深度解析合成孔徑雷達系統技術

SAR（Synthetic Aperture Radar），即合成孔徑雷達，是一種主動式的對地觀測系統，可安裝在飛機、衛星、宇宙飛船等飛行平臺上，全天時、全天候對地實施觀測、并具有一定的地表穿透能力。因此，SAR系統在災害監測、環境監測、海洋監測、資源勘查、農作物估產、測繪和軍事等方面的應用上具有獨特的優勢，可發揮其他遙感手段難以發揮的作用，因此越來越受到世界各國的重視。

合成A孔徑雷達（SAR）是一種機載或天基相干雷達系統，它利用飛機的飛行路徑來確定非常大的 天線或波束出射面 （光圈） 電子。在較長時間內，完整的發送-接收周期 （PRT）以及相應的精確相對位置數據 的飛機。在給定數量的這些循環之后， 存儲的數據在過程計算機中處理。（各個周期的不同多普勒頻率包含在幾何圖形中。因此，在雷達圖像中實現了更高的角分辨率， 比天線的實際孔徑角允許的要大。

SAR 雷達的工作原理

SAR的工作原理類似于相控陣天線， 但與相控陣天線不同的是，它不使用很多并聯天線元件， 但只是一個天線元件，準時分復用。不同的幾何位置 是平臺飛行速度的結果。

SAR 雷達處理器存儲所有振幅和相應的相位位置 從飛行位置開始的時間 T 內所有脈沖序列周期的回波信號 A 到 D。有了這些數據，可以構建一個信號，該信號具有 更大的天線，幾何尺寸為 V ·T 將收到， 其中 v 是平臺的速度。時間的增加T成為“合成孔徑” 的天線，從而帶來改進的角度分辨率。

當目標（如船）通過 雷達，開始存儲其數據。隨著平臺向前移動，所有進一步的回聲信號 只要目標在天線方向圖中，就可以該目標。在此期間平臺覆蓋的距離決定了 模擬或合成天線尺寸。合成還原 天線的孔徑角、測量期間的飛行時間和 可能的覆蓋范圍（通過 PRF） 是相互依賴的，因此在條帶上實現盡可能恒定的角分辨率。

技術要求是：

頻率穩定、完全相干的雷達系統

強大的 SAR 處理器和

對運動軌跡和平臺速度的準確了解。

圖 2：合成孔徑是人工拉長的天線

通過這項技術，機載雷達的設計者是 能夠為原本極其不切實際的人實現如此好的角度分辨率 需要的天線尺寸幾乎無法由飛機運輸。

航天飛機雷達地形任務（SRTM） SAR方法也用于航天飛機。

除SAR雷達外，In逆Synthetic Aperture Radar （會計準則專家組），這意味著SAR程序的逆轉，因為 以機載雷達的飛行路徑為基礎，但 定位目標的運動矢量。會計準則專家組進程在船上受到高度重視。海軍偵察機，以獲得具有這種 保持目標識別成為可能的質量。

聚焦合成孔徑雷達

在計算SAR圖像時，有必要考慮：目標想象位于合成孔徑的近場中。該衛星的軌道高度通常約為800公里。然而，長約1000米的合成孔徑的遠場只會在X波段超過60,000公里的距離處開始。因此，各個天線位置與地球表面給定點的傾斜距離幾乎相同。因此，在矢量求和的情況下，相位差必須由不同的 可以在不同的傾斜距離處校正運輸時間。結果稱為聚焦SAR。

距離失真

由于 SAR 是由測量引起的，因此測量距離發生失真 在傾斜距離處，地形高程與較低地形的回聲 對象相對較早。圖中顯示了測量的距離 沒有反映在實際情況中。

透視縮短是實際距離的縮短表示 （通過透視縮短透視來壓縮距離）。例如，在山的情況下，坡度（從山頂點b到腳a） 傾向于雷達。此斜率的長度顯示在圖像平面中 在一定距離處壓縮（從 A' 點到 B'?點）。

