 Antenna of HiSAR

MP-RTIP系統(tǒng)是一套先進(jìn)的多任務(wù)高集成度雷達(dá)系統(tǒng)，如圖2所示。與HiSAR相比更強(qiáng)調(diào)雷達(dá)系統(tǒng)的模塊化、通用性與集成性。MP-RTIP采用2維相控陣有源天線，陣列長度為1.52 m，具有SAR條帶、SAR聚束、廣域掃描、搜索與監(jiān)視、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤等多種功能。2011年7月“全球鷹”搭載MP-RTIP完成了全系統(tǒng)試飛，2012年美國空軍開始采購和裝備。

圖2 MP-RTIP雷達(dá)天線Fig.2 Antenna of MP-RTIP

針對(duì)海上應(yīng)用，美國海軍在MP-RTIP的基礎(chǔ)上升級(jí)改造形成了Multi-Function Active Sensor （MFAS）雷達(dá)系統(tǒng)［6］。MFAS雷達(dá)系統(tǒng)仍然采用2維相掃機(jī)制，能夠在一次飛行中覆蓋7×106km2，從使用角度考慮有對(duì)海、對(duì)地兩種模式，具備SAR、逆SAR（ISAR）、海面搜索功能。2014年以后開始陸續(xù)增加海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MMTI）、氣象、敵我識(shí)別功能。M F A S雷達(dá)系統(tǒng)于2 0 1 1年底在GulfstreamⅡ飛機(jī)上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，2012年交付美國海軍使用，裝載平臺(tái)為“全球鷹”的衍生機(jī)型MQ-4C Triton。

2.2 中高空無人機(jī)載SAR系統(tǒng)

“捕食者”無人機(jī)是最有代表性的中高空無人機(jī)平臺(tái)，由美國通用原子公司組織研制開發(fā)，其SAR系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。自1997年至今經(jīng)歷了A型、B型、C型3代產(chǎn)品衍變，飛行速度由222 km/h提升到444 km/h、飛行高度由7 km提高到15 km［7］。

表2 “捕食者”無人機(jī)裝載的SAR 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab.2 SAR specifications of Predator UAV

“捕食者A”搭載的SAR系統(tǒng)是由諾格公司研制的TeSAR，如圖3所示。TeSAR工作在Ku波段，采用單軸電掃陣列天線，方位向電子控制掃描，雙軸機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)控制方位與橫滾向轉(zhuǎn)動(dòng)，方位向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±135°、橫滾向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-15°～-75°。TeSAR于1996年生產(chǎn)，1998年交付使用并進(jìn)行了輕量化改進(jìn)。輕量化的TeSAR即TUAVR（Tactical Unmanned Aerial VehicleRadar）系統(tǒng)，沒有裝備“捕食者A”，而是裝載在Shadow200戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)上。

“捕食者B”搭載的SAR系統(tǒng)是由通用原子公司與Sanida實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的Lynx系統(tǒng)［8］，如圖4所示。Lynx系統(tǒng)也工作在Ku波段，采用拋物面與3軸穩(wěn)定平臺(tái)、集中發(fā)射工作體制，最高分辨率為0.1 m，重量小于56 kg。1998年Lynx試驗(yàn)飛行成功，1999年安裝在I-GNAT無人機(jī)上首飛，2001年開始配套裝備“捕食者B”無人機(jī)。

圖3 TeSAR實(shí)物圖Fig.3 TeSAR photograph

“捕食者C”搭載的LynxⅡ是Lynx的升級(jí)型［9］，如圖5所示。與Lynx相比體積與重量上有了較大的改進(jìn)，重量降低至36 kg以內(nèi)、最大作用距離增大至80 km， LynxⅡ具有相關(guān)變化檢測(cè)（CCD）功能。2008年LynxⅡ開始裝備部隊(duì)，2010年LynxⅡ增加了ISAR功能，裝載于美國海軍 MQ-8B型Fire Scout戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，完成了廣海域搜索（MWAS）飛行試驗(yàn)，并備選英國的Watchkeeper計(jì)劃。

圖4 Lynx實(shí)物圖Fig.4 Lynx photograph

圖5 LynxⅡ?qū)嵨飯DFig.5 LynxⅡphotograph

此外，通用原子公司與Sanida實(shí)驗(yàn)室在Lynx系列雷達(dá)基礎(chǔ)上，完成了雙波束Lynx改進(jìn)。在Lynx基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同相位中心的波束，采用空時(shí)自適應(yīng)處理方法在主波束雜波背景中對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，能夠精確跟蹤慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、提高定位精度［10］。

Starlite無人機(jī)載SAR系統(tǒng)也是由諾格公司研制，如圖6所示。充分借鑒了已裝備美軍的TeSAR，TUAVR相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)獲取等情報(bào)偵察能力，包括全天候、廣域、固定目標(biāo)成像以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等功能。Starlite總重量小于28 kg，工作在Ku波段，最高分辨率為0.1 m、作用距離10～40 km，具有條帶，聚束，GMTI，MMTI等多種工作模式［11］。Starlite于2012年9月裝備美國通用原子公司“灰鷹”中高空無人機(jī)平臺(tái)并交付美國陸軍使用。

除以上幾種典型的中高空無人機(jī)載SAR系統(tǒng)以外，美國還針對(duì)海上應(yīng)用研制了SeaVue多功能監(jiān)視雷達(dá)［12］，如圖7所示。SeaVue由雷聲公司制造，是一個(gè)模塊化的多功能雷達(dá)，工作在X波段，最大發(fā)射信號(hào)帶寬為400 MHz，采用拋物面天線、集中發(fā)射機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)360°掃描，具有ISAR/SAR/ DBS/MTI/MMTI等多種工作模式，主要用于海面監(jiān)視、搜索、海上艦船成像等。SeaVue還可搭載在ATR-42等中高空飛機(jī)上，美國、日本、意大利、澳大利亞等國家都進(jìn)行了采購。

