合成孔徑雷達(SAR)系統設計

合成孔徑雷達 (SAR) 是一種高分辨機載和星載遙感技術，用于對地形等場景上的遠程目標進行成像。

1951 年，Carl Wiley 意識到，如果在雷達沿直線路徑移動時收集回波信號，則接收信號的多普勒頻譜可用于合成更長的孔徑，以便提高沿軌道維度的分辨率。

1953 年，當一架 C-46 飛機繪制佛羅里達州基韋斯特的一段地圖時，形成了第一張實測 SAR 圖像。第一個星載衛星 SAR 系統由美國國家航空航天局 (NASA) 的研究人員開發并于 1978 年投入 Seasat。

SAR 模式

根據雷達天線的掃描方式，SAR 的模式可分為三種。如下圖所示，當雷達收集其行進區域的電磁 (EM) 反射波，觀察與飛行路徑平行的地形帶時，這種模式稱為側視 SAR或帶狀 SAR。

當雷達跟蹤并將其電磁波聚焦到一個固定的、特定的感興趣區域時，這種模式稱為聚束 SAR，如下圖所示。

SAR 操作的另一種模式稱為掃描 SAR，它適用于雷達在高空飛行并獲得比模糊范圍更寬的條帶時。條帶的這種增強會導致距離分辨率的下降。如下圖所示。

對于這種模式，照射區域被劃分為幾段，每段被分配到不同的條帶的觀察。隨著雷達平臺的移動，雷達在一段時間內照射一個段，然后切換到另一個段。這種切換是在特定的方法中完成的，使得所需的條帶寬度被覆蓋，并且當平臺在其軌道上前進時沒有留下任何空白段。

SAR 系統設計

通用 SAR 系統框圖如下圖所示。

所有的定時和控制信號都由處理器控制單元產生。首先，SAR 信號（線性頻率調制（LFM）脈沖或階躍頻率波形）由波形發生器生成并傳遞到發射機。

大多數 SAR 系統使用單個天線或兩個緊密放置的天線進行發射和接收，這樣系統通常在單站配置下工作。SAR 天線、轉換器和天線波束形成器可沿場景或目標方向形成和引導主波束。

發射的 SAR 信號從場景或目標反射回來后，接收到的信號由 SAR 天線收集并傳遞給接收機。接收機輸出后的信號被模數轉換器采樣和數字化。數字信號經過信號處理單元處理后，即可形成非聚焦 SAR 圖像。

此時，構建的 SAR 圖像是未經處理的或原始的，即它包含由于平臺運動引起的合成孔徑不穩定性以及其他影響，包括距離偏移等而導致的誤差。

顯然，SAR 理論是基于平臺沿直線或勻速圓周運動的勻速運動。偏離這種勻速運動的任何其他運動特征，例如偏航、滾動或俯仰，都會在接收到的相位中導致錯誤（或偏移）。

為了能夠糾正這種不穩定性造成的這些影響，大多數 SAR 系統都攜帶慣性測量單元（IMU）和全球定位系統（GPS）傳感器來記錄飛行的狀態。

原始 SAR 圖像可以顯示在操作界面顯示，也可以存儲起來以供將來處理或下行鏈接到遠程站以進行進一步的信號和圖像分析。對原始 SAR 數據進行后處理以成功糾正偏移錯誤會產生所謂的聚焦 SAR 圖像。

SAR 分辨率

SAR 在實際中被廣泛應用，因為它可以在距離和方位維度上提供高分辨率。距離，即從雷達到要成像的目標的視線距離。方位則為平行于雷達軌跡軸的維度。

在 SAR 操作中，通過使用寬帶傳輸信號（通常是頻率調制信號）獲得高距離分辨率。在雷達沿直線移動時，通過相干處理在不同位置測量的目標散射回波，可以實現方位維的良好分辨率。

SAR 可以提供具有與光學成像系統分辨率相當的圖像。事實上，SAR 可以做得更好，因為它可以在白天和黑夜以及陰雨天氣條件下運行。此外，與僅包含目標光反射率幅度信息的攝影圖像不同，SAR同時提供幅度和來自場景的散射電磁場的相位信息。這可以形成干涉式 SAR (IFSAR) 圖像，該圖像可以呈現關于三維、高度的信息，因此也可以形成場景的三維 (3D) SAR 圖像。

術語“合成孔徑”是因為 SAR 背后的遠離是通過小尺寸實際孔徑雷達（如下圖所示）的集合來合成大孔徑雷達的效果。

這是通過沿假想孔徑軸移動小孔徑雷達來模擬更長的孔徑實現，如下圖所示。

通常，雷達放置在機載或星載平臺上，并且在雷達平臺沿其沿軌道路徑移動時的不同時刻測量地面的電磁反射率（見下圖）。

對來自不同頻率和孔徑照射區域的電磁回波進行相干處理，可以形成地形或場景的二維 (2D) 圖像。

SAR 系統的距離處理與常規雷達相同。因此，SAR 中的距離分辨率與常規雷達的情況相同：

SAR中脈沖波形的頻率帶寬應選擇得足夠寬以實現更高的分辨率。根據傅里葉理論，則要求每個脈沖的持續時間非常短。

另一方面，很難將足夠的能量投入到非常短的脈沖中。發射功率的極小部分能散射回雷達，因此對于如此短的脈沖，幾乎不可能感應到高于噪聲的接收信號。為了避免這個問題，一個瞬時頻率為

的 LFM 波形被使用。這里，是起始頻率，是脈沖持續時間，是總帶寬。LFM 信號具有提供所需帶寬和更長脈沖持續時間的特性。

通過沿直線路徑移動雷達天線形成長度為的合成線天線，可以在 SAR 系統中實現良好的方位分辨率。如果使用單個天線，則方位分辨率為

其中是工作波長，是天線的孔徑。但是，如果通過沿直線路徑移動單個天線來形成長度為的合成陣列，則理論上方位分辨率為

又因為有效合成孔徑大小是真實陣列的兩倍；因此

例如，在工作頻率下，合成孔徑長度為的 SAR 平臺對處的目標成像，則方位分辨率為。

審核編輯：湯梓紅