深度解析合成孔径雷达系统技术

SAR（Synthetic Aperture Radar），即合成孔径雷达，是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星、宇宙飞船等飞行平台上，全天时、全天候对地实施观测、并具有一定的地表穿透能力。因此，SAR系统在灾害监测、环境监测、海洋监测、资源勘查、农作物估产、测绘和军事等方面的应用上具有独特的优势，可发挥其他遥感手段难以发挥的作用，因此越来越受到世界各国的重视。

合成A孔径雷达（SAR）是一种机载或天基相干雷达系统，它利用飞机的飞行路径来确定非常大的 天线或波束出射面 （光圈） 电子。在较长时间内，完整的发送-接收周期 （PRT）以及相应的精确相对位置数据 的飞机。在给定数量的这些循环之后， 存储的数据在过程计算机中处理。（各个周期的不同多普勒频率包含在几何图形中。因此，在雷达图像中实现了更高的角分辨率， 比天线的实际孔径角允许的要大。

SAR 雷达的工作原理

SAR的工作原理类似于相控阵天线， 但与相控阵天线不同的是，它不使用很多并联天线元件， 但只是一个天线元件，准时分复用。不同的几何位置 是平台飞行速度的结果。

SAR 雷达处理器存储所有振幅和相应的相位位置 从飞行位置开始的时间 T 内所有脉冲序列周期的回波信号 A 到 D。有了这些数据，可以构建一个信号，该信号具有 更大的天线，几何尺寸为 V ·T 将收到， 其中 v 是平台的速度。时间的增加T成为“合成孔径” 的天线，从而带来改进的角度分辨率。

当目标（如船）通过 雷达，开始存储其数据。随着平台向前移动，所有进一步的回声信号 只要目标在天线方向图中，就可以该目标。在此期间平台覆盖的距离决定了 模拟或合成天线尺寸。合成还原 天线的孔径角、测量期间的飞行时间和 可能的覆盖范围（通过 PRF） 是相互依赖的，因此在条带上实现尽可能恒定的角分辨率。

技术要求是：

频率稳定、完全相干的雷达系统

强大的 SAR 处理器和

对运动轨迹和平台速度的准确了解。

图 2：合成孔径是人工拉长的天线

通过这项技术，机载雷达的设计者是 能够为原本极其不切实际的人实现如此好的角度分辨率 需要的天线尺寸几乎无法由飞机运输。

航天飞机雷达地形任务（SRTM） SAR方法也用于航天飞机。

除SAR雷达外，In逆Synthetic Aperture Radar （会计准则专家组），这意味着SAR程序的逆转，因为 以机载雷达的飞行路径为基础，但 定位目标的运动矢量。会计准则专家组进程在船上受到高度重视。海军侦察机，以获得具有这种 保持目标识别成为可能的质量。

聚焦合成孔径雷达

在计算SAR图像时，有必要考虑：目标想象位于合成孔径的近场中。该卫星的轨道高度通常约为800公里。然而，长约1000米的合成孔径的远场只会在X波段超过60,000公里的距离处开始。因此，各个天线位置与地球表面给定点的倾斜距离几乎相同。因此，在矢量求和的情况下，相位差必须由不同的 可以在不同的倾斜距离处校正运输时间。结果称为聚焦SAR。

距离失真

由于 SAR 是由测量引起的，因此测量距离发生失真 在倾斜距离处，地形高程与较低地形的回声 对象相对较早。图中显示了测量的距离 没有反映在实际情况中。

透视缩短是实际距离的缩短表示 （通过透视缩短透视来压缩距离）。例如，在山的情况下，坡度（从山顶点b到脚a） 倾向于雷达。此斜率的长度显示在图像平面中 在一定距离处压缩（从 A' 点到 B' 点）。

图 5：重叠（中途停留）

中途停留是指地形非常陡峭，以至于 到山顶 （B） 的倾斜距离比到山脚 （A） 的距离短。在图像中，甚至两个对象的顺序现在都颠倒了， 点 B' 显示在点 A' 之前的距离处。

图 6：阴影投射

由于以一定角度照亮的地形的高程， 投下阴影。物体的阴影是 随着入射角的增加（如日落）变长。合成孔径雷达最初主要是机载、星载平台，随着技术的发展，出现了弹载、地基SAR、无人机SAR、临近空间平台SAR、手持式设备等多种形式平台搭载的合成孔径雷达，广泛用于军事、民用领域。SAR的未来可能朝着以下几个方向发展：多频，多极化，可变视角，可变波束；超高分辨率，多模式；干涉合成孔径雷达(InSAR)技术、极化干涉合成孔径雷达(Pol-InSAR)技术；动目标检测与动目标成像技术；小卫星雷达技术；SAR校准技术。

