合成孔径雷达的历史
卡尔·威利，[44] 1951年6月，一位数学家在为阿特拉斯洲际弹道导弹计划研究相关制导系统时，发明了合成孔径雷达。[45] 1952年初，威利与弗雷德·海斯利和比尔·韦尔蒂一起，构建了一个被称为“多普勒无参数搜索雷达”的概念验证系统。在20世纪50年代和60年代，Goodyear(后来的Goodyear航空公司)在合成孔径雷达技术上引入了许多技术，其中许多都是在唐·贝克勒尔的帮助下实现的。[46]
1952年初，舍温等人在伊利诺伊大学控制系统实验室进行的独立于威利工作的实验表明，他们指出“可以为雷达系统大幅提高角分辨率”，甚至可能导致系统能够同时在所有范围内进行聚焦。[47]
在这两个程序中，雷达回波的处理都是通过电路滤波方法完成的。本质上，多普勒频率的孤立离散频带中的信号强度定义了图像强度，该图像强度显示在适当范围位置内的匹配角度位置。当只使用返回信号的中心部分(零多普勒频带)时，效果就好像只存在于波束的中心部分。这导致了多普勒波束锐化。显示几个相邻非零多普勒频带的回波实现了进一步的“波束细分”(有时称为“非聚焦雷达”，可以被认为是“半聚焦的”)。威利的ZL申请于1954年，提出了类似的处理方法。当时需要使用的电路过于庞大，限制了这些方案进一步提高分辨率的程度。
该原则已被纳入备忘录[48] ，由通用电气公司的沃尔特·豪斯撰写，同时也是1952年国防部夏季研究会议“陆军之眼”秘密报告的一部分，[49] 它试图找出对情报侦察和技术收集游有用的新技术。1953年密歇根大学的一个名为Project Wolverine的后续夏季项目确定了TEOTA的几个主题，包括多普勒辅助的亚波束宽度分辨率，作为由国防部在各种学术和工业研究实验室赞助的研究工作。同年，伊利诺伊州小组制作了一幅“带状地图”图像，显示出相当数量的子波束宽度分辨率。
一个更先进的聚焦雷达项目是在1953年分配给密歇根大学的几个遥感项目之一，这是密歇根大学威洛润研究中心(WRRC)的一个由三个部门赞助的(陆军、海军、空军)项目，该项目由陆军通信兵分部管理。最初被称为侧视雷达项目，由一个最初被称为雷达实验室，后来被称为雷达和光学实验室的小组承担。它建议不仅要考虑几个特定多普勒频移的短期存在，还要考虑当每个目标穿过波束时其频移稳定变化的整个历程。该小组的路易斯·卡斯托纳博士、韦斯顿·薇薇安博士和埃米特·n·利斯博士的早期分析表明，这样一个完全聚焦的系统应该在所有范围内产生与雷达飞机上携带的真实天线的宽度(或者，根据某些标准，半宽度)相等的分辨率，并且持续地指向飞行路径的侧面。[50]
所需的数据处理相当于计算接收信号与期望来自不同范围的单位幅度源的信号形式样本的互相关。当时，即使是大型数字计算机的能力也与今天的四功能手持计算器相当，因此远远不能进行如此大量的计算。相反，进行相关计算的设备是光学相关器。
有人建议，由移动天线接收并将相干检测的信号显示为一条穿过阴极射线管面直径的单距离迹线，该线的连续形式被记录为投影到垂直于该线长度移动的胶片图像上。关于显影胶片的信息随后将在实验室中处理，设备仍有待作为项目的主要任务进行设计。在最初的处理器方案中，通过使光连续穿过信号膜和包含已知信号图案的另一个膜，透镜的布置预期将记录的信号与已知信号形式逐点相乘。相关的后续求和或积分步骤是通过一个或多个球面和柱面透镜的聚焦作用会聚适当的乘法乘积集来完成的。该处理器实际上是一台光学模拟计算机，可以同时在许多通道(有许多光线)中进行大规模标量算术计算。最终，将需要两个特定的器件，将它们的输出组合为完整解决方案的正交分量。
幸运的是(事实证明)，小设备在35毫米胶片上记录了参考图案。试验迅速表明，薄膜上的图案非常精细，以至于显示出明显的衍射效应，阻止了聚焦。[42]
这使得设计相关器的物理学家利斯认识到，通过自然过程，这些效应本身可以完成所需处理的很大一部分，因为沿着记录轨道的条带就像一系列圆形光学区域板的直径切片一样。任何板的性能都有点像透镜，每个板对于任何给定的波长都具有特定的焦距。标量的记录被认为是许多空间频率矢量的相反符号矢量对加上零频率“偏差”量。其中所需的相关求和从一对标量和变为一个矢量求和。
