第1章 概论
1.1 发展概况
1.1.1 低频雷达的发展历史
与高频雷达相比，低频雷达的突出优点是具有很强的“透视”能力，即可穿透叶簇、墙体、浅地表等介质，探测位于丛林中、墙后或浅地表下的隐蔽目标，这使得低频雷达具有重要的军事价值和民用价值。因此，低频雷达技术一直是雷达领域的研究热点之一。
低频雷达技术的研究可追溯到越南战争[1]。早期的战场监视雷达都工作在高频段，这类雷达的穿透能力较差，无法探测到丛林遮蔽下的隐蔽目标，因此不适合丛林作战。在越南战争中，越南境内大部分地区丛林密布，越军经常以丛林为掩护，对美军实施偷袭，令美军吃尽苦头。为此，20世纪60年代中期，美国陆军科学委员会开始研发具有叶簇穿透能力的侦察雷达，以便发现隐藏在丛林深处的越军。1965年，罗切斯特大学向美国陆军有限战争实验室(Limited War Laboratory，LWL)提交了一份名为“ORCRIST：反游击侦察系统”的提案，这是世界上**个介绍叶簇穿透(foliage penetration， FOPEN)雷达研究的公开资料。此外，为了侦察丛林内的运动目标，美国启动了“营地哨兵计划”。在该计划的资助下，美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA)和麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)的林肯实验室开始了战场区域侦察监视雷达的研究工作，以便有效发现在浓密丛林中活动的越军。不久，林肯实验室研制出“营地哨兵Ⅱ”型雷达，该雷达的工作频率为435MHz，有效侦察距离为200m，工作频率较低，因此“营地哨兵Ⅱ”型雷达具有良好的叶簇穿透性能，适用于丛林环境下的侦察监视。此后，林肯实验室又对“营地哨兵Ⅱ”型雷达进行了升级改造，研制出“营地哨兵Ⅲ”型雷达，侦察距离扩大到2km，“营地哨兵Ⅲ”型雷达的天线直径为3.5m，重8000lb①。然而，“营地哨兵Ⅲ”型雷达非常笨重，不易运输，于是美国陆军LWL又研制出一种移动式前置野营雷达系统，称为多功能叶簇穿透(multi-FOPEN)系统。该系统可由单兵携带，并可在1小时内架设好，实施侦察监视任务。
20世纪70年代以前，低频雷达系统只能侦察丛林中的慢速运动目标，无法探测到丛林中的静止目标(如停放的军用车辆或建造的军用设施等)。为解决这个问题，研究人员开始采用合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)。与传统雷达相比，SAR利用信号相干处理技术可以获得很高的方位向分辨率，对目标进行二维成像，进而实现对静止目标的成像探测。因此，研究人员考虑到：若将低频雷达的介质穿透性能与SAR技术相结合，则可以对丛林遮蔽下的静止目标实施透视成像探测，进而发现丛林遮蔽下的人造设施、停放车辆等静止目标，这就是低频SAR技术。
1.1.2 低频SAR的发展历史
人们对SAR技术的研究*早可追溯到20世纪50年代，1951年，在古德伊尔(Goodyear)公司工作的Wiley提出了合成孔径的概念，通过载有较小尺寸天线的平台与目标之间的相对运动，结合相应的信号处理手段，模拟具有超大孔径的雷达天线，使得方位向分辨率提高到实际天线孔径的1/2，且与雷达的探测距离无关，SAR技术由此诞生。1985年，Wiley以其在SAR方面的卓越工作获得了电气与电子工程师协会颁发的先驱奖。1953年，美国伊利诺伊大学的科学家**次试验证实了合成孔径概念的有效性。1957年，密歇根大学得到了世界上**幅全聚焦SAR图像。此后，经过全世界相关国家的不懈努力，各种SAR技术[1-4]如雨后春笋般出现，并在军事领域与民用领域取得了不错的应用效果。
