無人機載合成孔徑雷達系統技術與應用（一）

王巖飛, 劉暢, 詹學麗, 韓松    

摘要：該文在概述無人機載SAR技術特點的基礎上，介紹了國內外無人機載SAR技術的發展概況，對無人機載SAR的工作體制、關鍵技術、性能指標、典型系統及應用等方面的內容進行了歸納。結合研制的高分辨率、全極化、雙天線干涉等SAR系統，重點討論了基于功能單元的SAR系統設計、SAR實時成像數據處理、多維度運動誤差補償等技術。針對無人機的特點和對載荷的要求，概述了無人機載SAR在高分辨率、新功能模式等方面的技術進展。并針對國內外當前的發展概況，探討了無人機載SAR技術的發展趨勢。

關鍵詞: 合成孔徑雷達(SAR)    無人機    SAR系統技術    SAR應用    

Technology and Applications of UAV Synthetic Aperture Radar System

Wang Yanfei, Liu Chang, Zhan Xueli, Han Song    

Abstract: 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.

Key words: Synthetic Aperture Radar (SAR)    Unmanned Aerial Vehicle (UAV)    SAR technology    SAR application    1 引言

無人機是利用無線電遙控設備或者機載程控系統進行操控的非載人飛行器，至今已有一個世紀的發展歷程。上世紀80年代以來，伴隨著航空、電子、信息以及材料等技術的發展，無人機技術得到了長足進步。無人機的應用包括在現代戰爭中的應用日益廣泛，促使國際上許多國家以更大的熱情開展無人機的研發和生產。

無人機的蓬勃發展和廣泛應用取決于其自身所具備的顯著優勢：一是無人員傷亡風險、性價比高，無人機的使用無需考慮飛行員因素，因而可以完成許多困難、復雜的任務，并且生產、使用和日常維護成本較低；二是機動性能好、生存能力強，相對于有人機而言，無人機重量輕、體積小，機動飛行能力強、使用方便，對使用環境、起降場地要求較低，具有較高的生存能力；三是應用領域廣泛，無人機在戰場偵察、對抗、攻擊等軍事應用中確立了其特有的地位，在突發災害和應急事件的監測中發揮了重要作用，在航空攝影、地圖測繪、環境監測、礦產資源勘查、動物保護以及農業、林業等諸多民用領域的應用日趨廣泛。

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)作為一種工作于主動探測方式的微波成像遙感系統，自上世紀50年代出現以來，一直是雷達遙感領域的發展熱點，具有高分辨率、遠探測距離、探測范圍大，可全天候、全天時、不受云霧雨雪遮擋等優勢，是實現對地觀測不可或缺的重要手段。

SAR載荷與無人機相結合有利于無人機遙感系統整體性能的發揮。具有主動探測特點的SAR設備的應用，彌補了光電載荷設備的不足，使無人機系統具備了全天候全天時的探測能力。SAR載荷的高分辨率、大探測范圍的特點，使得無人機系統具有更高的工作效率，便于應用和降低成本。SAR的遠探測距離、側向觀測等特點，有利于無人機遠離目標進行探測，避免危險、提高生存能力。

近年來，隨著應用需求的增加，SAR技術得到迅速發展。功能模式從條帶成像、聚束成像擴展至地面運動目標指示、海面廣域搜索與目標跟蹤、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、新材料等先進技術的采用，使得SAR的分辨率等性能指標不斷提高，設備的重量、體積、耗電量逐步減少。這些發展與進步大大促進了SAR與無人機系統的結合以及無人機載SAR系統的技術開發和應用。

本文對國外無人機載SAR技術進行了概述，介紹了國內無人機載SAR技術的發展概況以及相關的應用。在此基礎上，對無人機載SAR系統的關鍵技術進行了概括與分析。并對無人機載SAR的發展趨勢進行了探討。

2 典型無人機載SAR系統

作為無人機和無人機載SAR系統的先行者，美國對相關SAR系統研制和裝備工作一直高度重視，尤其是進入21世紀以來，美國在無人機系統研發、試驗和采購的費用逐年增加^[1]。海灣戰爭后，隨著信息處理和通信技術的發展，美軍的無人機載SAR也取得了快速發展和廣泛運用。為了加強戰地實時偵察能力，美軍先后研制裝備了多型無人機載SAR偵察遙測系統，如“全球鷹”系統、“捕食者”系統、和“火力偵察兵”系統等，裝備在空軍、海軍、陸軍等多兵種進行使用，裝載的SAR系統也在不斷地升級改造以適應多任務類型。此外，歐盟等國家也投入了大量經費競相發展無人機載SAR遙感測量系統。在民用方面，無人機載SAR系統在地形測繪、災害評估和環境監測等領域的應用日益廣泛。我國在近20年來，為適應現代戰爭與民用微波遙感信息獲取的需要，也對無人機載SAR系統進行了技術研究與開發，并形成了系列化產品。

無人機按照飛行高度與續航時間可以分為高空長航時、中高空長航時、戰術型等^[2]。不同類型無人機裝載的SAR系統工作體制、技術指標、實現功能均有所差異。

2.1 高空高速無人機載SAR系統

目前，國際上典型的先進高空高速無人機載SAR系統是美國研制的“全球鷹”系統。“全球鷹”無人機平臺由諾格公司研制，最大飛行高度可達20 km、續航時間長達35 h、最大飛行速度為640 km/h^[3]。裝載在該型無人機上的SAR系統由雷神公司研制，自1992年研制以來經歷了3代更新，由最早的HiSAR系統升級到現在的Multi-Platform-Radar Technology Insertion Program(MP-RTIP)雷達系統^[4]，其具體性能的對比見表 1^[5]。

HiSAR系統采用平板天線、集中發射體制，如圖 1所示。發射600 MHz信號帶寬的線性調頻信號，發射峰值發射功率為3.5 kW，具有SAR條帶、SAR聚束、GMTI 3種主要工作模式，為適應海上應用2008年增加了ISAR工作模式。HiSAR系統最優分辨率為0.3 m，最遠作用距離可達200 km，增強型HiSAR系統作用距離可增大至300 km。采用廣域掃描對10000 km²區域的動目標進行檢測，檢測距離為30～120 km。HiSAR雷達系統于1992年開始研制，1998年裝載在“全球鷹”上完成了首飛，2000年形成產品翌年交付部隊使用，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(BAMS)計劃。

MP-RTIP系統是一套先進的多任務高集成度雷達系統，如圖 2所示。與HiSAR相比更強調雷達系統的模塊化、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、搜索與監視、運動目標檢測與跟蹤等多種功能。2011年7月“全球鷹”搭載MP-RTIP完成了全系統試飛，2012年美國空軍開始采購和裝備。