无人机载合成孔径雷达系统技术与应用（一）

王岩飞, 刘畅, 詹学丽, 韩松    

摘要：该文在概述无人机载SAR技术特点的基础上，介绍了国内外无人机载SAR技术的发展概况，对无人机载SAR的工作体制、关键技术、性能指标、典型系统及应用等方面的内容进行了归纳。结合研制的高分辨率、全极化、双天线干涉等SAR系统，重点讨论了基于功能单元的SAR系统设计、SAR实时成像数据处理、多维度运动误差补偿等技术。针对无人机的特点和对载荷的要求，概述了无人机载SAR在高分辨率、新功能模式等方面的技术进展。并针对国内外当前的发展概况，探讨了无人机载SAR技术的发展趋势。

关键词: 合成孔径雷达(SAR)    无人机    SAR系统技术    SAR应用    

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

无人机是利用无线电遥控设备或者机载程控系统进行操控的非载人飞行器，至今已有一个世纪的发展历程。上世纪80年代以来，伴随着航空、电子、信息以及材料等技术的发展，无人机技术得到了长足进步。无人机的应用包括在现代战争中的应用日益广泛，促使国际上许多国家以更大的热情开展无人机的研发和生产。

无人机的蓬勃发展和广泛应用取决于其自身所具备的显著优势：一是无人员伤亡风险、性价比高，无人机的使用无需考虑飞行员因素，因而可以完成许多困难、复杂的任务，并且生产、使用和日常维护成本较低；二是机动性能好、生存能力强，相对于有人机而言，无人机重量轻、体积小，机动飞行能力强、使用方便，对使用环境、起降场地要求较低，具有较高的生存能力；三是应用领域广泛，无人机在战场侦察、对抗、攻击等军事应用中确立了其特有的地位，在突发灾害和应急事件的监测中发挥了重要作用，在航空摄影、地图测绘、环境监测、矿产资源勘查、动物保护以及农业、林业等诸多民用领域的应用日趋广泛。

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)作为一种工作于主动探测方式的微波成像遥感系统，自上世纪50年代出现以来，一直是雷达遥感领域的发展热点，具有高分辨率、远探测距离、探测范围大，可全天候、全天时、不受云雾雨雪遮挡等优势，是实现对地观测不可或缺的重要手段。

SAR载荷与无人机相结合有利于无人机遥感系统整体性能的发挥。具有主动探测特点的SAR设备的应用，弥补了光电载荷设备的不足，使无人机系统具备了全天候全天时的探测能力。SAR载荷的高分辨率、大探测范围的特点，使得无人机系统具有更高的工作效率，便于应用和降低成本。SAR的远探测距离、侧向观测等特点，有利于无人机远离目标进行探测，避免危险、提高生存能力。

近年来，随着应用需求的增加，SAR技术得到迅速发展。功能模式从条带成像、聚束成像扩展至地面运动目标指示、海面广域搜索与目标跟踪、ISAR成像、多极化成像、干涉3维成像等。新体制、新方法以及新器件、新材料等先进技术的采用，使得SAR的分辨率等性能指标不断提高，设备的重量、体积、耗电量逐步减少。这些发展与进步大大促进了SAR与无人机系统的结合以及无人机载SAR系统的技术开发和应用。

本文对国外无人机载SAR技术进行了概述，介绍了国内无人机载SAR技术的发展概况以及相关的应用。在此基础上，对无人机载SAR系统的关键技术进行了概括与分析。并对无人机载SAR的发展趋势进行了探讨。

2 典型无人机载SAR系统

作为无人机和无人机载SAR系统的先行者，美国对相关SAR系统研制和装备工作一直高度重视，尤其是进入21世纪以来，美国在无人机系统研发、试验和采购的费用逐年增加^[1]。海湾战争后，随着信息处理和通信技术的发展，美军的无人机载SAR也取得了快速发展和广泛运用。为了加强战地实时侦察能力，美军先后研制装备了多型无人机载SAR侦察遥测系统，如“全球鹰”系统、“捕食者”系统、和“火力侦察兵”系统等，装备在空军、海军、陆军等多兵种进行使用，装载的SAR系统也在不断地升级改造以适应多任务类型。此外，欧盟等国家也投入了大量经费竞相发展无人机载SAR遥感测量系统。在民用方面，无人机载SAR系统在地形测绘、灾害评估和环境监测等领域的应用日益广泛。我国在近20年来，为适应现代战争与民用微波遥感信息获取的需要，也对无人机载SAR系统进行了技术研究与开发，并形成了系列化产品。

无人机按照飞行高度与续航时间可以分为高空长航时、中高空长航时、战术型等^[2]。不同类型无人机装载的SAR系统工作体制、技术指标、实现功能均有所差异。

2.1 高空高速无人机载SAR系统

目前，国际上典型的先进高空高速无人机载SAR系统是美国研制的“全球鹰”系统。“全球鹰”无人机平台由诺格公司研制，最大飞行高度可达20 km、续航时间长达35 h、最大飞行速度为640 km/h^[3]。装载在该型无人机上的SAR系统由雷神公司研制，自1992年研制以来经历了3代更新，由最早的HiSAR系统升级到现在的Multi-Platform-Radar Technology Insertion Program(MP-RTIP)雷达系统^[4]，其具体性能的对比见表 1^[5]。

HiSAR系统采用平板天线、集中发射体制，如图 1所示。发射600 MHz信号带宽的线性调频信号，发射峰值发射功率为3.5 kW，具有SAR条带、SAR聚束、GMTI 3种主要工作模式，为适应海上应用2008年增加了ISAR工作模式。HiSAR系统最优分辨率为0.3 m，最远作用距离可达200 km，增强型HiSAR系统作用距离可增大至300 km。采用广域扫描对10000 km²区域的动目标进行检测，检测距离为30～120 km。HiSAR雷达系统于1992年开始研制，1998年装载在“全球鹰”上完成了首飞，2000年形成产品翌年交付部队使用，2004年完成了用于全球鹰海上演示型(GHMD)的首飞，2008年入选海军广域海上侦察无人航空系统(BAMS)计划。

MP-RTIP系统是一套先进的多任务高集成度雷达系统，如图 2所示。与HiSAR相比更强调雷达系统的模块化、通用性与集成性。MP-RTIP采用2维相控阵有源天线，阵列长度为1.52 m，具有SAR条带、SAR聚束、广域扫描、搜索与监视、运动目标检测与跟踪等多种功能。2011年7月“全球鹰”搭载MP-RTIP完成了全系统试飞，2012年美国空军开始采购和装备。