SAR

SAR是英語Synthetic Aperture Radar 的縮寫，意為合成孔徑雷達。合成孔徑雷達 (Synthetic Aperture Radar)，是利用合成孔徑原理，實現高分辨的微波成像，具備全天時、全天候、高分辨、大幅寬等多種特點。合成孔徑雷達又分聚焦和非聚焦兩種。前者方位分辨率好、與目標距離無關、覆蓋面積大、測繪速度快，但設備複雜。後者方位分辨率與波長和距離的平方根成正比，其所形成的天線長度有一個最大的可能值 ^[2]  。

合成孔徑雷達最初主要是機載、星載平台，隨着技術的發展，出現了彈載、地基SAR、無人機SAR、臨近空間平台SAR、手持式設備等多種形式平台搭載的合成孔徑雷達，廣泛用於軍事、民用領域。SAR的未來可能朝着以下幾個方向發展：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；小衞星雷達技術；SAR校準技術。

合成孔徑雷達工作流程依次為發送電磁波，雷達天線收集，數字化，存儲反射回波以供後續處理。隨着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，賦予它作為成像雷達的屬性，這也是為什麼它被稱為“合成孔徑”。範圍方向與飛行軌跡平行，垂直於方位方向，也稱為沿軌道方向。

為了產生SAR圖像，發送連續的無線電脈衝以“照亮”目標場景，接收並記錄每個脈衝的回波。脈衝被髮送，並且使用單個波束形成天線接收回波，波長為幾米至幾毫米。合成孔徑雷達可以安裝在飛機或航天器上，相對於目標的天線位置隨時間而變化。連續記錄的雷達回波的信號處理允許從這些多個天線位置組合記錄。該過程形成合成天線孔徑並且允許創建比給定物理天線更高分辨率的圖像。

3D處理分兩步完成：確定方位角和方向聚焦，用於生成2D（方位範圍）高分辨率圖像；之後使用數字高程模型（DEM）來測量複雜圖像之間的相位差，其由不同的視角確定以恢復高度信息。該高度信息以及由2-D SAR聚焦提供的方位角範圍座標給出了第三維度，即高程方向。第一步只需要標準處理算法，對於第二步，使用附加的預處理階段，例如圖像共同配準和相位校準。

SAR是分辨率較高的相干成像雷達系統，它是通過天線給物體發射能量，同時也通過SAR接收能量，全部的能量都通過電子設備記錄下來，最後形成圖像。合成孔徑雷達中的孔徑就是天線的長度，SAR系統通過衞星或者飛機的向前運動形成合成孔徑，即一個長的天線，只要物體返回的能量能達到孔徑發射出的光束寬度內，這個物體就可以形成圖像被保存下來 ^[3]  。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。SAR通過脈衝壓縮技術改善距離分辨率，它與發射信號的帶寬有關，帶寬越大，分辨率越小；通過合成孔徑技術改善方位分辨率。條帶SAR理論上可以達到天線尺寸的1/2，聚束SAR分辨率更小。高的分辨率要求採用小的天線而不是大的天線，並且與距離和波長無關。當然，受到其他因素的影響，天線孔徑也不可能無限小。

SAR是需要存儲雷達回波，由於數據不是同時採集的，需要對一定的時間間隔內接收的信號進行運算。 A/D轉換之後對數字信號進行存儲，選擇存儲介質必須考慮到信息記錄的速率、數據容量、完成方位壓縮和脈衝壓縮時存儲數據的讀取速度。

SAR信號處理是假定雷達隨飛機做直線等速飛行。實際上，運載天線的飛行器總是與這種典型的直線等速飛行狀態有偏差的。因此就需要用輔助設備來補償非直線運動。

運動補償設備必須包含能檢測飛行路線與直線路徑偏離的傳感器，可以用各種方式使用此敏感元件的輸出。為了完善運動補償，還必須調整接收信號的相位，以補償實際天線與理想的形成合成天線位置之間的偏移。

極化是電磁波的本質屬性之一，是除頻率、幅度、相位之外的又一維重要信息。電磁波的傳播和散射都是矢量現象，而極化正是用來研究電磁波的這種矢量特徵。SAR系統常用四種極化方式——HH、VV、HV、VH。

雷達發射的能量脈衝的電場矢量，可以在垂直或水平面內被偏振。無論哪個波長，雷達信號可以傳送水平(H)或者垂直(V)電場矢量，接收水平(H)或者垂直(V)或者兩者的返回信號。

