雷达知识科普：成像雷达与分辨率

雷达知识科普：成像雷达与分辨率

高分辨成像雷达已成为遥感和军事监视的重要工具。与低分辨率相比，高分辨率成像可以分辨出更精细的细节，这一点可以非常有效地加以利用。中等分辨率的雷达传感器只允许探测物体，如飞机，并估计位置和相对速度。随着沿航迹分辨率（在飞机轨迹方向上）和跨航迹分辨率（垂直于飞机轨迹）的提高，越来越多的物体部分被分开分辨，从而显示出更高水平的细节。事实上，非常精细的分辨率可以识别或分类一个物体。本章定义了雷达图像分辨率，并介绍了实现沿航迹高分辨率的方法。这些组合在一起可以产生高分辨率的2D图像。

如果雷达系统的分辨率比物体的尺寸要小得多，那么它就可以用来制作物体及其结构的散射图或“雷达图像”。由于雷达发射机的相位相干特性，图像由具有幅值和相位的复数值组成。一般情况下，图像形成后，将相位值丢弃，并将其大小以灰度图像的形式显示。这类似于光学照片，尽管有重要的区别，如频率和照明方向。然而，在雷达图像中，如果分辨率足够高，就可以推断出物体的大小、形状和方向以及更详细的特征。生成雷达图像的方法与光学相机中使用的方法有很大的不同。雷达图像的精细分辨率是通过交叉(距离)的精细分辨率(通过宽带雷达传输实现)和通过孔径合成的沿轨迹精细分辨率的结合来实现的。

正如我们所看到的，合成孔径雷达(SAR)已经成为民用和军用遥感领域不可缺少的工具。

1. 如何定义分辨率

雷达传感器产生的图像质量主要由分辨距离较近的物体的能力来衡量。这种能力可以用分辨率差和单元大小来定义。分辨距离是指在雷达图像中，两个回波面积相等的散射体可被分开并仍可被识别为独立散射体的最小距离。散射体可能是单个物体，如两架独立的飞机，也可能是单个物体的组成部分，如单个飞机的机头、驾驶舱、发动机、机翼和尾部。散射体的这种分离通常用跨航迹分量Dr和方位角或沿航迹分量Da （与雷达径向视线成直角的分量）来表示。1

分辨率单元格是一个矩形，其边Dr和Da定义了单元格的大小（图1）。

图1 分辨距离是指两个散射体能够分开并且仍然被分开识别的最小距离。分辨率单元格是一个矩形，其边是距离和方位分辨率距离。

由于物体可以沿任意方向运动，Dr和Da通常是相等的，这使得单元格的形状是正方形的。但是，分辨率不一定是方形的。例如，在真实波束雷达中，很难获得精确的方位分辨率，Dr通常是Da的一小部分。例如，在X波段（3厘米波长），1米天线的方位波束宽度为30 mrads，这决定了Da。在100公里范围内，Da为3公里；与Dr相比，它可能是30厘米，因为Dr的带宽是500兆赫。

严格地说，分辨率单元格不一定是一个清晰的矩形，如图32-1所示。相反，它通常是一个圆形的矩形“斑点”，其亮度在边缘下降。然而，对于大多数雷达图像，都假定有清晰轮廓的正方形像素，我们将遵循这一惯例。

2. 影响分辨率单元大小选择的因素 

影响单元格大小选择的较为重要的考虑因素包括:

(1)待解决物体或散射体的大小;

(2)产生图像所需的信号处理的类型和数量;

(3)成本;

(4)诠释意象的任务(表1)。

要解析的对象的大小。分辨率单元的大小和有用雷达图像的生成取决于应用。为了辨别地形的总体特征，如分隔陆地和海洋的海岸线或城市和山脉的整体轮廓，相对较粗的分辨率(~150米）是可以接受的。为了在区分农田作物和林木区的同时识别主要公路，需要提高分辨率(20～30米）。为了识别单独的城市街道、大型建筑和小型机场以及通常包含在路线图中的那种细节，可能需要更精细的分辨率(~ 10-15米)。

表1 分辨率要求为各种地图应用

为了识别地面上的物体的形状，如车辆、房屋、小型建筑，分辨率必须更高(~ 1-3米)。精确的分辨率会随着物体的大小和形状而变化。作为一个粗略的规则，所需要的分辨率距离介于被识别的最小物体的主维数的1/5到1/20之间。分辨率和识别特征和物体的能力之间的关系如图2所示，其中显示了同一架飞机的两个剪影。

图2 这些方框说明了单元格大小对形状的影响。剪影（左）是相同的。雷达图像（右）是简化的表示。假设平面上的所有元素在雷达方向上的反射是相等的，单元大小为轮廓主尺寸的1/20可以很好地表示形状。