合成孔径雷达依次发送电磁波，雷达天线收集，数字化，存储反射回波，供以后处理。随着发送和接收发生在不同的时间，它们映射到不同的位置。接收信号的良好有序的组合构建了比物理天线长度长得多的虚拟光圈。这就是为什么它被称为“合成孔径”，赋予它作为成像雷达的属性。范围方向与飞行轨迹平行，垂直于方位方向，也称为沿轨道方向是因为它与天线的视场内物体的位置一致。

虽然大多数使用遥感的科学家都熟悉来自美国地质调查局的Landsat，NASA的中分辨率成像光谱仪（MODIS）和欧洲航天局的Sentinel-2的被动光学图像，但另一种类型的遥感数据正在掀起波澜：合成孔径雷达或SAR。SAR是一种主动数据收集，其中传感器产生自己的能量，然后记录与地球相互作用后反射回来的能量量。虽然光学图像类似于解释照片，但SAR数据需要不同的思维方式，因为信号对结构和水分等表面特征做出响应。

什么是合成的SAR

雷达数据的空间分辨率与传感器波长与传感器天线长度的比值直接相关。对于给定波长，天线越长，空间分辨率越高。从太空中以约5厘米波长运行的卫星（C波段雷达），为了获得10 m的空间分辨率，您需要一个约4,250 m长的雷达天线。

这种尺寸的天线对于太空中的卫星传感器是不切实际的。因此，科学家和工程师提出了一个聪明的解决方法——合成孔径。在这个概念中，从较短天线的一系列采集组合在一起，以模拟更大的天线，从而提供更高分辨率的数据（查看右侧的几何图）。

频率和波长的作用

光学传感器，如Landsat的可操作陆地成像仪（OLI）和Sentinel-2的多光谱仪器（MSI）收集电磁频谱的可见光，近红外和短波红外部分的数据。雷达传感器在厘米到米尺度上利用更长的波长，这赋予了它特殊的特性，例如能够穿透云层（查看右侧的电磁频谱）。SAR的不同波长通常称为波段，字母名称为X，C，L和P。下表列出了该频段的相关频率、波长和该频段的典型应用。

波长是使用SAR时要考虑的重要特征，因为它决定了雷达信号如何与表面相互作用以及信号可以穿透介质的距离。例如，X波段雷达的工作波长约为3厘米，几乎没有穿透阔叶林的能力，因此主要与树冠顶部的叶子相互作用。另一方面，L波段信号的波长约为23厘米，可以更好地穿透森林，并允许雷达信号与大树枝和树干之间进行更多的相互作用。波长不仅影响对森林的渗透深度，还影响对土壤和冰等其他土地覆盖类型的渗透。

 

例如，科学家和考古学家正在使用SAR数据来帮助“发现”随着时间的推移隐藏在茂密植被或沙漠中的失落城市和城市型基础设施。有关在太空考古中使用SAR的信息，请查看NASA地球天文台的窥视时间之沙和沙下的秘密。

 

偏振和散射机制

雷达还可以通过控制发射和接收路径中分析的极化来收集不同极化的信号。极化是指发射的电磁波振荡的平面方向。虽然方向可以在任何角度发生，但SAR传感器通常传输线性偏振。水平极化用字母H表示，垂直极化用V表示。

雷达传感器的优点是信号极化可以在发射和接收端进行精确控制。垂直 （V） 发射和水平 （H） 极化接收的信号将由 VH 指示。或者，以水平 （H） 发射和以水平 （H） 接收的信号将由 HH 指示，依此类推。根据以下类型的散射，检查这些不同偏振的信号强度会携带有关成像表面结构的信息：粗糙表面、体积和双反弹（下图）。

粗糙的表面散射，例如由裸露的土壤或水引起的散射，对VV散射最敏感。

例如，由森林冠层中的叶子和树枝引起的体积散射对VH或HV等交叉极化数据最敏感。

最后一种类型的散射，双反弹，是由建筑物、树干或淹没的植被引起的，对 HH 偏振信号最敏感。

重要的是要注意，归因于不同散射类型的信号量可能会随着波长的变化而变化，因为波长会改变信号的穿透深度。例如，C波段信号仅穿透森林冠层的顶层，因此将经历大部分粗糙散射和有限量的体积散射混合。然而，L波段或P波段信号将具有更深的穿透力，因此经历强烈增强的体积散射以及由树干引起的增加的双反弹散射量（参见下面的树冠穿透图）。

干涉测量

SAR数据还可以启用称为干涉测量或InSAR的分析方法。InSAR使用传感器记录的相位信息来测量从传感器到目标的距离。当对同一目标进行至少两次观测时，距离以及来自传感器的其他几何信息可用于测量地表地形的变化。这些测量非常准确（高达厘米级！），可用于识别火山爆发和地震等事件的变形区域（查看右侧的干涉图）。