圖6 Starlite實(shí)物圖Fig.6 Starlite photograph

圖7 SeaVue實(shí)物圖Fig.7 SeaVue photograph

2.3 戰(zhàn)術(shù)型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)

TUAVR戰(zhàn)術(shù)型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)是TeSAR的升級(jí)型，由諾格公司研制，是專為美國陸軍Shadow200戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視和目標(biāo)截獲無人機(jī)設(shè)計(jì)的S A R雷達(dá)。T U A V R技術(shù)指標(biāo)如表3所示。TUAVR重量低于30 kg、耗電小于500 W，發(fā)射機(jī)采用新型的微波功率模塊，方位向掃描范圍擴(kuò)大到360°。TUAVR于1998年開始研制，2001年3月在無人機(jī)上試飛成功，同年裝備部隊(duì)。

在EL/M-2055系列無人機(jī)載SAR/GMTI雷達(dá)的基礎(chǔ)上，2011年以色列研制成功了EL/M-2054輕型戰(zhàn)術(shù)型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)［13］，如圖8所示。具有聚束模式/條帶成像/GMTI等多種工作模式，最大作用距離可達(dá)10 km、總重量12 kg，功耗小于250 W。EL/M-2054的天線在方位向進(jìn)行能夠360o旋轉(zhuǎn)，SAR條帶模式下對(duì)地成像效率為360 km2/h，GMTI模式下采用雙波束增強(qiáng)技術(shù)，天線掃描范圍可設(shè)定，監(jiān)視面積可達(dá)25 km2。

表3 TUAVR技術(shù)指標(biāo)Tab.3 TUAVR specifications

圖8 EL/M-2054實(shí)物圖Fig.8 EL/M-2054 photograph

圖9 RDR-1700B實(shí)物圖Fig.9 RDR-1700B photograph

RDR-1700B是一套由Telephonics公司研制的集搜索、監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤、成像與氣象等多功能的海上雷達(dá)系統(tǒng)，如圖9所示。該雷達(dá)工作在X波段，采用固態(tài)放大器，能夠完成0.3 m的SAR/ISAR成像、對(duì)地/海廣域搜索與監(jiān)視、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、指示與跟蹤［14］?！盎鹆刹毂笔怯芍Z格公司研制的一種戰(zhàn)術(shù)型無人直升機(jī)，能夠在陸地和海面艦只上垂直起降。為適應(yīng)該飛行平臺(tái)，Telephonics公司對(duì)RDR-1700B進(jìn)行了改進(jìn)，增加了自動(dòng)識(shí)別處理，能夠?qū)ι檀蜍姶M(jìn)行識(shí)別。改進(jìn)后的RDR-1700B重量降低至30 kg左右、功耗低于1000 W，2014年6月在美國海軍的組織下，在“火力偵察兵”上進(jìn)行了海上飛行試驗(yàn)，并批量裝備海軍。

在美國空軍資助下，美國Sandia實(shí)驗(yàn)室于2005年成功研制了可裝載小型戰(zhàn)術(shù)型無人機(jī)平臺(tái)的MiniSAR系統(tǒng)［15］，如圖10所示。MiniSAR工作在Ku波段、工作在條帶或聚束模式，最高分辨率為0.1 m、作用距離10～23 km、總重量低于12.2 kg。MiniSAR系統(tǒng)計(jì)劃2006年10月份，MiniSAR系統(tǒng)搭載在洛·馬公司的小型“天空幽靈”（SkySpirit）戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)上成功進(jìn)行了演示。

2008年6月30日，SELEX公司的PicoSAR裝載在Schiebel的s-100無人機(jī)上在奧地利進(jìn)行了試飛，飛行高度約為900 m，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)上實(shí)時(shí)成像，PicoSAR實(shí)物圖如圖11所示。PicoSAR系統(tǒng)工作在X波段，具有聚束模式/條帶成像/運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，最高分辨率為1 m、作用距離大于10 km、總重量低于10 kg，功耗小于300 W［16-19］。

圖10 MiniSAR實(shí)物圖Fig.10 MiniSAR photograph

圖11 PicoSAR實(shí)物圖Fig.11 PicoSAR photograph

I-MASTER是在英國與法國合作研制的輕型戰(zhàn)術(shù)型SAR系統(tǒng)，如圖12所示。系統(tǒng)工作在Ku波段，具有聚束模式/條帶成像/運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)/ISAR等多種工作模式，最高分辨率為0.3 m、最大作用距離可達(dá)27 km、總重量小于30 kg，功耗小于600 W。I-MASER的天線在方位向進(jìn)行360o旋轉(zhuǎn)，具有CCD功能，可用于海上廣域搜索與監(jiān)視，搜索效率為800 km2/h［2 0］，2005年入選為英國Watchkeeper計(jì)劃， 2013年裝載在Schiebel的s-100無人機(jī)上完成了飛行試驗(yàn)。

圖12 I-MASTER實(shí)物圖Fig.12 I-MASTER photograph

3 我國無人機(jī)載SAR系統(tǒng)研究與應(yīng)用情況

我國在無人機(jī)載SAR領(lǐng)域也有著10多年的發(fā)展和積累，形成了較為廣泛的研究和應(yīng)用成果。中國科學(xué)院電子學(xué)研究所（以下簡稱中科院電子所）作為國內(nèi)第1部SAR的研制單位，密切結(jié)合我國無人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，先后研制了多型無人機(jī)載SAR，形成D3000多功能無人機(jī)載SAR系列（以下簡稱D3000系列SAR）。面向不同的應(yīng)用需求和使用環(huán)境，D3000無人機(jī)載SAR能夠通過快速靈活配置，構(gòu)成具備不同工作體制、工作模式與性能指標(biāo)的SAR系統(tǒng)。

