合成孔徑雷達

合成孔徑雷達(Sy nthetic Aperture Radar :SAR)是利用一個小天線沿着長線陣的軌跡等速移動並輻射相參信號, 把在不同位置接收的回波進行相干處理, 從而獲得較高分辨率的成像雷達，可分為聚焦型和非聚焦型兩類。

作為一種主動式微波傳感器, 合成孔徑雷達具有不受光照和氣候條件等限制實現全天時、全天候對地觀測的特點, 甚至可以透過地表或植被獲取其掩蓋的信息。這些特點使其在農、林、水或地質、自然災害等民用領域具有廣泛的應用前景, 在軍事領域更具有獨特的優勢。尤其是未來的戰場空間將由傳統的陸、海、空向太空延伸, 作為一種具有獨特優勢的偵察手段, 合成孔徑雷達衞星為奪取未來戰場的制信息權, 甚至對戰爭的勝負具有舉足輕重的影響。

1951年6月美國Goodyear宇航公司的CarlWiley首先提出用頻率分析方法改善雷達角分辨率的方法。與此同時, 美國伊利諾依大學控制系統實驗室獨立用非相參雷達進行實驗, 驗證頻率分析方法確實能改善雷達角分辨率。1978 年6 月27日, 美國國家航空航天局噴氣推進實驗室(JPL)發射了世界上第1顆載有SAR的海洋衞星Seasat-A。該衞星工作在L波段、HH極化, 天線波束指向固定, Seasat-A的發射標誌着合成孔徑雷達已成功進入從太空對地觀測的新時代。 ^[1] 

2023年8月21日，國家航天局發佈消息，世界首顆高軌合成孔徑雷達衞星陸地探測四號01星，於近日順利進入工作軌道，合成孔徑雷達天線成功展開，衞星工況正常，狀態良好，後續將繼續開展在軌測試等工作。 ^[3] 

2023年10月，宏圖一號01組衞星搭載的合成孔徑雷達（SAR）系統，成功獲得多基線干涉SAR高精度地形測繪數據產品，標誌着我國首個多基線干涉SAR測繪系統成功在軌應用。 ^[4] 

在Seasat-A取得巨大成功的基礎上, 利用航天飛機分別於1981年11月、1984年10月和1994年4月將Sir-A、Sir-B和Sir-C/X-SAR3 部成像雷達送入太空。Sir-A是一部HH極化L波段SAR, 天線波束指向固定, 以光學記錄方式成像, 對1000 ×104 km2 的地球表面進行了測繪, 獲得了大量信息, 其中最著名的是發現了撒哈拉沙漠中的地下古河道, 顯示了SAR具有穿透地表的能力, 引起了國際學術界的巨大震動。產生這種現象的原因, 一方面取決於被觀測地表的物質常數(導電率和介電常數)和表面粗糙度, 另一方面, 波長越長其穿透能力越強。Sir-B是Sir-A的改進型, 仍採用HH極化L波段的工作方式, 但其天線波束指向可以機械改變, 提高了對重點地區的觀測實效性。Sir-C/X-SAR是在Sir-A, Sir-B基礎上發展起來的, 並引入很多新技術, 是當時最先進的航天雷達系統:具有L、C和X3個波段, 採用4種極化(HH , HV, VH和VV),其下視角和測繪帶都可在大範圍內改變。

“長曲棍球” (Lacrosse)系列SAR衞星, 是當今世界上最先進的軍用雷達偵察衞星, 已成為美國衞星偵察情報的主要來源。自1988年12月2日, 由美國“亞特蘭蒂斯”號航天飛機將世界上第1顆高分辨率雷達成像衞星“長曲棍球-1(Lacrosse-1)”送入預定軌道後,又分別在1991年3月、1997年10 月、2000年8月和2005 年4 月將Lacrosse-2、Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5送入太空, 目前在軌工作的有Lacrosse-2 ～ Lacrosse-5。4顆衞星以雙星組網, 採用X、L2個頻段和雙極化的工作方式, 其地面分辨率達到1 m(標準模式)、3 m(寬掃模式)和0.3 m(精掃模式), 在寬掃模式下, 其地面覆蓋面積可達幾百km2 。