每个区域板带具有两个相等但符号相反的焦距，一个是实数，透过它的光束汇聚到一个焦点，另一个是虚数，另一个光束似乎已经发散至区域板的另一面。零频率(DC偏置)分量没有焦点，但是覆盖会聚光束和发散光束。从会聚波分量中获得没有被来自另外两个分量的不需要的雾度覆盖的聚焦图像的关键是阻止后者，只允许想要的光束通过适当定位的频带选择孔径。
每个雷达距离产生一个焦距与该距离成比例的区域板条。这一事实成为光处理器设计中的主要难题。因此，当时的技术期刊包含了大量的材料，致力于如何应对范围变焦。
对于这种方法上的重大改变，所用的光必须是单色的和相干的，这已经是雷达辐射的一个要求。激光也是如此，当时对相干光源最好的近似是汞蒸汽灯的输出，通过与光谱绿色波段匹配的滤色器，然后尽可能集中到非常小的限束孔径上。虽然由此产生的光量非常弱，以至于必须使用非常长的曝光时间，但是及时组装一个可使用的光学相关器，所得到的数据是可用的。
虽然基于已知的技术制造雷达是一项更简单的任务，但这项工作需要达到信号线性度和频率稳定性的最高水平却是比较困难的。因为这架飞机是由美国陆军保释到WRRC的，由WRRC自己的飞行员和地面人员驾驶和维护，所以它可以用于许多飞行，有时符合雷达实验室的需要，这一特性对于允许不断发展的复杂设备的频繁重新测试和“调试”很重要。相比之下，伊利诺伊集团使用的是空军的一架C-46飞机，空军飞行员只能通过预先安排进行飞行，在这些研究人员看来，这限制了他们设备的飞行测试频率，因此测试反馈带宽较低。(后来与新的康维尔飞机的合作继续了密歇根集团对航班时刻表的本地控制。)
密歇根大学选择的5英尺（1.5米）大小二战剩余天线，理论上具有5英尺（1.5米）分辨率，但最初只使用了10%波束宽度的数据，当时的目标是演示50英尺（15米）的分辨率。可以理解，更高的理论分辨率需要增加一些手段，用于检测飞机偏离理想航向和飞行路径的情况，并在处理前利用这些信息对天线指向和接收信号进行必要的校正。经过无数次试验，即使是很小的大气湍流也无法让飞机保持直线和水平飞行，也可以获得50英尺（15米）数据，1957年8月一次黎明前的飞行[51]， 生成了一张类似地图的Willow Run Airport区域的图片，图像的某些部分具有50英尺（15米）的分辨率，而照明波束的宽度900英尺（270米）。由于缺乏结果，国防部已经考虑终止该项目，但第一次成功确保了进一步的资金投入，以继续开发，从而解决这些公认的需求。
1960年4月，美国陆军试验性AN/UPD-1系统的新闻稿首次公开承认了合成孔径雷达原理，该系统由得克萨斯仪器公司制造的机载元件和由WRRC制造的安装在军用货车上的移动式地面数据处理站组成。当时，数据处理器的性质还没有透露。1961年2月在《IRE(无线电工程师学会)军事电子专业小组杂志》上发表的一篇技术文章[52] 描述了合成孔径雷达的原理以及C-46和AN/UPD-1的版本，但没有说明数据是如何处理的，也没有说明UPD-1的最大分辨率是多少。然而，1960年6月号的IRE信息论专业小组发表了一篇很长的文章[53] 关于密歇根大学的“光学数据处理和过滤系统”。虽然没有提到雷达使用这些技术，但这两种期刊的读者可以很容易地理解这些文章之间的联系。
在F-4“幻影”飞机的侦察版本中携带的操作系统很快被设计出来，并在越南短暂使用，但由于其低分辨率(类似于UPD-1)，相干波图像的特殊性(类似于激光图像的特殊性)，以及其距离/交叉距离图像与军用照片判读员熟悉的角度/角度光学图像之间的差异大而难以被理解，因此未能给用户留下良好印象。它提供的经验教训被后来的研究人员、作战系统设计人员、图像解释培训人员以及国防部进一步开发和采购的赞助者很好的采纳。