圖 5：重疊（中途停留）

中途停留是指地形非常陡峭，以至于 到山頂 （B） 的傾斜距離比到山腳 （A） 的距離短。在圖像中，甚至兩個對象的順序現在都顛倒了，?點 B' 顯示在點 A'?之前的距離處。

圖 6：陰影投射

由于以一定角度照亮的地形的高程，?投下陰影。物體的陰影是 隨著入射角的增加（如日落）變長。合成孔徑雷達最初主要是機載、星載平臺，隨著技術的發展，出現了彈載、地基SAR、無人機SAR、臨近空間平臺SAR、手持式設備等多種形式平臺搭載的合成孔徑雷達，廣泛用于軍事、民用領域。SAR的未來可能朝著以下幾個方向發展：多頻，多極化，可變視角，可變波束；超高分辨率，多模式；干涉合成孔徑雷達(InSAR)技術、極化干涉合成孔徑雷達(Pol-InSAR)技術；動目標檢測與動目標成像技術；小衛星雷達技術；SAR校準技術。

合成孔徑雷達依次發送電磁波，雷達天線收集，數字化，存儲反射回波，供以后處理。隨著發送和接收發生在不同的時間，它們映射到不同的位置。接收信號的良好有序的組合構建了比物理天線長度長得多的虛擬光圈。這就是為什么它被稱為“合成孔徑”，賦予它作為成像雷達的屬性。范圍方向與飛行軌跡平行，垂直于方位方向，也稱為沿軌道方向是因為它與天線的視場內物體的位置一致。

雖然大多數使用遙感的科學家都熟悉來自美國地質調查局的Landsat，NASA的中分辨率成像光譜儀（MODIS）和歐洲航天局的Sentinel-2的被動光學圖像，但另一種類型的遙感數據正在掀起波瀾：合成孔徑雷達或SAR。SAR是一種主動數據收集，其中傳感器產生自己的能量，然后記錄與地球相互作用后反射回來的能量量。雖然光學圖像類似于解釋照片，但SAR數據需要不同的思維方式，因為信號對結構和水分等表面特征做出響應。

什么是合成的SAR

雷達數據的空間分辨率與傳感器波長與傳感器天線長度的比值直接相關。對于給定波長，天線越長，空間分辨率越高。從太空中以約5厘米波長運行的衛星（C波段雷達），為了獲得10 m的空間分辨率，您需要一個約4,250 m長的雷達天線。

這種尺寸的天線對于太空中的衛星傳感器是不切實際的。因此，科學家和工程師提出了一個聰明的解決方法——合成孔徑。在這個概念中，從較短天線的一系列采集組合在一起，以模擬更大的天線，從而提供更高分辨率的數據（查看右側的幾何圖）。

頻率和波長的作用

光學傳感器，如Landsat的可操作陸地成像儀（OLI）和Sentinel-2的多光譜儀器（MSI）收集電磁頻譜的可見光，近紅外和短波紅外部分的數據。雷達傳感器在厘米到米尺度上利用更長的波長，這賦予了它特殊的特性，例如能夠穿透云層（查看右側的電磁頻譜）。SAR的不同波長通常稱為波段，字母名稱為X，C，L和P。下表列出了該頻段的相關頻率、波長和該頻段的典型應用。

波長是使用SAR時要考慮的重要特征，因為它決定了雷達信號如何與表面相互作用以及信號可以穿透介質的距離。例如，X波段雷達的工作波長約為3厘米，幾乎沒有穿透闊葉林的能力，因此主要與樹冠頂部的葉子相互作用。另一方面，L波段信號的波長約為23厘米，可以更好地穿透森林，并允許雷達信號與大樹枝和樹干之間進行更多的相互作用。波長不僅影響對森林的滲透深度，還影響對土壤和冰等其他土地覆蓋類型的滲透。

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例如，科學家和考古學家正在使用SAR數據來幫助“發現”隨著時間的推移隱藏在茂密植被或沙漠中的失落城市和城市型基礎設施。有關在太空考古中使用SAR的信息，請查看NASA地球天文臺的窺視時間之沙和沙下的秘密。