一个网格的分辨率单元格被叠加在一个侧面是翼展的1/5的侧影上。在另一个上面，一个网格的单元格被叠加，其边是翼展的1/20。在每个轮廓旁边是与指示的分辨率单元大小相对应的图像的简化表示。在这些图像中，完全被剪影填充的单元格显示为黄色；部分填充的单元格以绿色阴影显示，并与填充的百分比相对应。完全不包括飞机的单元格显示为深绿色。对于这种小尺寸形状，主尺寸的1/5的分辨率能够在某种程度上识别形状，而主尺寸的1/20的分辨率清楚地显示形状是飞机的形状。

然而，在形成图2中，假定飞机的所有部件在雷达接收机的方向上对入射无线电波的反射是相等的。事实上，对于观察角度、射频和偏振的任何一个组合，在图像中只能观察到几个明亮的散射中心。因此，即使单元格大小可能小到主尺寸的1/20，飞机的形状可能仍然难以识别。这是因为在雷达波长下，飞机看起来非常光滑，因此大部分反射能量是在远离雷达的正向方向。

然而通过从不同的方向、使用不同的无线电频率和偏振重复映射相同的区域，物体表面接收反射的部分可以大大增加。

图3 这张德国卡尔斯鲁厄部分地区的SAR图像是由帕米尔公司制作的，帕米尔公司是由弗劳恩和费高频物理和雷达技术研究所设计和操作的X波段机载雷达系统。成像区域太大，无法显示全部分辨率。

图4 这张德国卡尔斯鲁厄的高分辨率图像是由帕米尔制作的，这是上图中创建图像的同一机载雷达系统。成像区域仍然太大，无法显示完整的分辨率。

通过这种技术可以形成类似于图2所示的图像，从而可以识别出独立物体的形状。在许多实际情况下，这是不可能的，但生成的较不完整的图像形式仍然非常有用。

信号处理要求。分辨率精细度的一个主要潜在限制是所需的信号处理量。图3显示了德国卡尔斯鲁厄2部分地区的SAR图像，细节非常精细。然而，要显示如此大的成像区域，不可能同时观察到完整的分辨率。我们在图32-4中得到了这种感觉，这是图3中用红色勾勒的区域的放大图像。即使在这里，成像区域仍然太大，无法显示完整的分辨率。图5显示了图4中红**域的更近距离缩放。现在10厘米的全分辨率被展示出来，并揭示了建筑屋顶上的小结构特征等精细细节。与图3对比，在图3中，甚至建筑物都很难被挑出来。

一般说来，要映射一个给定大小的区域，如图3所示，处理的量随着单位面积分辨率单元的数量而增加。如果单元格为正方形，则单元格的数量与分辨率的平方成正比。因此，通过单元格的两倍提高分辨率。

图5 这张德国卡尔斯鲁厄的高分辨率图像显示了10厘米的分辨率。由FHR Fraunhofer高频物理和雷达技术研究所设计和操作的机载雷达系统PAMIR创建的图像。

然而，随着对纠错的要求在更高的分辨率下变得更加严格，对处理负载的影响可能会更高。

成本和数据管理。对于这个重要的参数不容易概括。然而，随着雷达信号处理的细化，雷达硬件和信号处理的复杂度和数量都在增加。因此，成本也会增加，处理时间也会增加。根据具体情况，进一步提高分辨率可能会变得昂贵得令人望而却步。然而，随着数字技术的不断进步，提供给定分辨率的成本趋于下降。正如所料，在成本和可实现的解决方案之间有一个平衡。给定区域中分辨率单元的大量增加也会导致数据量的增加，这必须通过适当的存储、数据传输和计算资源来管理。

解读图像。从表面上看，在确定所需分辨率时，图像解释似乎不是一个重要的考虑因素。事实上，它是最重要的，并驱动分辨率的选择，而分辨率反过来又驱动许多雷达参数。不管分辨率如何，解释雷达图像都必须小心。

许多物体和地形的特征在雷达图像中比在光学图像中有很大的差异。较长波长的雷达散射不同于光频率。

由于雷达提供自己的照明，图像中的阴影总是在一个方向远离雷达。如我们所见，雷达是一种相干传感器。这导致图像具有颗粒状外观，这是由于雷达图像中每个像素的所有散射体之间的建设性和破坏性干扰。这种现象叫做散斑。

由于这些和其他原因，雷达图像有些独特，需要经过训练才能相对容易地解释图像。考虑单座攻击机以1440公里/小时(400米/秒或1.2马赫)的速度在乡间疾驰的例子。快速解读雷达图像至关重要，飞行员除了执行其他任务(比如驾驶飞机)外，还必须在几秒钟内分析图像。为了使这项工作可行，只绘制了一小块土地的地图。如果提高分辨率，使目标的正面识别，则单个图像覆盖的面积相应减少。

雷达图像通常产生的数量是惊人的。卫星系统每隔几天就会绘制出地球表面的大部分区域。如此大量的数据必须仔细管理，图像解释需要自动方法。然而，使用自动计算技术的复杂性是相当大的，因此图像解释仍然是密集的研究课题。根据应用的不同，分辨率要求和所绘制区域的大小都有很大的不同。由此可见，执行方法也反映了这种变化。