数据可用性

直到最近，一致的SAR数据集才被广泛免费提供，从1年欧洲航天局（ESA）Sentinel-2014a的发射和开放数据政策开始。其他传感器具有历史数据、仅适用于某些区域的图像或需要购买数据的策略。下表列出了已经或正在产生数据的SAR传感器，以及数据参数和访问位置。

合成 孔径雷达（SAR）是一种完全不同的方式，通过主动照亮地面而不是利用来自地面的光线来生成图像 太阳就像光学图像一样。右侧 上图显示了SAR图像与光学图像的极大不同。这些 差异带来了挑战，但也创造了新的能力。一个专业 SAR的优势很简单：即使是最好的飞机安装或卫星安装也 光学相机在夜间不太有用，在云或烟雾时无用 目前。SAR可以在夜间捕获图像，并透过云层看到 烟。这是一项24小时全天候的技术。

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SAR产生相对精细方位角分辨率的能力使其与其他雷达区分开来。为了获得精细的方位角分辨率，需要一个物理上较大的天线将发射和接收的能量聚焦到一个尖锐的波束中。光束的锐度决定了方位角分辨率。同样，光学系统，如望远镜，需要大孔径（类似于雷达天线的镜子或透镜）才能获得精细的成像分辨率。由于SAR的频率远低于光学系统，因此即使是中等SAR分辨率也需要太大的天线，而机载平台实际上无法携带;通常需要数百米长的天线长度。然而，机载雷达可以在飞行这个距离时收集数据，然后像处理来自物理长度天线一样处理数据。飞机在合成天线时的飞行距离称为合成孔径。较窄的合成波束宽度是由相对较长的合成孔径引起的，这比较小的物理天线产生更精细的分辨率。

实现精细方位角分辨率也可以从多普勒处理的角度来描述。目标沿飞行路径的位置决定了其回波的多普勒频率。飞机前方的目标产生正多普勒偏移，而飞机后方的目标产生负偏移。当飞机飞行一段距离（合成孔径）时，回波被解析为多个多普勒频率。目标的多普勒频率决定了其方位角位置。

合成孔径雷达是一种使用无线电波创建图像的方法。SAR中使用的无线电波的波长范围通常从大约3厘米到几米不等，比用于制作光学图像的可见光波长长得多。这些波长落在下图中光谱的微波部分。

雷达是RAdio检测和的首字母缩写 测距。雷达是一个有源系统，它产生自己的无线电波和 将它们从其天线传输到目标。取决于目标 属性和成像几何形状，雷达天线将接收所有，一些， 或者没有无线电波的能量（这是雷达的检测部分）。这 接收到的信号将传播与目标成比例的时间 与天线的距离（这是雷达的测距部分）。

实孔径雷达（RAR）
侧面成像雷达不同于前视雷达，如天气雷达。如果在飞机或轨道卫星中携带放大发射和接收信号的雷达天线，则可以使用雷达来制作下方地面的图像。前视雷达无法创建图像。这种雷达图像是通过向地面和飞机侧面发射射频（RF）能量脉冲，并测量回波强度（有时称为“回波”）和往返天线所需的时间长度而形成的。以这种方式，地面在二维上被“扫描”。一个维度是“范围”维度。根据物体与雷达的距离，物体沿此维度放置。第二个维度是“沿轨道”（或“交叉范围”或“方位角”）维度。在这个维度中，地面由以等于平台（飞机或卫星）速度的速率穿过地面的光束扫描，并根据飞机沿轨道的位置将物体放置在该维度中。图像是由两个维度的反射信号构建的。

空间分辨率，即解析地面物体的能力，与方位方向（平行于飞行方向）相比，在范围方向（垂直于飞行方向）上有所不同。在“实孔径雷达”中，距离分辨率由天线发射的脉冲宽度定义。方位角分辨率由波束在地面上的足迹宽度决定，波束的宽度与天线长度成反比。较短的天线长度对应于较宽的波束宽度（地面上的波束足迹）。因为在太空中飞行足够大的天线以产生合理的方位角分辨率是令人望而却步的，这限制了方位方向的空间分辨率。先进处理算法的发展解决了这个问题，催生了新一代成像雷达，称为合成孔径雷达。

合成孔径雷达（SAR）
为了减轻真实孔径雷达方位角分辨率差的不良影响，利用天线沿方位方向的运动来“合成”或给出长天线的效果

为了减轻真实孔径雷达方位角分辨率差的不良影响，利用天线沿方位方向的运动来“合成”或给出长天线的效果，如图3所示。

这种合成过程是可能的，因为地面上的散射体（目标）保留在许多雷达脉冲的实孔径雷达波束内。将所有这些脉冲的反射适当地相加，可以合成波束宽度更窄的大天线，从而在方位方向上获得更好的空间分辨率。该技术适用于航空系统以及星载系统。