在随后的工作中，这项技术的潜在能力最终得以实现。这项工作依赖于先进的雷达电路设计和对偏离理想直线飞行的精确检测，以及使用更复杂的光学处理器和特别设计的由透明的玻璃制成的非常大的透镜对激光源进行处理，使得密歇根团队能够在大约5年的时间内将系统分辨率提高至15英尺（4.6米）及随后的5英尺（1.5米），到1970年代中期达到1英尺(后者仅在非常短的距离间隔内，而处理仍在光学上进行)。后一级和相关的非常宽的动态范围被证明适用于识别许多军事物体，以及土壤、水、植被和冰的特征，这些特征正由具有安全许可的各种环境研究人员进行研究，允许他们访问当时被分类的图像。类似的改进操作系统很快就遵循了每一个更精细的步骤。
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5英尺（1.5米）的分辨率阶段已经过度消耗阴极射线管(在屏幕直径上限制在大约2000个可区分的元素)，提供足够精细的细节信号，同时仍然覆盖宽范围的条带，并且以类似的方式消耗光学处理系统。然而，大约在同一时间，数字计算机最终能够进行处理，而没有类似的限制，并且随后在阴极射线管监视器（不是在胶片上）上呈现图像，并且可以更好地控制色调再现和图像测量。
通过增加摆动较大机载天线的能力来辅助实现远距离的最佳分辨率，以便在收集多个方面的数据的同时，持续更强地照亮有限的目标区域，从而消除先前对天线宽度分辨率的限制。这被称为聚光灯模式，不再产生连续条带的图像，而是孤立地形的图像。
在合成孔径雷达发展的很早阶段，人们就知道大气层外极其平滑的轨道路径使其非常适合合成孔径雷达的运行。人造地球卫星的早期经验还表明，穿过电离层和大气层的信号的多普勒频移足够稳定，即使在数百公里的范围内也可以实现非常高的分辨率。[54] 同时通过现在称为奎尔卫星的项目对这些事实进行进一步的实验验证 [55] (于2012年解密)，该项目发生在初始工作开始后的第二个十年内，创建分类系统的一些能力在接下来的二十年中并不存在。
这种看似缓慢的进步速度经常与其他发明的进步同步，如激光、数字计算机、电路小型化和紧凑的数据存储。一旦激光出现，光学数据处理就成了一个快速的过程，因为它提供了许多并行的模拟通道，但是设计适合于将信号焦距与经过许多阶段的范围相匹配的光学链，仍然需要一些新的光学元件。由于这个过程依赖光波的衍射，它需要防振装置、无尘环境和训练有素的操作人员。即使在最好的情况下，使用CrT和胶片进行数据存储也限制了图像的深度范围。
某段时间，实现对数字计算设备的过于乐观的期望被证明需要比预期长得多的时间。例如，海洋卫星系统在其数字处理器可用之前就已准备好进入轨道，因此必须使用快速组装的光学记录和处理方案来获得系统运行的及时确认。1978年，加拿大航空航天公司开发了第一台数字合成孔径雷达处理器由麦克唐纳·德特威勒开发。[56] 当它的数字处理器最终完成并投入使用时，当时的数字设备从每一次运行的几秒钟数据中产生一幅图像需要花费几个小时。[57] 尽管速度有所下降，但图像质量却有所提高。现代方法既保证了高速性又提供了高质量。
虽然以上只说明了少数组织对系统开发的贡献，但随着合成孔径雷达的价值越来越明显，许多其他团体也成为了参与者。对最初的长期发展进程的组织和资金特别重要的是联邦政府设备采购机构中的一些文职和军警项目经理的技术专长和远见，特别是武装部队和情报机构以及一些民用空间机构。
由于许多出版物和网站都提到一位年轻的麻省理工物理毕业生罗伯特·瑞恩斯在20世纪40年代发明了高分辨率雷达，接触过这种雷达的人可能会想为什么这里没有提到这一点。事实上，他的几项雷达图像相关ZL [58] 实际上并没有实现高分辨率目标。相反，他们假设雷达目标场的高分辨率图像可以通过已知的“介电透镜”来实现，这些ZL的创造性部分是将微波形成的图像转换成可见图像的方法。然而，这种假设不正确地暗示了这样的透镜和它们的图像的尺寸可以与它们的光波对应物相媲美，而微波的巨大波长实际上需要透镜具有几千英尺(或米)宽的孔径，就像SAR模拟的那样，并且图像会相对较大。显然，这位发明家不仅没有认识到这一事实，而且批准了他几项申请的ZL审查员也没有认识到这一点，那些如此广泛地传播这个错误故事的人也没有认识到这一点。寻求了解合成孔径雷达的人不应被这些ZL所误导。
