简介

SAR是英语Synthetic Aperture Radar 的缩写，意为合成孔径雷达。合成孔径雷达 (Synthetic Aperture Radar)，是利用合成孔径原理，实现高分辨的微波成像，具备全天时、全天候、高分辨、大幅宽等多种特点。合成孔径雷达又分聚焦和非聚焦两种。前者方位分辨率好、与目标距离无关、覆盖面积大、测绘速度快，但设备复杂。后者方位分辨率与波长和距离的平方根成正比，其所形成的天线长度有一个最大的可能值2。

合成孔径雷达最初主要是机载、星载平台，随着技术的发展，出现了弹载、地基SAR、无人机SAR、临近空间平台SAR、手持式设备等多种形式平台搭载的合成孔径雷达，广泛用于军事、民用领域。SAR的未来可能朝着以下几个方向发展：多频，多极化，可变视角，可变波束；超高分辨率，多模式；干涉合成孔径雷达(InSAR)技术、极化干涉合成孔径雷达(Pol-InSAR)技术；动目标检测与动目标成像技术；小卫星雷达技术；SAR校准技术。

合成孔径雷达工作流程依次为发送电磁波，雷达天线收集，数字化，存储反射回波以供后续处理。随着发送和接收发生在不同的时间，它们映射到不同的位置。接收信号良好有序的组合构建了比物理天线长度长得多的虚拟光圈，赋予它作为成像雷达的属性，这也是为什么它被称为“合成孔径”。范围方向与飞行轨迹平行，垂直于方位方向，也称为沿轨道方向。

为了产生SAR图像，发送连续的无线电脉冲以“照亮”目标场景，接收并记录每个脉冲的回波。脉冲被发送，并且使用单个波束形成天线接收回波，波长为几米至几毫米。合成孔径雷达可以安装在飞机或航天器上，相对于目标的天线位置随时间而变化。连续记录的雷达回波的信号处理允许从这些多个天线位置组合记录。该过程形成合成天线孔径并且允许创建比给定物理天线更高分辨率的图像。

3D处理分两步完成：确定方位角和方向聚焦，用于生成2D（方位范围）高分辨率图像；之后使用数字高程模型（DEM）来测量复杂图像之间的相位差，其由不同的视角确定以恢复高度信息。该高度信息以及由2-D SAR聚焦提供的方位角范围坐标给出了第三维度，即高程方向。第一步只需要标准处理算法，对于第二步，使用附加的预处理阶段，例如图像共同配准和相位校准。

关键技术

SAR是分辨率较高的相干成像雷达系统，它是通过天线给物体发射能量，同时也通过SAR接收能量，全部的能量都通过电子设备记录下来，最后形成图像。合成孔径雷达中的孔径就是天线的长度，SAR系统通过卫星或者飞机的向前运动形成合成孔径，即一个长的天线，只要物体返回的能量能达到孔径发射出的光束宽度内，这个物体就可以形成图像被保存下来。与其它大多数雷达一样，合成孔径雷达通过发射电磁脉冲和接收目标回波之间的时间差测定距离，其分辨率与脉冲宽度或脉冲持续时间有关，脉宽越窄分辨率越高。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率。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。高的分辨率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、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。

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。图1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。

合成孔径雷达通常装在飞机或卫星上，分为机载和星载两种。合成孔径雷达按平台的运动航迹来测距和二维成像，其两维坐标信息分别为距离信息和垂直于距离上的方位信息。方位分辨率与波束宽度成正比，与天线尺寸成反比，就像光学系统需要大型透镜或反射镜来实现高精度一样，雷达在低频工作时也需要大的天线或孔径来获得清晰的图像。由于飞机航迹不规则，变化很大，会造成图像散焦。必须使用惯性和导航传感器来进行天线运动的补偿，同时对成像数据反复处理以形成具有最大对比度图像的自动聚焦。因此，合成孔径雷达成像必须以侧视方式工作，在一个合成孔径长度内，发射相干信号，接收后经相干处理从而得到一幅电子镶嵌图。雷达所成图像像素的亮度正比于目标区上对应区域反射的能量。总量就是雷达截面积，它以面积为单位。后向散射的程度表示为归一化雷达截面积，以分贝（dB）表示。地球表面典型的归一化雷达截面积为：最亮+ 5 dB，最暗－40 dB。合成孔径雷达不能分辨人眼和相机所能分辨的细节，但其工作的波长使其能穿透云和尘埃。

SAR 发展概况

1951年6月美国Goodyear宇航公司的CarlWiley首先提出用频率分析方法改善雷达角分辨率的方法。与此同时，美国伊利诺依大学控制系统实验室独立用非相参雷达进行实验，验证频率分析方法确实能改善雷达角分辨率。1978年6月27日，美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）发射了世界上第1颗载有SAR的海洋卫星Seasat-A。该卫星工作在L波段、HH极化，天线波束指向固定，Seasat-A的发射标志着合成孔径雷达已成功进入从太空对地观测的新时代1。

美国宇航局(NASA)

