SAR的基础知识和处理过程详解

合成孔径雷达天线往往仅用单个辐射单元，沿一直线依次在若干个位置平移，且在每一个位置发射一个脉冲信号，接收相应发射位置的雷达回波信号并储存起来，然后通过信号处理的方法产生一个等效的长的线性阵列天线。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，可有效地识别伪装和穿透掩盖物。

要想通过在不同的位置发射信号并收集后再联合处理，那么首先就要确保发射的脉冲是相参的，相参性是SAR系统获得高分辨率的必要条件。

发射信号、本振电压、相参震荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供，接收机也需要具备很高的时间精度。

随着平台的运动，地面目标逐渐进入雷达波束，平台接近目标时多普勒频率为正，远离目标时为负，频率随时间变化曲线的斜率为负，目标的多普勒历程如下图所示。

SAR的距离和方位分辨率

SAR通过脉冲压缩技术改善距离分辨率，它与发射信号的带宽有关，带宽越大，分辨率越小；通过合成孔径技术改善方位分辨力，条带SAR理论上可以达到天线尺寸的1/2，聚束SAR分辨率更小。

高的分辨力要求采用小的天线而不是大的天线，并且与距离和波长无关。当然，受到其他因素的影响，天线孔径也不可能无限小。

SAR回波存储

SAR是需要存储雷达回波，由于数据不是同时采集的，需要对一定的时间间隔内接收的信号进行运算。A/D转换之后对数字信号进行存储，选择存储介质必须考虑到信息记录的速率、记录的数据容量、完成方位压缩和脉冲压缩时存储数据的读取速度。

SAR处理过程

SAR天线在每个位置发射脉冲信号并接收目标回波并按顺序存储，然后通过二维匹配滤波实现目标的距离和方位向的高分辨。

SAR信号处理是假定雷达随飞机做直线等速飞行。实际上，运载天线的飞行器总是与这种典型的直线等速飞行状态有偏差的。因此就需要用辅助设备来补偿非直线运动。

运动补偿设备必须包含能检测飞行路线与直线路径偏离的传感器，可以用各种方式使用此敏感元件的输出。为了完善运动补偿，还必须调整接收信号的相位，以补偿实际天线与理想的形成合成天线位置之间的偏移。

SAR极化

极化是电磁波的本质属性之一，是除频率、幅度、相位之外的又一维重要信息。电磁波的传播和散射都是矢量现象，而极化正是用来研究电磁波的这种矢量特征。SAR系统常用四种极化方式——HH、VV、HV、VH。

雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长，雷达信号可以传送水平(H)或者垂直(V)电场矢量，接收水平(H)或者垂直(V)或者两者的返回信号。

单极化是指(HH)或者(VV)，就是水平发射水平接收或垂直发射垂直接收。气象雷达领域那一般都是(HH)。双极化是指在一种极化模式的同时，加上了另一种极化模式，如(HH：水平发射水平接收)和(HV：水平发射垂直接收)。全极化技术难度最高，要求同时发射H和V，也就是HH/HV/VV/VH四种极化方式。

电磁波的极化对目标的介电常数、物理特性、几何形状和取向等比较敏感，因而极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力。下图是同一个地区不同极化方式下的成像结果。

雷达极化已经发展成为一种比较成熟的技术，在农业(分辨不同的农作物耕地)、森林(植被高度、衰减系数等生物量的估计、物种识别)、地质(地质结构描述)、水文(表面粗糙度和土壤湿度估计、雪湿度估计)、海冰监测(冰龄和厚度估计)和海洋学(波特性估计，热和波前探测)等很大范围内都得到广泛的研究和应用。

水平极化波和垂直极化波在地物或海洋的后向散射系数和相位特性均不相同，因此除了通过多波段来增加遥感的信息含量，也可以通过不同的极化来提高目标的识别的准确度。

通过对雷达目标和地物杂波的极化特性测量与分析，可以实现对不同目标的分类与识别，这在雷达抗干扰领域的作用也日渐突出。

SAR波段

雷达波段的选择可以说是相当重要，对于星载SAR，波段选择主要考虑了大气传输窗口、频率和极化对信息提取的影响，图像质量与设备复杂度之间的权衡等因素。

大气窗口都知道，大气中的氧和水分子、云雾和雨雹等对高频电磁能量吸收明显，在几个频率上有尖锐的吸收峰值，并且雷达信号在穿透电离层和对流层时会产生相位失真、极化旋转和损耗等，从而使图像出现误差、甚至难以成像。

1GHz频率以下，虽然大气对电磁波的吸收不明显，但是存在明显的极化旋转效应，因此星载SAR的工作频段适宜选择L、C、X波段。

星载SAR观测的后向散射波既包含目标表面发射波，还包含穿透得到的回波。波长越长、穿透能力越强，这种穿透作用在稠密作物或树木的情况下特别明显，从而产生多路径反射，从而形成了极化旋转。

X波段适合对冰的观测和分类，以及对海面污染情况的观察；L波段适合对淡水和穿透地下目标的观测；C波段适合观察海洋上的强目标。

审核编辑：刘清