D3000系列SAR的重量在5～100 kg，覆蓋了Ka， Ku， X， C， L等工作頻段，具有不同極化方式，根據(jù)任務(wù)需求，可裝載于超近程、近程、中程和遠(yuǎn)程等多種無人機(jī)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種工作模式，包括條帶、聚束高分辨率SAR，海上廣域搜索、ISAR成像，地面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示跟蹤，并可擴(kuò)展氣象、導(dǎo)航等多種功能。D3010型SAR是D3000系列中具有代表性的SAR/GMTI雷達(dá)，工作在Ku波段，具有條帶、聚束、SAR/GMTI等多種工作模式，是我國首部用于無人機(jī)平臺(tái)的SAR系統(tǒng)。根據(jù)不同的飛行平臺(tái)，雷達(dá)可以進(jìn)行體積重量配置，從而滿足輕小型、中型無人機(jī)等平臺(tái)的安裝條件?；跈C(jī)載SAR系統(tǒng)的研制基礎(chǔ)［21-24］，改進(jìn)的D3010型SAR最高分辨率由最初的0.5 m提高到0.15 m。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，D3010型SAR逐漸擴(kuò)展了廣域掃描、海上艦船檢測(cè)與成像、全極化成像等多種模式。

D3022型SAR是一套具有多極化、干涉、高分辨率高精度多種功能的先進(jìn)無人機(jī)載SAR［25］。D3022型SAR能夠安裝在中小型無人機(jī)上，根據(jù)任務(wù)類型不同，配置成工作在Ku 波段的InSAR雷達(dá)和X 波段的全極化SAR 雷達(dá)，具有干涉成像、全極化、高分辨率成像3種工作模式，最高分辨率為0.3 m， DEM（Digital Elevation Model）精度為2 m，在一次飛行中能夠獲取4個(gè)極化的數(shù)據(jù)。在高分辨率模式下，D3022型SAR系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)帶寬為800 MHz，系統(tǒng)配置為單通道收發(fā)；在干涉模式下發(fā)射機(jī)為單發(fā)方式、一副波導(dǎo)縫隙陣天線發(fā)射信號(hào)、兩副波導(dǎo)縫隙陣天線同時(shí)接收，雙通道接收機(jī)接收；在全極化模式下采用一個(gè)發(fā)射機(jī)、一副偏饋雙極化拋物面天線，通過極化開關(guān)分時(shí)控制不同極化信號(hào)發(fā)射與接收。2010年D3022型SAR在無人機(jī)上完成了飛行試驗(yàn)，獲取了大面積的地面3維數(shù)據(jù)與全極化高分辨率SAR圖像。

我國針對(duì)微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的研制起步時(shí)間較晚，于2010年左右才開始進(jìn)行，但在以往豐富經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)展迅速，并完成了實(shí)際系統(tǒng)研制，如中科院電子所、中電38所和北京理工大學(xué)等都研制出了微型SAR系統(tǒng)［26］。其中電子所D3160型SAR是一種采用連續(xù)脈沖新體制的微小型SAR系統(tǒng)，可工作在X或Ku頻段，重量小于4 kg，探測(cè)距離達(dá)到10 km，分辨率優(yōu)于0.3 m。D3160型SAR于2013年完成了研制，并加裝在三角翼、無人機(jī)等飛行器上進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試。圖13是D3160型SAR及加裝在多旋翼無人機(jī)上的照片，SAR包括雷達(dá)設(shè)備和天線兩個(gè)單元，圖14是飛行試驗(yàn)中獲取的雷達(dá)圖像。

上述無人機(jī)載SAR在城建勘測(cè)、農(nóng)田普查、溢油檢測(cè)、艦船監(jiān)測(cè)、立體測(cè)繪、變化檢測(cè)已經(jīng)得到廣泛而重要的應(yīng)用。

（1） 城建勘測(cè)

無人機(jī)載SAR可以對(duì)建筑物進(jìn)行精細(xì)成像，獲取其結(jié)構(gòu)信息、分布和變化情況，為城建勘察提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖15至圖17所示。

（2） 農(nóng)業(yè)普查

無人機(jī)載SAR可以準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)區(qū)域面積和變化情況，特別是利用極化信息，可以進(jìn)一步提取地塊種植情況變化。通過遙感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的農(nóng)業(yè)普查，普查結(jié)果如圖18所示。

（3） 海洋監(jiān)測(cè)

圖13 D3160型SAR在多旋翼無人機(jī)上裝載試驗(yàn)Fig.13 Photograph of D3160 SAR mounted on the multi-rotors UAV

圖14 D3160型SAR在多旋翼無人機(jī)上獲取的圖像Fig.14 Image of D3160 SAR trials by multi-rotors UAV

圖15 城郊SAR圖像 （Ku波段）Fig.15 SAR image of urban （Ku band）

圖16 立交橋高分辨率SAR圖像 （Ku波段）Fig.16 High resolution SAR image of overpass bridge （Ku band）

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)包括對(duì)海洋災(zāi)害、海面溢油、海上船舶、沿海灘涂等的監(jiān)測(cè)，無人機(jī)載SAR可以在海上不利氣象條件下，實(shí)時(shí)獲取海面目標(biāo)的微波散射信息，對(duì)我國海監(jiān)、海事開展執(zhí)法、維權(quán)任務(wù)提供有力保障。海冰、海面和船只監(jiān)測(cè)圖像如圖19到圖21所示。

（4） 立體測(cè)繪、海面和船只

利用多次或單次干涉測(cè)量，無人機(jī)載SAR可以獲取地物的3維高程信息，在地理測(cè)繪等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。3維高程測(cè)量結(jié)果如圖22所示。

圖17 SAR圖像中的建筑變化檢測(cè) （X波段）Fig.17 Change detection of buildings of SAR image

圖18 利用全極化SAR圖像進(jìn)行農(nóng)作物普查 （X波段）Fig.18 Crop survey by fully polarimetric SAR image （X band）

圖19 海冰監(jiān)測(cè)SAR圖像 （Ku波段）Fig.19 SAR image of sea ice monitoring （Ku band）

圖20 海面監(jiān)測(cè)SAR圖像 （C波段）Fig.20 SAR image of sea surface monitoring （C band）

圖21 船只監(jiān)測(cè)SAR圖像 （X波段）Fig.21 SAR image of ships monitoring （X band）

圖22 干涉SAR圖像及3維高程測(cè)量圖 （Ku波段）Fig.22 InSAR image and DEM （Ku band）

4 無人機(jī)載SAR關(guān)鍵技術(shù)