随着SAR技术的发展，SAR体制和工作模式不断创新。低频SAR就是一种具有良好叶簇/浅地表穿透性能的新体制SAR技术。通常将系统发射信号的瞬时相对带宽大于20%或绝对带宽大于500MHz的信号称为超宽带信号[4]。为获得米级/亚米级的距离向高分辨率，SAR系统需发射带宽为几百兆赫兹以上的信号；为了具有良好的叶簇/浅地表穿透能力，SAR系统需工作在甚高频(very high frequency， VHF)/特高频(ultra high frequency，UHF)、L等波段。将低频超宽带技术和SAR技术结合在一起，可实现高分辨率穿透成像，从而生成一种具有特殊功能和*特应用价值的成像雷达。本书中提到的低频SAR主要是指工作在VHF/UHF、L等波段，具有良好叶簇、浅地表等介质穿透性能的SAR技术，其中既包括相对带宽大于20%的超宽带SAR系统，也包括相对带宽小于20%的宽带/窄带SAR系统。
与传统高频SAR相比，低频SAR能够对隐藏在叶簇下的各种人造设施和人造目标进行高分辨率透视探测成像，还可对森林覆盖下的地形进行透视测绘。因此，无论是在民用领域还是军事领域，低频SAR技术都有非常广阔的应用前景，相关技术的研究工作也一直受到重视。高频SAR和低频SAR的叶簇隐蔽目标成像结果对比如图1.1所示。
图1.1 高频SAR和低频SAR的叶簇隐蔽目标成像结果对比
20世纪80年代末，地球遥感研究机构认为SAR能够实现丛林区域的透视成像侦察监视。1988年，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)下属的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory， JPL)开始实施AIRSAR(Airborne Synthetic Aperture Radar)工程，并于2004年推出了机载多频SAR系统。与此同时，其他科研机构也开始了具有叶簇穿透能力的低频SAR系统的研究工作，代表性的单位有：美国斯坦福研究所(Stanford Research Institute， SRI)，瑞典国防研究所(the Swedish Defence Research Agency， FOI)，德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR)，法国国家航空航天研究院(the French Aerospace Lab，ONERA)和国内的国防科技大学、中国电子科技集团第三十八研究所、中国电子科技集团第十四研究所、中国科学院电子学研究所等。随着低频SAR技术研究的深入，一批具有优良穿透性能的低频SAR系统相继问世。利用这些低频SAR系统，世界多个国家开展了大量的外场飞行试验，获取了大量实测数据和具有重要价值的研究成果，有力促进了低频SAR技术的发展和工程应用。
在各国科技工作者的不懈努力下，低频SAR技术发展迅速，具体表现为：低频SAR系统日渐成熟，如低频超宽带信号的产生、发射、接收、采集与存储等技术；低频SAR信息处理技术水平也不断得到提高，如高分辨低频SAR成像算法、高精度运动补偿算法、射频干扰(radio frequency interference， RFI)抑制算法等。伴随着技术的不断进步，低频SAR工作模式和应用范围也在不断拓展。在成像模式方面，从*初的单站低频SAR成像发展到双站低频SAR成像，从直线轨迹低频SAR成像发展到低频圆周SAR成像，从二维低频SAR成像发展到三维低频SAR成像等多种成像模式；在应用范围方面，从*初的隐蔽静止目标成像拓展到隐蔽运动目标探测、遮蔽地形透视测绘、沙漠/冰川透视探测、地物鉴别与分类、地雷/雷场探测、建筑物结构可视化等诸多领域。这些新模式和新应用极大地推动了低频SAR技术的实用化进程，显现出其在国民经济发展和国防安全建设等领域的巨大潜力。
1.2 典型低频SAR系统的介绍