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偏振和散射機制

雷達還可以通過控制發射和接收路徑中分析的極化來收集不同極化的信號。極化是指發射的電磁波振蕩的平面方向。雖然方向可以在任何角度發生，但SAR傳感器通常傳輸線性偏振。水平極化用字母H表示，垂直極化用V表示。

雷達傳感器的優點是信號極化可以在發射和接收端進行精確控制。垂直 （V） 發射和水平 （H） 極化接收的信號將由 VH 指示?；蛘?，以水平 （H） 發射和以水平 （H） 接收的信號將由 HH 指示，依此類推。根據以下類型的散射，檢查這些不同偏振的信號強度會攜帶有關成像表面結構的信息：粗糙表面、體積和雙反彈（下圖）。

粗糙的表面散射，例如由裸露的土壤或水引起的散射，對VV散射最敏感。

例如，由森林冠層中的葉子和樹枝引起的體積散射對VH或HV等交叉極化數據最敏感。

最后一種類型的散射，雙反彈，是由建筑物、樹干或淹沒的植被引起的，對 HH 偏振信號最敏感。

重要的是要注意，歸因于不同散射類型的信號量可能會隨著波長的變化而變化，因為波長會改變信號的穿透深度。例如，C波段信號僅穿透森林冠層的頂層，因此將經歷大部分粗糙散射和有限量的體積散射混合。然而，L波段或P波段信號將具有更深的穿透力，因此經歷強烈增強的體積散射以及由樹干引起的增加的雙反彈散射量（參見下面的樹冠穿透圖）。

干涉測量

SAR數據還可以啟用稱為干涉測量或InSAR的分析方法。InSAR使用傳感器記錄的相位信息來測量從傳感器到目標的距離。當對同一目標進行至少兩次觀測時，距離以及來自傳感器的其他幾何信息可用于測量地表地形的變化。這些測量非常準確（高達厘米級?。?，可用于識別火山爆發和地震等事件的變形區域（查看右側的干涉圖）。

數據可用性

直到最近，一致的SAR數據集才被廣泛免費提供，從1年歐洲航天局（ESA）Sentinel-2014a的發射和開放數據政策開始。其他傳感器具有歷史數據、僅適用于某些區域的圖像或需要購買數據的策略。下表列出了已經或正在產生數據的SAR傳感器，以及數據參數和訪問位置。

合成 孔徑雷達（SAR）是一種完全不同的方式，通過主動照亮地面而不是利用來自地面的光線來生成圖像 太陽就像光學圖像一樣。右側 上圖顯示了SAR圖像與光學圖像的極大不同。這些 差異帶來了挑戰，但也創造了新的能力。一個專業 SAR的優勢很簡單：即使是最好的飛機安裝或衛星安裝也 光學相機在夜間不太有用，在云或煙霧時無用 目前。SAR可以在夜間捕獲圖像，并透過云層看到 煙。這是一項24小時全天候的技術。

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SAR產生相對精細方位角分辨率的能力使其與其他雷達區分開來。為了獲得精細的方位角分辨率，需要一個物理上較大的天線將發射和接收的能量聚焦到一個尖銳的波束中。光束的銳度決定了方位角分辨率。同樣，光學系統，如望遠鏡，需要大孔徑（類似于雷達天線的鏡子或透鏡）才能獲得精細的成像分辨率。由于SAR的頻率遠低于光學系統，因此即使是中等SAR分辨率也需要太大的天線，而機載平臺實際上無法攜帶;通常需要數百米長的天線長度。然而，機載雷達可以在飛行這個距離時收集數據，然后像處理來自物理長度天線一樣處理數據。飛機在合成天線時的飛行距離稱為合成孔徑。較窄的合成波束寬度是由相對較長的合成孔徑引起的，這比較小的物理天線產生更精細的分辨率。