3.实现高分辨率

由于在距离（跨航迹）上通常比在沿航迹方向上更容易获得精细的分辨率，所以我们首先考虑它。

跨航迹（距离）分辨率。正如第11章所解释的，在范围内获得的分辨率为每μs脉宽约150米。原则上，通过减少脉冲的持续时间，就可以获得很好的距离分辨率。例如，0.1μs脉冲的分辨率约为15米，0.01μs脉冲的分辨率约为1.5米，以此类推。

关于脉冲的持续时间可以有多短的第一个限制是发射机和接收机可以通过的频率带的宽度。为了通过脉冲中所包含的大部分功率，3分贝带宽必须是1/τHz量级，其中τ是脉冲宽度（图32-6）。这意味着对于0.01μs的脉冲宽度，带宽必须在100 MHz左右。

获得宽带的容易程度主要取决于雷达的工作频率。对于给定的发射机频率，随着所需带宽的增加，最终会达到一个点，超过这个点，硬件就会变得越来越难设计和构建，而且成本太高。

图6 距离分辨距离随脉宽的增加而减小。随着脉冲宽度的缩短，所需带宽增加。

根据具体情况，这个点位于工作频率的3%到10%之间，这是一个粗略的经验法则。因此，对于X波段（10 GHz），100 MHz的带宽只有大约1%。在1 GHz（L波段），相同的带宽为10%。在硬件项目中，带宽是更重要的是天线和一些射频组件。

如果峰值功率和脉冲重复频率(PRF)保持恒定，则出现第二限制。极窄的高距离分辨率脉冲的发射大大降低了平均发射功率（峰值功率乘以脉冲持续时间乘以PRF）。这个问题可以通过使用脉冲压缩来避免（第16章）。脉冲压缩比为1000:1，雷达系统可以发射持续时间为10μs的脉冲，压缩后仍可获得1.5米的距离分辨率(10/1000=0.01μs或100 MHz带宽）。所需带宽由压缩脉冲宽度确定，因此在本例中为100 MHz。

沿航迹（跨距离）分辨率。如前所述，与天线方位角波束宽度相关的分辨率可以定义为天线波束宽度（以弧度为单位）乘以距离的3分贝范围。天线的3分贝方位波束宽度近似等于波长除以天线长度。因此，对于给定的范围，可以通过在很短的波长下工作或通过使用很长的天线或两者的某种组合来获得很好的分辨率。由于短波长受到大气的严重衰减，远距离测绘的最小实际波长约为3厘米。在机载应用中，雷达天线的长度通常受到飞机携带能力的限制。因此，一个长天线，例如3米和3厘米的波长，在100公里的范围内导致1公里的跨距离分辨率相对较差。然而，如果感兴趣的最大范围相当短，分辨率要求不太高，实际尺寸的天线可以提供窄的“真实”波束，以产生足够的结果。在18至20公里范围内，具有5米长的X波段天线的侧视雷达系统可以提供适合识别诸如浮油等特征和识别小型船只的分辨率。在20公里范围内，分辨率为120米。这种类型的实波束机载雷达被称为侧视机载雷达（SLARs）。图32-7显示了SLAR图像，其中可以识别小船和浮油。或者，短距离应用可以利用更高频率（更短波长）的雷达系统来实现更好的分辨率。

不过，总的来说，即使是相当大的远距离物体，其分辨率也足以识别其形状，这意味着要么天线长得不切实际，要么使用的波长短得让雷达必须应付大气中严重的衰减。

图7 加利福尼亚圣巴巴拉附近的石油渗漏图，由雷达制成，雷达具有5米实波束侧视阵列，波长为3厘米。雷达的飞行路线沿着地图的顶部。到海岸的距离约为28公里。在9公里处，方位分辨率约为54米。（摩托罗拉公司提供）

解决这个难题的办法是使用相干雷达系统，测量雷达系统相对于照明场景的运动所引起的相位变化。

通过实现基于相位的处理，通过合成非常大的虚拟孔径，可以在沿轨迹尺度上实现更细的分辨率。假设一架飞机在直线水平轨道上飞行，并携带了一架侧视的相干雷达。随着飞机的前进，一系列脉冲被发射和接收。这些脉冲可以组合在一起形成一个长的虚拟或合成孔径(因此合成孔径雷达或SAR)。该孔径是通过利用由于雷达相对于地面上任何点的位置不断变化而产生的相移而产生的。照明雷达观察地面上某一点的总角度决定了合成孔径的长度，因此决定了沿轨迹分辨率的细度。由于相位随时间的变化等同于多普勒频率，因此可以使用多普勒处理技术形成SAR图像。

4.小结

雷达图像的质量是由分辨率单元的大小来衡量的。足够的分辨率主要是由必须识别的最小物体的大小决定的。

分辨率要求受到必须进行的SIG-NAL处理的数量、解释地图细节的任务、数据管理和成本的影响。通过使用脉冲压缩，可以在合理的峰值功率水平下找到良好的跨航迹（距离）分辨率。通过使用短波长天线或合成孔径雷达或合成孔径雷达成像，可以获得良好的沿航迹（跨距离）分辨率。