4.1 總體設(shè)計(jì)技術(shù)

從國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r可以看出，無人機(jī)載SAR的技術(shù)需求呈現(xiàn)多功能和多樣化，如不同的工作模式、不同的性能以及不同的使用條件與環(huán)境。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的需求，總體設(shè)計(jì)流程如圖23所示，主要包括總體指標(biāo)、工作體制、通道及處理算法等設(shè)計(jì)。

例如，在D3022無人機(jī)載InSAR/PolSAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)帶寬等總體指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了高效實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，采用了頻率分集連續(xù)脈沖體制；為了實(shí)現(xiàn)高分辨率PolSAR和InSAR，系統(tǒng)采用頻率多通道、極化多通道與空間多通道，從而構(gòu)成高分辨率寬帶合成、全極化同時(shí)獲取以及干涉基線實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)；在處理算法方面，則設(shè)計(jì)了脈沖頻率合成、四通道SAR全極化配準(zhǔn)成像與融合、雙通道InSAR成像處理流程。

圖23 SAR總體設(shè)計(jì)流程圖Fig.23 SAR general design flow chart

針對(duì)跨多種類無人機(jī)飛行平臺(tái)的使用需求，在系統(tǒng)研制中，通過采用基于功能單元結(jié)構(gòu)的SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)多功能SAR系統(tǒng)的靈活構(gòu)建。

首先建立功能單元模型，如圖24所示。功能單元是完成特定功能的單元。由功能模塊和連接模塊兩個(gè)部分組成，通過單元規(guī)范進(jìn)行描述和界定，包括功能、指標(biāo)、技術(shù)體制、測(cè)試準(zhǔn)則、以及單元屬性、結(jié)構(gòu)、接口標(biāo)準(zhǔn)。

圖24 功能單元示意圖Fig.24 Schematic diagram of the functional unit

雷達(dá)系統(tǒng)通過功能單元進(jìn)行表示和描述。SAR系統(tǒng)、各分機(jī)、各模塊都可以描述為完成特定功能的功能單元。

功能單元具有以下特征：（1）可分解，可以將一個(gè)功能單元分解為若干個(gè)子功能單元；（2）可組合，可以將若干個(gè)子功能單元組合成新的功能單元；（3）可改造、升級(jí)，功能模塊和連接模塊可分別或者整體改造升級(jí)。此外，需要遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

SAR功能單元，可以分解為各個(gè)子功能單元；各個(gè)子功能單元同樣也可以進(jìn)一步向下分解為下一級(jí)的子功能單元。雷達(dá)的設(shè)計(jì)就是功能單元自上向下逐級(jí)分解的過程；雷達(dá)的建造則是自下向上，由個(gè)子功能單元逐級(jí)合并形成上一級(jí)功能單元的過程。通過各個(gè)層級(jí)功能模塊和接口模塊的組合與封裝，即可構(gòu)建所需的SAR系統(tǒng)。系統(tǒng)擴(kuò)展升級(jí)時(shí)，只需要更換相關(guān)的接口模塊或功能模塊。

以SAR的功能模塊和連接模塊為基本單元模型，自上而下，根據(jù)無人機(jī)平臺(tái)的各種適配條件，如空間、供電、導(dǎo)航、數(shù)傳等接口要求，對(duì)SAR系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)分解進(jìn)行設(shè)計(jì)；基于功能單元庫，通過對(duì)基本功能單元進(jìn)行繼承、融入、擴(kuò)展、組合和升級(jí)，形成各層級(jí)單元所需的組合模塊和技術(shù)，最終構(gòu)成所需的系統(tǒng)。其中，功能單元庫，包括發(fā)射機(jī)，天線，穩(wěn)定平臺(tái)，接收機(jī)，數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)成像處理，頻率綜合與定時(shí)，雷達(dá)監(jiān)測(cè)與控制，供電單元，圖像顯示與雷達(dá)操作等功能單元。接口單元庫包括測(cè)控總線接口、高速數(shù)字傳輸接口、專用總線接口、通用總線接口、微波信號(hào)接口、高頻信號(hào)接口等。

在D3022無人機(jī)載InSAR/PolSAR實(shí)現(xiàn)雙通道干涉SAR和全極化SAR的系統(tǒng)研制中，采用了基于功能單元的構(gòu)建方法，以已有的無人機(jī)載SAR單元模型為基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)用和設(shè)計(jì)，根據(jù)無人機(jī)載的裝機(jī)條件，設(shè)計(jì)了頻率、極化和空間雙通道收發(fā)系統(tǒng)，采用的功能模塊和接口模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)已有SAR單元模型80%以上的復(fù)用，體現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的靈活性、便利性、技術(shù)繼承性和功能擴(kuò)展性的理念。同時(shí)縮短了設(shè)計(jì)和研制周期，實(shí)現(xiàn)了800 MHz工作寬帶、同時(shí)實(shí)現(xiàn)多極化、干涉高程測(cè)量等功能，成功應(yīng)用于中程無人機(jī)平臺(tái)。

4.2 實(shí)時(shí)成像及數(shù)據(jù)處理技術(shù)

由于無人機(jī)的特點(diǎn)以及大部分應(yīng)用中對(duì)目標(biāo)SAR圖像實(shí)時(shí)性觀測(cè)的需求，對(duì)SAR實(shí)時(shí)成像處理以及相關(guān)雷達(dá)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理（例如，動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)）成為無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

