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788 2018 年 9 月

目标退出波束。合成孔径阵元数为 N，合成孔径
1 引言 λ
长为 D = R × θ = = R× ，合成孔径波束开角为
L
合成孔径成像自 20 世纪 50 年代提出，应用于 λ λ L
θ syn = = = 。
雷达成像，历经70年的研发，已经日趋成熟，成功地 D R × (λ/L) R
用于环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事等 采样结束，合成孔径波束形成后处理时，对
领域。受物理环境制约，合成孔径在声呐成像中的 不同位置的回波信号进行相干叠加，需要计算阵
研发与应用起步稍迟，滞后于雷达，近年来在民用 元发射信号至目标、目标反射信号返回阵元的往
及军事领域的研究与应用进展加速。此外，近年来 返声程 2R。因此，合成孔径波束开角实际应为
λ λ L
合成孔径成像在声学无损检测、医学超声成像等领 θ syn = = = 。距直线轨迹垂
2D 2R × (λ/L) 2R
域的研发也有长足进步，并扩展到其他领域如光学、
直距离为 R 时，合成孔径波束形成的线分辨率为
微波成像等。本文简要介绍了条带合成孔径成像的 L L
原理及其在雷达、声呐、无损检测及医学影像等方 δ syn = R × θ syn = R × 2R = 2 。
面的应用及发展。 20 世纪 50 年代在雷达成像中提出 “合成孔径”
原理时，称为 “多普勒波束锐化”。这时在频率域对
2 合成孔径成像原理 合成孔径成像的解释如图2所示。

条带合成孔径成像利用小孔径基阵，在直线运
动轨迹上均速移动，并在确定位置顺序发射，接收并
存储回波信号。根据空间位置和相位关系对不同位 A
置的回波信号进行相干叠加处理，合成虚拟大孔径 θ θ
的基阵，从而获得沿运动方向的高分辨率。 R 0 R
在 1985 年的先驱奖故事中，合成孔径雷达
 x/vt x
(Synthetic aperture radar, SAR)的发明者Wiley [1]
谦逊地说：我有幸想到了一个基本想法，我称之为 图 2 多普勒频移原理
多普勒波束锐化(Doppler beam sharpening, DBS)， Fig. 2 Principle of Doppler frequency shift
而不是合成孔径雷达。和所有信号处理一样，有一
实孔径为D 的雷达天线或声呐换能器阵元沿x
个双重理论：一个是频域解释，这是多普勒分析；在
轴自左至右匀速运行，发射并接收位于 A 的点目标
时域内分析系统，这就是合成孔径雷达。在时间域
的回波信号。阵元速度为v，在x轴上位置为x = vt。
对合成孔径成像的“合成阵列”的解释如图1所示。
回波信号的多普勒频移为

2v 2v 2v 2v 2
f d = sin θ ≈ tanθ = x = t. (1)
N λ λ R 0 λ R 0 λ
df d 2v 2
R ，点目标进
D 多普勒频移变化率 µ = =
dt R 0 λ
R 0 λ
θ = c，回波信号
L 1 入并退出波束的持续时间为 T =
Dv
的多普勒带宽为B d = Tµ = 2v/D。
因此，合成孔径线分辨率为
图 1 合成阵列原理
v D
Fig. 1 Principle of synthetic array δ sa = = . (2)
B d 2
其中，阵元或天线水平长度为 L，水平波束开 π 2v 4v
极限情况：θ max = ，f max = ，B max = 。
角为 θ = = λ/L。工作频率时，波长为 λ。阵元行进 2 λ λ
合成孔径极限分辨率为
轨迹为直线，点目标与行进轨迹的垂直距离为 R。
v λ
阵元在位置 1 时，目标进入波束；阵元在位置 N 时， δ max = = . (3)
B d 4