SAR图像解释

虽然 SAR 创建的图像可以渲染为可识别的地形地图，但光学影像和 SAR 影像之间存在重要差异。SAR 影像被视为非文字影像类型，因为它看起来不像人类通常直观的光学影像。必须了解这些方面才能执行准确的图像解释。

阴影 阴影的原因与光学图像中形成阴影
的原因相同：物体阻挡了直接辐射的路径——光学成像中的可见光和SAR情况下的雷达波束。然而，与由于大气散射而可以看到阴影中的物体的光学图像不同，SAR阴影中没有信息，因为没有返回信号。

透视缩短
由于SAR是一种侧视测距仪器，因此反向散射回波将根据目标沿倾斜平面（雷达图像平面）与天线的距离排列在图像中。这会导致影像中出现一些有趣的几何变形，例如透视收缩。如图4所示，斜率A-B在倾斜平面中被压缩，因为雷达信号在到达A点后不久到达B点。这会导致具有坡度的高大物体（例如山）看起来更陡峭，具有薄而明亮的“边缘”外观。请注意，传感器的视角会影响透视收缩;较大的视角会降低效果。

停留 Layover 是透视缩短的一个极端例子，其中物体太高，以至于雷达信号在到达 A 点之前到达 B 点。这会导致来自B点的回波放置在靠近传感器（近距离）的图像上，并遮挡A点，就好像顶部已经覆盖在山脚下一样。

这些现象的影响会根据传感器的视角而改变。较大的视角可增加阴影的效果（延长阴影），同时最小化叠加的效果（减少叠加）。较小的视角具有相反的效果。图 6 给出了这些对崎岖地形的影响示例。同时，图7显示了城市环境中的建筑物如何因相同的效果而扭曲的示例。由于中途停留，所有高层建筑都显得水平布局。

像素亮度

虽然雷达图像可能看起来像单色光学图像，但这种印象具有欺骗性。雷达图像中像素的强度并不表示物体的颜色（如彩色照片）。相反，强度取决于SAR传感器传输的能量（如照明源的亮度），物体的材料属性，物体的物理形状以及观察物体的角度。

 

传感器参数 设计和操作参数
允许工程师控制反射的返回信号（称为反向散射）。工程师对系统和操作参数进行设计和建模，以最大限度地提高雷达回波，从而最大化针对特定目标收集的信息。在设计过程中，选择系统的波长和偏振（如下所述），一旦启动，就无法更改。这些固定的传感器参数在某种程度上决定了特定图像中像素的亮度。

 

波长会影响方位角分辨率，但它对穿透也有重要影响，通常，雷达穿透力随着波长的增加而增加。

如上所述，视角会影响侧倾和阴影，但也会对像素亮度产生影响，因为它会改变雷达波束与物体的交互方式。

发射和接收时的偏振也会影响像素亮度，如下一节所述。

然而，实施所有这些改进确实需要做出艰难的选择。我们将服务开始时间推迟了8个月，以完成和验证红杉的进化设计。卫星的尺寸也翻了一番，从48公斤增加到100公斤。然而，尽管有这些选择，我们对结果感到兴奋 - 世界一流的SAR卫星能够满足客户的需求和期望。

表面参数 影响像素亮度的表面参数
是材料的表面粗糙度，相对于系统波长和散射材料（物体的介电常数）。如果材料的表面粗糙度相对于系统波长是光滑的，则根据反射定律反射雷达波束（图9）。这称为镜面反射。如果表面相对于系统波长是粗糙的，则雷达波束会向各个方向散射。这称为漫散射。不同的表面粗糙度会导致不同数量的漫反射散射和不同的像素亮度。散射材料的介电常数是材料的物理特性，它决定了该材料对电磁波的反射程度。金属物体和水具有更高的介电常数并且反射性更强，但是由于它们相对于系统波长是光滑的，并且通常是平坦的，因此雷达波束被镜面反射，远离传感器。

此外，某些表面特征将 通过反弹多个传感器，导致镜面反射回传感器 表面。双重反射 称为二面体回波，三重反弹回波称为三面体回波 返回。

散斑

SAR是一种相干成像方法，因为雷达波束中的无线电波在空间和时间上是对齐的。这种相干性提供了许多优点（合成孔径过程需要它），但它会导致一种称为斑点的现象。斑点是像素亮度的“盐和胡椒”变化，会降低SAR图像的质量，使图像解释更加困难。出现斑点是因为给定像素中通常存在许多单独的散射，这会导致像素之间的正（盐）和负（胡椒）干涉，否则反向散射返回恒定。

 

下一步是什么

通过使用巧妙的信号处理，SAR可以创建比其他方式更高分辨率的雷达图像。SAR 影像提供有关地面上的信息，但失真和斑点使这些影像与光学影像大不相同。

 

编辑：黄飞