不同類型無人機(jī)SAR的數(shù)據(jù)處理任務(wù)有很大的差異，需求的多樣性和產(chǎn)品的系列化，要求其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具備以下特性：（1）適應(yīng)不同的SAR成像算法：根據(jù)處理精度要求、硬件資源和實(shí)時(shí)性等限制，選擇適合的成像算法，如RD算法、CS算法等，考慮無人機(jī)SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜性，還要在成像算法中結(jié)合自聚焦等運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償處理；（2）適應(yīng)不同處理任務(wù)：除條帶模式、聚束模式等多種SAR成像處理外，實(shí)時(shí)處理任務(wù)還可能包括MTI處理、海上目標(biāo)ISAR成像、搜索處理、跟蹤處理、DBS處理等，以及同時(shí)多任務(wù)并行處理，如SAR+GMTI、成像+搜索等；（3）適應(yīng)不同的處理能力：SAR參數(shù)、載機(jī)參數(shù)等不同，使得計(jì)算量、存儲(chǔ)容量、I/O數(shù)據(jù)率等處理能力差異巨大，例如，大型無人機(jī)SAR系統(tǒng)處理能力相比小型無人機(jī)SAR的處理能力可超過一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此，無人機(jī)SAR實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)需要具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。

基于功能單元模型，結(jié)合SAR成像處理等算法，可以建立可重構(gòu)、可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理體系架構(gòu)：

功能單元的功能模塊是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)兼容多種類的處理任務(wù)，功能模塊包括運(yùn)算、轉(zhuǎn)置存儲(chǔ)（CTM）、控制、記錄、顯示等。

功能單元的連接模塊是體系結(jié)構(gòu)的核心，不同的處理任務(wù)可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的并行架構(gòu)差異巨大，為適應(yīng)這種并行架構(gòu)的在線變化，連接模塊采用了多專用高速接口結(jié)合多總線接口的復(fù)合接口形式，通過專用高速接口實(shí)現(xiàn)各單元間海量、高速數(shù)據(jù)傳輸；控制總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)行控制；分布數(shù)據(jù)通信總線用于各單元間的公用數(shù)據(jù)共享和高速通信，如圖25所示。

圖25 SAR實(shí)時(shí)成像處理器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.25 Schematic diagram of SAR real time imaging processor

利用這一體系架構(gòu)，可以通過配置功能模塊和連接模塊，靈活構(gòu)建所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。通過對(duì)連接模塊編程，控制流水方向和組合、控制分布數(shù)據(jù)通信總線的數(shù)據(jù)交換，可以實(shí)現(xiàn)流水處理、陣列處理等并行架構(gòu)的在線變更；再結(jié)合對(duì)功能模塊采用不同的處理軟件和在線配置固件，最終實(shí)現(xiàn)不同的處理功能的在線變更。擴(kuò)展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以通過增加功能模塊、配置連接模塊建立各功能模塊的新連接來實(shí)現(xiàn)。

以D3022無人機(jī)載InSAR/PolSAR為例，其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)衍生自單通道無人機(jī)SAR的實(shí)時(shí)成像處理器，原處理器的成像算法為RD算法，為保證InSAR成像精度，在新處理系統(tǒng)中采用了CS算法，數(shù)據(jù)源也由單通道變?yōu)殡p通道。在進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，增加了用于處理的功能模塊，連接模塊的專用高速接口也進(jìn)行了擴(kuò)展，通過處理軟件更新和連接固件的配置優(yōu)化，系統(tǒng)可以在極化成像處理、InSAR成像處理和單通道成像處理幾種處理任務(wù)之間實(shí)現(xiàn)在線切換。

4.3 運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)

SAR成像的理想條件是飛行平臺(tái)勻速直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)際航空平臺(tái)總會(huì)受到氣流擾動(dòng)的影響，做不到理想運(yùn)動(dòng)。對(duì)于無人機(jī)載SAR，由于載機(jī)平臺(tái)輕小，易被氣流擾動(dòng)影響，造成雷達(dá)回波相干性下降，進(jìn)而影響雷達(dá)高分辨率的實(shí)現(xiàn)。通常為了克服飛機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差的影響，雷達(dá)采用慣性器件測(cè)量運(yùn)動(dòng)誤差與自聚焦相結(jié)合的方法，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差提取和補(bǔ)償。然而，由于無人機(jī)平臺(tái)受限于裝載條件、成本等因素，無法裝載高精度慣性測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)雷達(dá)高分辨率的實(shí)現(xiàn)帶來很大的難度。此外，常規(guī)的運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償及自聚焦方法針對(duì)性強(qiáng)，難以適應(yīng)不同種類運(yùn)動(dòng)特性的無人機(jī)載SAR的運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的相關(guān)技術(shù)研究［27-29］。

多維度運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償是一種針對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)大變化范圍的問題進(jìn)行高精度運(yùn)動(dòng)誤差提取和補(bǔ)償?shù)姆椒?。飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差直觀表現(xiàn)為隨時(shí)間變化的空間位置和角度上?？梢泽w現(xiàn)在：慣性測(cè)量設(shè)備獲取的速度、加速度，角速度、角加速度等參數(shù)上；雷達(dá)信號(hào)的相關(guān)特性、多普勒頻率、多普勒相位等；SAR圖像的對(duì)比度、統(tǒng)計(jì)特性等方面；并且與雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)的幾何關(guān)系，孔徑長度等相關(guān)聯(lián)。簡而言之，SAR運(yùn)動(dòng)誤差可體現(xiàn)在觀測(cè)、解算、度量空間的不同維度上。各維度的誤差具有相同的來源，存在相關(guān)性，并且具有冗余性。可利用相關(guān)性和冗余性，提高誤差測(cè)量估計(jì)精度。

根據(jù)這一特性，給出了多維度運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償新方法。首先，建立運(yùn)動(dòng)誤差多維度空間模型，并將誤差分解到姿態(tài)參數(shù)域、原始數(shù)據(jù)域、時(shí)間域、頻率域等各維度上。將多維度誤差與多普勒相位關(guān)聯(lián)，通過多維度間的交替迭代，估計(jì)和補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差，如圖26所示。例如，可以將慣導(dǎo)測(cè)量數(shù)據(jù)和GPS測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量精度；在缺少偏航角參數(shù)時(shí)，可以利用雷達(dá)信號(hào)中的多普勒頻率中心參數(shù)，提取雷達(dá)波束指向角度參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；可以建立雷達(dá)與目標(biāo)間的3維幾何關(guān)系，通過運(yùn)動(dòng)誤差在不同視角時(shí)的細(xì)化分解，提高大測(cè)繪范圍時(shí)相位梯度自聚焦算法的不足等。利用維度間信息冗余的方法，彌補(bǔ)了慣性測(cè)量系統(tǒng)精度不足的欠缺，有效解決了在大差異、多類航空平臺(tái)上寬范圍運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾y題。

