综合孔径雷达原理

在南开大学学习期间学习了光学信息处理课程。其中最深刻的应该是有关综合孔径雷达的知识。光学系统把成像的细微结构分辨能力的大小叫作光学系统的分辨率。根据瑞利线分辨率的定义,照相系统物镜的分辨率可表示为N=(1/1.22λ)*(D*f )。则可分辨物体的最小距离为 1/N ∝ λ*f/D 。这里N表示1毫米范围内能分辨的线条的数目。 A为照明波长,f为焦距,D为出瞳孔径。为了提高光学系统的分辨能力则可以通过改变 λ,D ,f的大小实现。

光学系统在应用中容易受到环境的限制,如光线暗,有雾等影响,特别是航空摄影就更容易受到大气介质的限制。而雷达成像系统,由于使用无线电波,波长较长其穿透能力较好而被应用。通常使用的电波的频率ω=8000-9000MHz,波长λ≈3cm。但与光学系统相比,由于其波长比光波波长大几个数量级,要达到与光学系统相同的分辨率其天线的孔径则要达到几百到上千米。为解决这个问题自50年代以来就一直研究的所谓综合孔径雷达系统应用而生。而其中的图像复原,则是光学计算的最典型的应用,也可以说是光学信息处理的典范。因此,引起了极大的兴趣。

综合孔径雷达的基本原理

基本的综合孔径雷达系统由三部分组成。1图像信息的获取,2图像信号记录,3图像复原。分述如下:

一.数据获取

简单的描述,当飞机载雷达脉冲迎面扫描某点并接收到有效信号开始到飞过该点之后不能接收雷达信号为止,在这一段时间内,雷达将以一定的时间间隔不断地对同一点扫描,获得了该点与飞机不同相对位置的所有雷达信号。显然这一过程可类比为一个合成孔径,其大小为这一段时间内飞机飞过的距离。一组假设的原理性的数据如下:若飞机飞行速度为Va=100米/秒,飞行高度为2000米,侧下方45度发射雷达波束,可发射雷达波束孔径角为15度。则雷达波束的发射点与覆盖中心的垂直距离为1.414*2000=2828米,航向上的覆盖长度为2*tg7.5*2828=745米。可见其综合孔径为D=745米。计算出其最小分辨距离为0.03*2828/745=0.11米。

二.数据记录

飞机飞行过程中所获得的同一点的雷达信号是飞机在飞行过程中不同位置所发射的雷达脉冲的反射波。不同形状物点的反射波在不同位置有不同的振幅和相位。用相应的成像系统,和胶片控制装置,在飞行速度Va和胶片速度Vf的协调下,信号被记录在胶片上,为不同的明暗条纹。与飞机飞行垂直方向的线段上的各点图像信息在胶片上以一定的间隔被记录N次。

三.复原图像

图像复原时,使胶片以一定的速度移动,在再现波长λo照明下,整个飞行过程所获得明暗条纹图像信息,随着胶片的运动,在一级衍射条纹的位置得到复原。对其记录则得到复原的图像信息。显然在与飞机飞行垂直方向的线段上不同的点则要求有不同焦距f的圆柱波带片,可用锥透镜对应这种情况,使飞行方向的像成像在一个平面上。同时需要一个圆柱透镜使垂直方向的像成像在一个平面上。再通过球面透镜则使无穷远的像汇聚在其焦平面上。显然在一级衍射条纹处可汇聚形成物点的实像。

 

 

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综合孔径雷达数据获取过程图示