單極化是指(HH)或者(VV)，就是水平發射水平接收或垂直髮射垂直接收。氣象雷達領域那一般都是(HH)。

雙極化是指在一種極化模式的同時，加上了另一種極化模式，如(HH：水平發射水平接收)和(HV：水平發射垂直接收)。全極化技術難度最高，要求同時發射H和V，也就是HH/HV/VV/VH四種極化方式。

電磁波的極化對目標的介電常數、物理特性、幾何形狀和取向等比較敏感，因而極化測量可以大大提高成像雷達對目標各種信息的獲取能力。圖1是同一個地區不同極化方式下的成像結果。

雷達極化已經發展成為一種比較成熟的技術，在農業（分辨不同的農作物耕地）、森林（植被高度、衰減係數等生物量的估計、物種識別）、地質（地質結構描述）、水文（表面粗糙度和土壤濕度估計、雪濕度估計）、海冰監測（冰齡和厚度估計）和海洋學（波特性估計，熱和波前探測）等很大範圍內都得到廣泛的研究和應用。

水平極化波和垂直極化波在地物或海洋的後向散射係數和相位特性均不相同，因此除了通過多波段來增加遙感的信息含量，也可以通過不同的極化來提高目標識別的準確度。通過對雷達目標和地物雜波的極化特性測量與分析，可以實現對不同目標的分類與識別，這在雷達抗干擾領域的作用也日漸突出。

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。

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]  。

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1000×104km2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時效性。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1m(標準模式)、3m(寬掃模式)和0.3m(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（EuropeanRemoteSensingSatellite，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30m空間分辨率和100km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-1/2AMI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(9.6GHz)，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(100m和30m)、Strip-Map(3m和1.5m)、SpotLight(1m)。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1m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1m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515km的近極地太陽同步軌道上，工作在X波段(9.65GHz)，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15m，方位上16m）、Spot-Light（單視情況下：距離上2m，方位上1.2m）和高分辨SpotLight（單視情況下：距離上1m，方位上1.2m）。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500km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1m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。

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3.125GHZ)，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(10m～15m)。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9.6cm，分辨率5m～40m)、SAR-70(波長7cm，分辨率15m～60m)和SAR-10(波長3.6cm、分辨率5m～7m)，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780km的近極地太陽同步軌道上，工作在C波段(5.3GHz)，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500km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，3m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30min，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570km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1.275GHz），分辨率18m。先進陸地觀測衞星(AdvancedLandObservingSatellite，ALOS)於2006年1月24日被送入690km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7m。

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550km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1m(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、韓國的“KompSat-5”、阿根廷的“SAOCOM”等。

遙感1號衞星，是中國遙感系列衞星的第一顆，發射時間是2006年。“遙感衞星一號”和用於發射衞星的“長征四號乙”運載火箭，由中國航天科技集團公司所屬上海航天技術研究院為主，中國科學院、中國電子科技集團、中國空間技術研究院等單位參與研製。衞星質量為2700餘公斤，主要用於科學試驗、國土資源普查、農作物估產和防災減災等領域，將對中國國民經濟發展發揮積極作用。遙感衞星一號在重量、體積等方面都比長四乙火箭以前發射的衞星更重、更大。這要求火箭要麼是具有捆綁式的四個助推小火箭；要麼採用二級點火技術，讓火箭在太空中滑行一段時間後再次點火，再將衞星推至所需的高度和軌道。常規情況下，長四乙火箭整流罩的直徑為2.9米和3.35米兩種，而這顆衞星的“塊頭”比較大，所需空間直徑達到3.8米。因此，這枚火箭在兩個方面進行了技術創新：一是使用常規推進劑的火箭三級發動機採用了二次點火技術，二是採用了直徑達3.8米的大整流罩。這兩項技術創新帶來的相關技術狀態更改多達161項。

1. 1951年，Carl Wiley 首次提出利用頻率分析方法改善雷達的角分辨率。

2. 1953年，伊利諾依大學採用非聚焦方法使角度分辨率由4.13度提高到0.4度，並獲得第一張SAR圖像。

3. 1957年，密西根大學採用光學處理方式， 獲得了第一張全聚焦SAR圖像。

4. 1978年，美國發射了第一顆星載Seasat-1。

5. 1991年，歐洲空間局發射了ERS-1。

6. 1995年，加拿大發射了Radarsat-1。

7. 2000年，歐洲空間局發射了ASAR。

8. 2006年，日本發射ALOS PALSAR。

9. 2007年，德國發射TerraSAR-X。

10. 2007年底，加拿大發射Radarsat-2。