圖26 多維度運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償方法示意圖Fig.26 Schematic diagram of multi-dimentional motion compensation

4.4 基于多通道的高性能SAR技術(shù)

多通道技術(shù)包括了時(shí)間、空間、極化、頻率以及處理多通道，具體針對(duì)收發(fā)和處理通道的設(shè)計(jì)與選擇方面，通過收發(fā)通道的增加可以對(duì)極化、空間維度進(jìn)行擴(kuò)展，獲取全極化、3維成像結(jié)果。

高分辨率SAR距離向分辨率需要寬帶信號(hào)的發(fā)射、接收和處理來保證。高分辨率SAR通常具有不同的工作分辨率模式，如每種模式都對(duì)應(yīng)一組濾波器，設(shè)備復(fù)雜度增加，同時(shí)寬帶濾波器的理想通道特性會(huì)隨著帶寬增加而下降。

針對(duì)上述問題，D3022無人機(jī)載InSAR/PolSAR系統(tǒng)沿用了超高分辨率SAR系統(tǒng)的多通道接收脈沖合成技術(shù)，如圖27所示。采用雙通道接收機(jī)單元，將800 MHz信號(hào)劃分為兩個(gè)400 MHz子帶信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收，同時(shí)采用了基于連續(xù)脈沖波形的頻域劃分信號(hào)時(shí)域分離發(fā)射和接收技術(shù)，只調(diào)用單通道400 MHz信號(hào)采集單元就實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙通道800 MHz寬帶信號(hào)的接收和采集，節(jié)約了硬件單元，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。在完成采集的同時(shí)，信號(hào)處理單元可對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字升采樣和拼接，恢復(fù)發(fā)射脈沖帶寬，保證優(yōu)于0.3 m距離分辨率的實(shí)現(xiàn)［28，29］。

圖27 多通道接收脈沖合成技術(shù)示意圖Fig.27 Schematic diagram of multi channel receiving pulse synthesis

通過擴(kuò)展處理數(shù)據(jù)的多普勒通道，可以對(duì)單通道數(shù)據(jù)在不同的頻帶范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)SAR/GMTI處理，并將GMTI結(jié)果與SAR圖像進(jìn)行關(guān)聯(lián)融合。

5 無人機(jī)載SAR發(fā)展方向

5.1 微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)

隨著新型復(fù)合材料技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展，小型化無人機(jī)逐漸應(yīng)用于在民用和軍用諸多領(lǐng)域，美國、歐洲等先進(jìn)國家也都競相發(fā)展低于5 kg的微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)。通常的高空高速、中高空、戰(zhàn)術(shù)型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)一般都采用脈沖體制，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，體積、重量與功耗較大。因此，目前大部分微小型SAR系統(tǒng)采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）體制。采用FMCW體制的SAR系統(tǒng)由于連續(xù)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，使得發(fā)射信號(hào)的平均功率較大，相對(duì)脈沖工作方式而言，其發(fā)射信號(hào)的峰值功率要小得多，可以采用固態(tài)器件、部件，有利于實(shí)現(xiàn)體積、重量的輕小型化。國外有代表性的微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)主要包括美國的NanoSA，microSAR［30］和NuSAR、德國的MiSAR［31］、荷蘭的AMBER［32，33］、波蘭的C波段SARENKA［34-36］等。NanoSAR實(shí)物圖如圖28所示，重量僅為1 kg，號(hào)稱世界上最小的SAR系統(tǒng)，2008年由美國的I m S A R公司和I n s i t u公司聯(lián)合開發(fā)完成。NanoSAR可用于探測(cè)被霧或云層遮擋的海面小型艦船以及進(jìn)行過偽裝的卡車、坦克和其它車輛。2008年該雷達(dá)裝載在ScanEagle小型戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)上成功地進(jìn)行飛行試驗(yàn)，獲得了雷達(dá)圖像。截至2013年底ImSAR公司又開發(fā)出NanoSAR_B，NanoSAR_C，進(jìn)一步提高了作用距離與分辨率。典型微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

圖28 NanoSAR系列實(shí)物圖Fig.28 NanoSAR photograph

表4 典型微小型無人機(jī)載SAR系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Technical specifications of typical micro and small UAV SAR

5.2 多功能無人機(jī)載SAR系統(tǒng)

具有多極化、干涉、高分辨率等多功能的無人機(jī)載SAR系統(tǒng)也是近年來的研究熱點(diǎn)。多功能SAR系統(tǒng)可以通過全極化功能獲取目標(biāo)不同極化狀態(tài)信號(hào)的幅度和彼此間的相對(duì)相位，提高對(duì)目標(biāo)各種信息的獲取能力；利用兩副SAR天線接收到同一地面回波信號(hào)，通過解算之間的相位差重建地面的高程信息；通過高分辨率功能提高對(duì)目標(biāo)區(qū)域的細(xì)節(jié)獲取能力。目前已成功應(yīng)用的多功能無人機(jī)載SAR系統(tǒng)主要有美國的UAVSAR系統(tǒng)［37，38］和我國的高精度多功能無人機(jī)SAR（MFUSAR）系統(tǒng)等［25］。