實現精細方位角分辨率也可以從多普勒處理的角度來描述。目標沿飛行路徑的位置決定了其回波的多普勒頻率。飛機前方的目標產生正多普勒偏移，而飛機后方的目標產生負偏移。當飛機飛行一段距離（合成孔徑）時，回波被解析為多個多普勒頻率。目標的多普勒頻率決定了其方位角位置。

合成孔徑雷達是一種使用無線電波創建圖像的方法。SAR中使用的無線電波的波長范圍通常從大約3厘米到幾米不等，比用于制作光學圖像的可見光波長長得多。這些波長落在下圖中光譜的微波部分。

雷達是RAdio檢測和的首字母縮寫 測距。雷達是一個有源系統，它產生自己的無線電波和 將它們從其天線傳輸到目標。取決于目標 屬性和成像幾何形狀，雷達天線將接收所有，一些， 或者沒有無線電波的能量（這是雷達的檢測部分）。這 接收到的信號將傳播與目標成比例的時間 與天線的距離（這是雷達的測距部分）。

實孔徑雷達（RAR）
側面成像雷達不同于前視雷達，如天氣雷達。如果在飛機或軌道衛星中攜帶放大發射和接收信號的雷達天線，則可以使用雷達來制作下方地面的圖像。前視雷達無法創建圖像。這種雷達圖像是通過向地面和飛機側面發射射頻（RF）能量脈沖，并測量回波強度（有時稱為“回波”）和往返天線所需的時間長度而形成的。以這種方式，地面在二維上被“掃描”。一個維度是“范圍”維度。根據物體與雷達的距離，物體沿此維度放置。第二個維度是“沿軌道”（或“交叉范圍”或“方位角”）維度。在這個維度中，地面由以等于平臺（飛機或衛星）速度的速率穿過地面的光束掃描，并根據飛機沿軌道的位置將物體放置在該維度中。圖像是由兩個維度的反射信號構建的。

空間分辨率，即解析地面物體的能力，與方位方向（平行于飛行方向）相比，在范圍方向（垂直于飛行方向）上有所不同。在“實孔徑雷達”中，距離分辨率由天線發射的脈沖寬度定義。方位角分辨率由波束在地面上的足跡寬度決定，波束的寬度與天線長度成反比。較短的天線長度對應于較寬的波束寬度（地面上的波束足跡）。因為在太空中飛行足夠大的天線以產生合理的方位角分辨率是令人望而卻步的，這限制了方位方向的空間分辨率。先進處理算法的發展解決了這個問題，催生了新一代成像雷達，稱為合成孔徑雷達。

合成孔徑雷達（SAR）
為了減輕真實孔徑雷達方位角分辨率差的不良影響，利用天線沿方位方向的運動來“合成”或給出長天線的效果

為了減輕真實孔徑雷達方位角分辨率差的不良影響，利用天線沿方位方向的運動來“合成”或給出長天線的效果，如圖3所示。

這種合成過程是可能的，因為地面上的散射體（目標）保留在許多雷達脈沖的實孔徑雷達波束內。將所有這些脈沖的反射適當地相加，可以合成波束寬度更窄的大天線，從而在方位方向上獲得更好的空間分辨率。該技術適用于航空系統以及星載系統。

SAR圖像解釋

雖然 SAR 創建的圖像可以渲染為可識別的地形地圖，但光學影像和 SAR 影像之間存在重要差異。SAR 影像被視為非文字影像類型，因為它看起來不像人類通常直觀的光學影像。必須了解這些方面才能執行準確的圖像解釋。

陰影 陰影的原因與光學圖像中形成陰影
的原因相同：物體阻擋了直接輻射的路徑——光學成像中的可見光和SAR情況下的雷達波束。然而，與由于大氣散射而可以看到陰影中的物體的光學圖像不同，SAR陰影中沒有信息，因為沒有返回信號。

透視縮短
由于SAR是一種側視測距儀器，因此反向散射回波將根據目標沿傾斜平面（雷達圖像平面）與天線的距離排列在圖像中。這會導致影像中出現一些有趣的幾何變形，例如透視收縮。如圖4所示，斜率A-B在傾斜平面中被壓縮，因為雷達信號在到達A點后不久到達B點。這會導致具有坡度的高大物體（例如山）看起來更陡峭，具有薄而明亮的“邊緣”外觀。請注意，傳感器的視角會影響透視收縮;較大的視角會降低效果。