歐空局分別於1991年7月和1995年4月, 發射了歐洲遙感衞星(European Remote Sensing Satellite, ERS)系列民用雷達成像衞星:ERS-1和ERS-2, 主要用於對陸地、海洋、冰川、海岸線等成像。衞星採用法國Spot-I和Spot-Ⅱ衞星使用的MK-1平台, 裝載了C波段SAR, 天線波束指向固定, 並採用VV極化方式, 可以獲得30 m空間分辨率和100 km觀測帶寬的高質量圖像。Envisat是ERS計劃的後續, 由歐空局於2002年3月送入太空的又一顆先進的近極地太陽同步軌道雷達成像衞星。Envisat上所搭載的ASAR是基於ERS-1/2主動微波儀(AMI)建造的, 繼承了ERS-1 /2 AMI中的成像模式和波束模式, 增強了在工作模式上的功能, 具有多種極化、可變入射角、大幅寬等新的特性, 它將繼續開展對地觀測和地球環境的研究。

2007年6月, 由意大利國防部與航天局合作項目的首顆雷達成像衞星Cosmo-Skymed1 衞星的發射入軌標誌着Cosmo-Skymed星座項目的啓動。Cosmo-Skymed衞星工作在X波段(9.6 GHz), 具有多極化、多入射角的特性, 具備3種工作方式和5種分辨率的成像模式:ScanSAR(100 m和30 m)、Strip-Map(3 m和1.5 m)、SpotLight(1 m)。其中, Cosmo-Skymed星座是意大利的SAR成像偵察衞星星座, 共包括4顆SAR衞星。該星座是與法國Pleiade光學衞星星座配套使用的, 兩者均採用太陽同步軌道, 作為全球第1個分辨率高達1 m的雷達成像衞星星座, Cosmo-Skymed系統將以全天候、全天時對地觀測的能力、衞星星座特有的高重訪週期和1 m高分辨率的成像為環境資源監測、災害監測、海事管理及軍事領域等應用開闢更為廣闊的道路。

TerraSAR-X是首顆由德國宇航中心(DLR)和民營企業EADSAstrium及Infoterra公司根據PPP模式(公-私共建)共同開發的的軍民兩用雷達偵察衞星。該衞星於2007年6月15日從拜科努爾航天中心發射升空, 運行在515 km的近極地太陽同步軌道上, 工作在X波段(9.65 GHz), 具有多極化、多入射角的特性,具備4種工作方式和4 種不同分辨率的成像模式:StripMap(單視情況下:距離上3m, 方位上3m)、Scan-SAR(4視情況下:距離上15 m, 方位上16 m)、Spot-Light(單視情況下:距離上2 m, 方位上1.2 m)和高分辨SpotLight(單視情況下:距離上1 m, 方位上1.2 m)。SAR-LUPE是德國第1 個軍用天基雷達偵察系統, 服務於德國聯邦部隊。該衞星系統主要由5 顆X波段雷達成像衞星組成星座, 分佈在3個高度500 km的近極地太陽同步軌道面上, 其中2 個軌道面上將有2顆衞星運行, 另一個軌道面上有1顆衞星。每顆衞星都可以穿透黑暗和雲層, 提供分辨率1 m以內的圖像。整個衞星系統, 每天可以提供全球從北緯80°到南緯80°地區的30 多幅圖像, 具有SpotLight和Strip-Map2種工作模式, 並且具有星際鏈路能力, 縮短了系統相應時間, 具備對“熱點”地區每天30 次以上的成像能力。

2.5

1987年7月25日, 前蘇聯成功發射第1個雷達衞星演示驗證項目Cosmos-1870, 在此基礎上, 俄羅斯分別於1991年3月31日和1998年將“鑽石”(Almaz)系列雷達成像衞星——— Almaz-1和Almaz-1B送入傾角73°的非太陽同步圓形近地軌道。其中, Almaz-1是一顆對地觀測衞星雷達成像衞星, 工作在S波段(中心頻率3.125 GHZ), 採用單極化(HH)、雙側視工作方式, 入射角可變(30°～ 60°),分辨率達到(10 m～ 15 m)。Almaz-1B是一顆用於海洋和陸地探測的雷達衞星, 衞星上搭載3種SAR載荷:SAR-10(波長9.6 cm, 分辨率5 m～ 40 m)、SAR-70(波長7 cm, 分辨率15 m～ 60 m)和SAR-10(波長3.6 cm、分辨率5 m～ 7 m), 這3種SAR載荷均採用HH極化方式。此外, 俄羅斯還將發射Arkon-2多功能雷達衞星、Kondor-E小型極地軌道雷達衞星。