UAVSAR系統(tǒng)是美國國家航空航天局（NASA）的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）于2008年開始研制的一套無人機(jī)載全極化差分干涉SAR系統(tǒng)。UAVSAR系統(tǒng)是在GeoSAR系統(tǒng)研制基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，經(jīng)過改進(jìn)后系統(tǒng)采用相控陣體制，可以搭載捕食者B、全球鷹等無人機(jī)平臺(tái)。UAVSAR工作在L波段，具有多極化模式、能夠完成重復(fù)軌道的差分干涉功能，可檢測(cè)微小地形形變，形變檢測(cè)精度達(dá)到0.1～0.5 cm［39，40］。2009年UAVSAR系統(tǒng)在參加的墨西哥地震測(cè)量試驗(yàn)飛行試驗(yàn)，獲取了該地區(qū)雷達(dá)干涉影像，通過該試驗(yàn)結(jié)果地理學(xué)家能對(duì)該地區(qū)的斷層形變進(jìn)行了詳細(xì)分析。2010年UAVSAR在墨西哥灣進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，對(duì)墨西哥溢油后的海面進(jìn)行了大范圍全極化成像，通過雷達(dá)圖像對(duì)海上油污區(qū)域進(jìn)行有效檢測(cè)。

此外西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)對(duì)小型化無人機(jī)載單航過InSAR系統(tǒng)進(jìn)行了研究［41］，完成了試驗(yàn)樣機(jī)，該樣機(jī)工作在C波段，重量為2.5 kg，已經(jīng)完成了車載試驗(yàn)并在小型遙控飛機(jī)上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。2 0 0 9年西班牙的國家宇航技術(shù)研究所（INTA）開始研制基于無人機(jī)平臺(tái)的Ku波段多功能QuaSAR（Quicklook unmanned aerial SAR）系統(tǒng)［42，43］。巴西與德國聯(lián)合開發(fā)的OrbiSAR系統(tǒng)［44］于2008年開始進(jìn)行無人機(jī)適應(yīng)性改造，改造后的OrbiSAR系統(tǒng)可裝載在無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)P波段雙航過干涉、X波段單航過干涉，對(duì)亞馬遜熱帶雨林地區(qū)進(jìn)行不同時(shí)間的多極化、多波段成像，測(cè)量地形與樹木的高度［45］。意大利也開發(fā)了先進(jìn)的無人機(jī)載MiniSAR系統(tǒng)［46］，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行干涉成像，主要用于地形與泥石流監(jiān)測(cè)等。系統(tǒng)有4個(gè)通道，每個(gè)通道系統(tǒng)帶寬為70 MHz，基線1.5 m。德國應(yīng)用科學(xué)研究所（FGAN）研制了HV與HH雙極化的SUMATRA-94（Synthetic Aperture Unmanned Millimeterwave Airborne Test Radar 94 GHz），工作在W波段，最優(yōu)分辨率可達(dá)15 cm， 2012年完成了飛行試驗(yàn)［47，48］。

5.3 新型工作模式的無人機(jī)載SAR系統(tǒng)

隨著無人機(jī)載SAR應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，常規(guī)的SAR工作模式已無法滿足不斷深化的應(yīng)用需求，如提取地物的3維高分辨率信息、地表高覆蓋率成像與檢測(cè)空中慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等，在常規(guī)工作體制下無法實(shí)現(xiàn)，因此近年來國內(nèi)外正在開展具有新型工作模式的SAR技術(shù)研究。典型多功能無人機(jī)載SAR系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

為獲取地物的高度圖像，一種能夠?qū)崿F(xiàn)下視3維成像的SAR系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用于無人機(jī)平臺(tái)，如德國FGAN-FHR研制的無人機(jī)載3維成像雷達(dá)ARTINO（Airborne Radar for Three dimensional Imaging and Nadir Observation）系統(tǒng)［49-52］、法國宇航局（ONERA）研制的針對(duì)小型無人機(jī)研制的DRIVE系統(tǒng)等［53-56］。在下視3維雷達(dá)中，系統(tǒng)采用波束下視工作方式，沿距離向布置1維天線陣，即多個(gè)天線沿切航跡方向布置。與常規(guī)SAR系統(tǒng)一致，在距離向通過脈沖壓縮技術(shù)獲得高分辨，在方位向利用平臺(tái)運(yùn)動(dòng)形成的合成孔徑獲得高分辨；而在高度向利用切航跡的長陣列獲得高分辨率。3 維下視成像雷達(dá)可以克服傳統(tǒng)SAR成像時(shí)的陰影效應(yīng)，在城市、山區(qū)等地勢(shì)起伏區(qū)域能獲取較高分辨率的高度圖像。系統(tǒng)成像模式如圖29所示。ARTINO系統(tǒng)工作在Ka波段、將20個(gè)發(fā)射元布置在機(jī)翼兩端、中間部位為均勻排列36個(gè)接收陣元，發(fā)射信號(hào)帶寬為750 MHz，并在低空慢速無人機(jī)上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，獲取了分辨率0.2 m的3維圖像。DRIVE 雷達(dá)具備常規(guī)SAR成像模式與下視3維成像模式，在下視3維模式下，雷達(dá)工作在Ka波段，接收天線是與一個(gè)航跡垂直的的1維陣列，陣列長度為10 m，發(fā)射天線位于陣列的中心段、發(fā)射800 MHz的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)。2006年DRIVE在S10VT無人滑翔機(jī)上進(jìn)行了試飛，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。

表5 典型多功能無人機(jī)載SAR系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Technical specifications of typical multi function UAV SAR system

圖29 3維下視SAR工作示意圖Fig.29 Schematic diagram of 3 dimensional imaging and nadir observation

2012年日本、馬來西亞、印度尼西亞等國聯(lián)合開發(fā)針對(duì)JX-1無人機(jī)飛行器研制了輕小型CPSAR（Circularly Polarized SAR）系統(tǒng)［57，58］。CPSAR工作在L波段、發(fā)射信號(hào)帶寬為300 MHz、條帶寬度1 km、作用距離4 km，每個(gè)脈沖只發(fā)射左旋圓極化或右旋圓極化，同時(shí)接收兩種極化信號(hào)。CP-SAR作為將來裝載于微小型衛(wèi)星LAPAN-Chibasat的圓極化SAR系統(tǒng)在地面演示驗(yàn)證的試驗(yàn)性系統(tǒng)，裝在小型無人機(jī)上能夠獲取地面的全圓極化圖像，可以用來對(duì)植被、土壤、積雪等地物進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用于土地覆蓋測(cè)繪、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