时至今日，世界上已有多个国家开展了机载低频SAR技术的研究工作，代表性国家有美国、瑞典、法国、德国、俄罗斯、中国等。这些国家对机载低频SAR技术开展了深入研究，研制出一批具有优良性能的机载低频SAR系统，取得了很多具有重要理论意义和实用价值的研究成果。本书只选取美国、瑞典、法国、德国、俄罗斯、中国研制的若干**机载低频SAR系统进行简要介绍，供读者参考。
1.2.1 美国
20世纪90年代初，美国将发展低频SAR技术列入国防部关键技术研究计划，特别是吸取了越南战争和海湾战争的教训，美军开始投入大量资金解决已有侦察装备无法发现叶簇遮蔽目标和浅地表掩埋目标的问题。在美国国防部的大力支持下，美国多家科研机构先后研制出多个机载低频SAR系统，如斯坦福研究院(Stanford Research Institute， SRI)研制的FOLPEN(Foliage Penetration)系列低频SAR系统[1]、海军实验室研制的P-3 SAR系统[5-7]、圣地亚国家实验室研制的Twin-Otter SAR系统[8]、空军研究实验室研制的SKY SAR系统、NASA下属JPL研制的AIRSAR(airborne synthetic aperture radar)系统[9]和GeoSAR(geographic synthetic aperture radar)系统[10]以及陆军研究实验室(Army Research Laboratory， ARL)研制的BoomSAR系统[11]等，搭载平台包括有人机、无人机(unmanned aerial vehicle， UAV)、车辆等多种类型。这些系统的成功研制极大地推动了美国低频SAR技术的工程化进程，提升了美国的复杂战场环境感知能力。本节将简要介绍美国研制的四款低频SAR系统，虽然这些系统已不是*新的研究成果，但却是具有代表性的**系统。
1.FOLPEN系列低频SAR系统
美国SRI研制的FOLPEN系列低频SAR系统[1]是世界上*早的低频SAR系统之一。图1.2给出了FOLPEN Ⅱ型低频SAR系统和FOLPEN Ⅲ型低频SAR系统[1]，其中FOLPEN Ⅱ型低频SAR系统为早期试验系统，主要用于分析叶簇穿透性能、验证地雷探测功能，但FOLPEN Ⅱ型低频SAR系统只适用于近距离探测。为解决大范围探测和目标识别问题，SRI又研制出了具有水平/垂直极化发射的双通道极化低频SAR系统，即FOLPEN Ⅲ型低频SAR系统。
图1.2 FOLPEN系列低频SAR系统[1]
受限于脉冲发射机和多偶极天线技术水平，FOLPEN Ⅱ型低频SAR系统的分辨率仅为1m(信号带宽约为200MHz)。与之相比，FOLPEN Ⅲ型低频SAR系统的分辨率可达0.5m。SRI采用反向投影算法(back projection algorithm，BPA)进行成像处理，同时利用基于机载差分全球定位系统(differential global position system，DGPS)测得的运动参数实施高精度运动补偿，从而保证获得中等测绘宽度的高质量低频SAR图像。此外，FOLPEN Ⅲ型低频SAR系统还装配有实时成像处理器和目标检测系统。
1993年，FOLPEN Ⅱ型低频SAR系统在美国缅因州进行了飞行试验。试验中，为便于分析杂波特性和检验系统探测人造目标的识别能力，研究人员在一条狭窄的森林公路上布置了若干辆卡车，FOLPEN Ⅱ型低频SAR系统叶簇隐蔽目标探测结果如图1.3所示。这次飞行试验获得了大量高质量低频SAR实测图像。MIT的林肯实验室对所获得的杂波数据进行了深入分析，得到了一些关于杂波散射、衰减特性的重要结论。
图1.3 FOLPEN Ⅱ型低频SAR系统叶簇隐蔽目标探测结果②
当时，研究人员采用的目标检测算法主要是利用图像处理技术从背景杂波中提取人造目标，并利用传统恒虚警率(constant false alarm rate，CFAR)检测算法实现了10km2内80%的检测概率。这也是世界上*早关于利用机载低频SA
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