停留 Layover 是透視縮短的一個極端例子，其中物體太高，以至于雷達信號在到達 A 點之前到達 B 點。這會導致來自B點的回波放置在靠近傳感器（近距離）的圖像上，并遮擋A點，就好像頂部已經覆蓋在山腳下一樣。

這些現象的影響會根據傳感器的視角而改變。較大的視角可增加陰影的效果（延長陰影），同時最小化疊加的效果（減少疊加）。較小的視角具有相反的效果。圖 6 給出了這些對崎嶇地形的影響示例。同時，圖7顯示了城市環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，所有高層建筑都顯得水平布局。

像素亮度

雖然雷達圖像可能看起來像單色光學圖像，但這種印象具有欺騙性。雷達圖像中像素的強度并不表示物體的顏色（如彩色照片）。相反，強度取決于SAR傳感器傳輸的能量（如照明源的亮度），物體的材料屬性，物體的物理形狀以及觀察物體的角度。

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傳感器參數 設計和操作參數
允許工程師控制反射的返回信號（稱為反向散射）。工程師對系統和操作參數進行設計和建模，以最大限度地提高雷達回波，從而最大化針對特定目標收集的信息。在設計過程中，選擇系統的波長和偏振（如下所述），一旦啟動，就無法更改。這些固定的傳感器參數在某種程度上決定了特定圖像中像素的亮度。

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波長會影響方位角分辨率，但它對穿透也有重要影響，通常，雷達穿透力隨著波長的增加而增加。

如上所述，視角會影響側傾和陰影，但也會對像素亮度產生影響，因為它會改變雷達波束與物體的交互方式。

發射和接收時的偏振也會影響像素亮度，如下一節所述。

然而，實施所有這些改進確實需要做出艱難的選擇。我們將服務開始時間推遲了8個月，以完成和驗證紅杉的進化設計。衛星的尺寸也翻了一番，從48公斤增加到100公斤。然而，盡管有這些選擇，我們對結果感到興奮 -?世界一流的SAR衛星能夠滿足客戶的需求和期望。

表面參數 影響像素亮度的表面參數
是材料的表面粗糙度，相對于系統波長和散射材料（物體的介電常數）。如果材料的表面粗糙度相對于系統波長是光滑的，則根據反射定律反射雷達波束（圖9）。這稱為鏡面反射。如果表面相對于系統波長是粗糙的，則雷達波束會向各個方向散射。這稱為漫散射。不同的表面粗糙度會導致不同數量的漫反射散射和不同的像素亮度。散射材料的介電常數是材料的物理特性，它決定了該材料對電磁波的反射程度。金屬物體和水具有更高的介電常數并且反射性更強，但是由于它們相對于系統波長是光滑的，并且通常是平坦的，因此雷達波束被鏡面反射，遠離傳感器。

此外，某些表面特征將 通過反彈多個傳感器，導致鏡面反射回傳感器 表面。雙重反射?稱為二面體回波，三重反彈回波稱為三面體回波 返回。

散斑

SAR是一種相干成像方法，因為雷達波束中的無線電波在空間和時間上是對齊的。這種相干性提供了許多優點（合成孔徑過程需要它），但它會導致一種稱為斑點的現象。斑點是像素亮度的“鹽和胡椒”變化，會降低SAR圖像的質量，使圖像解釋更加困難。出現斑點是因為給定像素中通常存在許多單獨的散射，這會導致像素之間的正（鹽）和負（胡椒）干涉，否則反向散射返回恒定。

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下一步是什么

通過使用巧妙的信號處理，SAR可以創建比其他方式更高分辨率的雷達圖像。SAR 影像提供有關地面上的信息，但失真和斑點使這些影像與光學影像大不相同。

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編輯：黃飛

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