德國DLR試驗(yàn)室還對(duì)一種衛(wèi)星-無人機(jī)雙基地雷達(dá)成像與自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)該模式下的成像覆蓋率、分辨率等進(jìn)行了分析［59］。利用中高軌衛(wèi)星（MEO）、低軌微型（LEO）的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)、無人機(jī)上的一個(gè)或多個(gè)雷達(dá)接收終端接收雷達(dá)信號(hào)，星-無人機(jī)雙基地雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)Φ孛孢M(jìn)行大面積廣域高分辨率成像、對(duì)空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤以避免空中飛行器碰撞實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主導(dǎo)航。

5.4 發(fā)展趨勢(shì)

綜合國內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展方向以及應(yīng)用需求，無人機(jī)載SAR系統(tǒng)主要發(fā)展趨勢(shì)是成像分辨率提高、功能擴(kuò)展和裝載平臺(tái)多樣化。

分辨率是SAR系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，高的分辨率意味著能夠獲取更豐富的目標(biāo)信息，分辨率達(dá)到0.3 m或以下時(shí)，SAR系統(tǒng)可以獲得接近光學(xué)的圖像效果，目標(biāo)的形狀和精細(xì)結(jié)構(gòu)可更加清晰，從而大大提高目標(biāo)識(shí)別能力，有利于無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

由于微波成像反映的是目標(biāo)的電磁反射特性，所以目標(biāo)反射回波的幅度及相位與發(fā)射信號(hào)的中心頻率、極化方向都有關(guān)，因此為更好地獲取地物信息要求SAR系統(tǒng)最好具有多波段、多極化等功能。多工作模式是指SAR系統(tǒng)可以獲取不同類型目標(biāo)的位置（運(yùn)動(dòng)）參數(shù)和雷達(dá)散射特征，從對(duì)以往固定目標(biāo)的2維成像，向著對(duì)運(yùn)動(dòng)、弱散射特征目標(biāo)探測(cè)成像和3維立體成像擴(kuò)展。功能和模式的擴(kuò)展也不斷促進(jìn)了SAR圖像信息的精確提取和深度應(yīng)用。

由于微小型無人機(jī)具有隱身性好、低成本等優(yōu)勢(shì)，其在軍事領(lǐng)域與民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，無人機(jī)載SAR系統(tǒng)的輕小型化成為SAR技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)?？v觀國內(nèi)外先進(jìn)的無人機(jī)載SAR系統(tǒng)，配備在中空長航時(shí)、中近程無人機(jī)的SAR系統(tǒng)基本都在35 kg以內(nèi)，搭載在超近程微小型無人機(jī)系統(tǒng)的SAR設(shè)備均在5 kg以內(nèi)。先進(jìn)的、輕小型化的多功能SAR系統(tǒng)在各類飛行平臺(tái)上的應(yīng)用無疑是SAR技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

6 結(jié)束語

無人機(jī)靈活機(jī)動(dòng)、無需人員駕駛，應(yīng)用廣泛，搭載了全天時(shí)全天候的SAR系統(tǒng)能夠有效應(yīng)用在軍事與民用領(lǐng)域。美國、歐洲國家近20年來大力發(fā)展無人機(jī)載SAR技術(shù)，不僅針對(duì)高空、中空、戰(zhàn)術(shù)型等多種類型的無人機(jī)裝備了相應(yīng)的SAR系統(tǒng)，成功應(yīng)用于空軍、海軍與陸軍，還研究開發(fā)了多種基于無人機(jī)平臺(tái)的新體制、具有新型工作模式、輕小型的多功能先進(jìn)SAR系統(tǒng)。我國在無人機(jī)載SAR技術(shù)領(lǐng)域也緊跟國際發(fā)展趨勢(shì)、突破了多項(xiàng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，在近年來得到了快速發(fā)展，形成了系列化無人機(jī)載SAR產(chǎn)品，并投入到不同應(yīng)用領(lǐng)域。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域的增加，先進(jìn)的多功能SAR系統(tǒng)在無人機(jī)遙感領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要的作用。

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Technology and Applications of UAV Synthetic Aperture Radar System

Wang Yanfei Liu Chang Zhan Xueli Han Song
（Institute of Electronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

This paper provides a brief review of the development in Unmanned Aerial Vehicle （UAV） borne SAR technology， and gives a summary on the important areas of UAV SAR， including the operation mode， key facilitating technology， performance and specifications， typical systems and applications.According to the characteristics and attributes of UAV platform， the paper focuses on the current development of high resolution， motion compensation and innovative operation mode of the UAV SAR payload.On the demonstration of high resolution， full polarization and interferometric UAV SAR systems， the technologies of top level design on modular reconfiguration， real-time image formation and multi-dimentional motion compensation involved are introduced in detail.Also， the future development trends of UAV SAR technology is discussed as well.

Synthetic Aperture Radar （SAR）； Unmanned Aerial Vehicle （UAV）； SAR technology； SAR application

The National Natural Science Foundation of China （61471340）

TN958

A

2095-283X（2016）04-0333-17

10.12000/JR16089

王巖飛（1963-），男，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲⒉ǔ上窭走_(dá)系統(tǒng)及其理論、數(shù)字信號(hào)處理等。

劉 暢（1978-），男，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，主要研究方向?yàn)镾AR系統(tǒng)及其相關(guān)SAR成像處理技術(shù)等。

詹學(xué)麗（1976-），女，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副研究員，主要研究方向?yàn)镾AR系統(tǒng)仿真及SAR成像理論等。

韓 松（1971-），男，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，主要研究方向?yàn)槲⒉ǔ上窭碚摷跋到y(tǒng)技術(shù)、實(shí)時(shí)信息處理技術(shù)、實(shí)時(shí)信號(hào)仿真技術(shù)。

2016-08-05；改回日期：2016-08-16；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-08-24

王巖飛 yfwang@mail.ie.ac.cn

國家自然科學(xué)基金 （61471340）