加拿大航天局於1989年開始進行SAR衞星———RadarSat-1的研製, 並於1995年11月4日在美國范登堡空軍基地發射成功, 1996 年4月正式工作, 是加拿大的第1顆商業對地觀測衞星, 主要監測地球環境和自然資源變化。該衞星運行在780 km的近極地太陽同步軌道上, 工作在C波段(5.3 GHz), 採用HH極化方式, 具有7 種波束模式、25 種成像方式。與其他SAR衞星不同, 首次採用了可變視角的ScanSAR工作模式, 以500 km的足跡每天可以覆蓋北極區一次, 幾乎可以覆蓋整個加拿大, 時間每隔3 天覆蓋一次美國和其他北緯地區, 全球覆蓋一次不超過5天。RadarSat-2是加拿大繼RadarSat-1 之後的新一代商用合成孔徑雷達衞星, 它繼承了RadarSat-1所有的工作模式, 並在原有的基礎上增加了多極化成像, 3 m分辨率成像、雙邊(dual-channel)成像和動目標探測(MODEX)。RadarSat-2 與RadarSat-1 擁有相同的軌道, 但是比RadarSat-1滯後30 min, 縮短了對同一地區的重複觀測週期, 提高了動態信息的獲取能力。

JERS-1衞星於1992年2月11日在Tanegashima空間中心被髮射升空, 主要用於地質研究、農林業應用、海洋觀測、地理測繪、環境災害監測等。該衞星載有2個完全匹配的對地觀測載荷:有源SAR和無源多光譜成像儀, 運行在570 km的近極地太陽同步軌道上, 入射角固定、單一極化(HH), 工作在L波段(中心頻率1.275 GHz), 分辨率18 m。先進陸地觀測衞星(Advanced Land Observing Satellite,ALOS)於2006年1月24日被送入690 km的準太陽同步迴歸軌道。ALOS採用高分辨率和微波掃描, 主要用於陸地測圖、區域性觀測、災害監測、資源調查等方面。該衞星攜帶了3 種傳感器:全色立體測圖傳感器PRISM、新型可見光和近紅外輻射計AVNIR-2和相控陣型L波段合成孔徑雷達PALSAR。該衞星具有多入射角、多極化、多工作模式(高分辨率模式和ScanSAR模式)及多種分辨率的特性, 最高分辨率能達到7 m。

TecSAR是以色列國防部的第1顆雷達成像衞星,運行在傾角為143.3°、高度為550 km的太陽同步圓形軌道上, 具有多極化(HH、VV、VH、HV)、多種成像模式(StripMap、ScanSAR、SpotLight、馬賽克)及多種分辨率的特性, 工作在X波段, 最高分辨率可達到1 m(SpotLight)。此外, 據不完全統計, 還有其他很多國家也在大力開展星載雷達的研究, 已經發射或即將發射星載SAR的國家及衞星包括:印度的RiSat、中國的“遙感一號”、韓國的“KompSat-5”、阿根廷的“SAOCOM”等。

與其它大多數雷達一樣，合成孔徑雷達通過發射電磁脈衝和接收目標回波之間的時間差測定距離，其分辨率與脈衝寬度或脈衝持續時間有關，脈寬越窄分辨率越高。合成孔徑雷達通常裝在飛機或衞星上，分為機載和星載兩種。合成孔徑雷達按平台的運動航跡來測距和二維成像，其兩維座標信息分別為距離信息和垂直於距離上的方位信息。方位分辨率與波束寬度成正比，與天線尺寸成反比，就像光學系統需要大型透鏡或反射鏡來實現高精度一樣，雷達在低頻工作時也需要大的天線或孔徑來獲得清晰的圖像。由於飛機航跡不規則，變化很大，會造成圖像散焦。必須使用慣性和導航傳感器來進行天線運動的補償，同時對成像數據反覆處理以形成具有最大對比度圖像的自動聚焦。因此，合成孔徑雷達成像必須以側視方式工作，在一個合成孔徑長度內，發射相干信號，接收後經相干處理從而得到一幅電子鑲嵌圖。雷達所成圖像像素的亮度正比於目標區上對應區域反射的能量。總量就是雷達截面積，它以面積為單位。後向散射的程度表示為歸一化雷達截面積，以分貝( dB) 表示。地球表面典型的歸一化雷達截面積為: 最亮+ 5 dB，最暗－40 dB。合成孔徑雷達不能分辨人眼和相機所能分辨的細節，但其工作的波長使其能穿透雲和塵埃。 ^[2] 

本書主要介紹了合成孔徑雷達(SAR)目標檢測所涉及的基本概念、理論和應用技術，以及近年來國際上有關的最新研究成果。具體內容包括SAR圖像中的雜波統計建模、RCS重構、目標檢測的基礎理論和算法、目標鑑別、邊緣及線目標檢測以及極化SAR系統中的目標檢測，最後給出典型的應用示例。 　本書適用於遙感信息處理、圖像判讀專業的研究人員、工程技術人員、高等院校教師等閲讀參考，亦可作為高等院校遙感信息處理等相關專業的研究生課程教材。