在Seasat-A取得巨大成功的基础上，利用航天飞机分别于1981年11月、1984年10月和1994年4月将Sir-A、Sir-B和Sir-C/X-SAR3部成像雷达送入太空。Sir-A是一部HH极化L波段SAR，天线波束指向固定，以光学记录方式成像，对1000×104km2的地球表面进行了测绘，获得了大量信息，其中最著名的是发现了撒哈拉沙漠中的地下古河道，显示了SAR具有穿透地表的能力，引起了国际学术界的巨大震动。产生这种现象的原因，一方面取决于被观测地表的物质常数（导电率和介电常数）和表面粗糙度，另一方面，波长越长其穿透能力越强。Sir-B是Sir-A的改进型，仍采用HH极化L波段的工作方式，但其天线波束指向可以机械改变，提高了对重点地区的观测时效性。Sir-C/X-SAR是在Sir-A，Sir-B基础上发展起来的，并引入很多新技术，是当时最先进的航天雷达系统：具有L、C和X3个波段，采用4种极化(HH，HV，VH和VV)，其下视角和测绘带都可在大范围内改变。

“长曲棍球”(Lacrosse)系列SAR卫星，是当今世界上最先进的军用雷达侦察卫星，已成为美国卫星侦察情报的主要来源。自1988年12月2日，由美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机将世界上第1颗高分辨率雷达成像卫星“长曲棍球-1(Lacrosse-1)”送入预定轨道后，又分别在1991年3月、1997年10月、2000年8月和2005年4月将Lacrosse-2、Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5送入太空，目前在轨工作的有Lacrosse-2～Lacrosse-5。4颗卫星以双星组网，采用X、L2个频段和双极化的工作方式，其地面分辨率达到1m(标准模式)、3m(宽扫模式)和0.3m(精扫模式)，在宽扫模式下，其地面覆盖面积可达几百km2。

欧空局(ESA)

欧空局分别于1991年7月和1995年4月，发射了欧洲遥感卫星（EuropeanRemoteSensingSatellite，ERS）系列民用雷达成像卫星:ERS-1和ERS-2，主要用于对陆地、海洋、冰川、海岸线等成像。卫星采用法国Spot-I和Spot-Ⅱ卫星使用的MK-1平台，装载了C波段SAR，天线波束指向固定，并采用VV极化方式，可以获得30m空间分辨率和100km观测带宽的高质量图像。Envisat是ERS计划的后续，由欧空局于2002年3月送入太空的又一颗先进的近极地太阳同步轨道雷达成像卫星。Envisat上所搭载的ASAR是基于ERS-1/2主动微波仪(AMI)建造的，继承了ERS-1/2AMI中的成像模式和波束模式，增强了在工作模式上的功能，具有多种极化、可变入射角、大幅宽等新的特性，它将继续开展对地观测和地球环境的研究。

意大利

2007年6月，由意大利国防部与航天局合作项目的首颗雷达成像卫星Cosmo-Skymed1卫星的发射入轨标志着Cosmo-Skymed星座项目的启动。Cosmo-Skymed卫星工作在X波段(9.6GHz)，具有多极化、多入射角的特性，具备3种工作方式和5种分辨率的成像模式：ScanSAR(100m和30m)、Strip-Map(3m和1.5m)、SpotLight(1m)。其中，Cosmo-Skymed星座是意大利的SAR成像侦察卫星星座，共包括4颗SAR卫星。该星座是与法国Pleiade光学卫星星座配套使用的，两者均采用太阳同步轨道，作为全球第1个分辨率高达1m的雷达成像卫星星座，Cosmo-Skymed系统将以全天候、全天时对地观测的能力、卫星星座特有的高重访周期和1m高分辨率的成像为环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事领域等应用开辟更为广阔的道路。

德国

TerraSAR-X是首颗由德国宇航中心(DLR)和民营企业EADSAstrium及Infoterra公司根据PPP模式（公-私共建）共同开发的的军民两用雷达侦察卫星。该卫星于2007年6月15日从拜科努尔航天中心发射升空，运行在515km的近极地太阳同步轨道上，工作在X波段(9.65GHz)，具有多极化、多入射角的特性，具备4种工作方式和4种不同分辨率的成像模式：StripMap（单视情况下:距离上3m，方位上3m）、Scan-SAR（4视情况下：距离上15m，方位上16m）、Spot-Light（单视情况下：距离上2m，方位上1.2m）和高分辨SpotLight（单视情况下：距离上1m，方位上1.2m）。SAR-LUPE是德国第1个军用天基雷达侦察系统，服务于德国联邦部队。该卫星系统主要由5颗X波段雷达成像卫星组成星座，分布在3个高度500km的近极地太阳同步轨道面上，其中2个轨道面上将有2颗卫星运行，另一个轨道面上有1颗卫星。每颗卫星都可以穿透黑暗和云层，提供分辨率1m以内的图像。整个卫星系统，每天可以提供全球从北纬80°到南纬80°地区的30多幅图像，具有SpotLight和Strip-Map2种工作模式，并且具有星际链路能力，缩短了系统相应时间，具备对“热点”地区每天30次以上的成像能力。

俄罗斯

1987年7月25日，前苏联成功发射第1个雷达卫星演示验证项目Cosmos-1870，在此基础上，俄罗斯分别于1991年3月31日和1998年将“钻石”(Almaz)系列雷达成像卫星———Almaz-1和Almaz-1B送入倾角73°的非太阳同步圆形近地轨道。其中，Almaz-1是一颗对地观测卫星雷达成像卫星，工作在S波段(中心频率3.125GHZ)，采用单极化(HH)、双侧视工作方式，入射角可变(30°～60°)，分辨率达到(10m～15m)。Almaz-1B是一颗用于海洋和陆地探测的雷达卫星，卫星上搭载3种SAR载荷:SAR-10(波长9.6cm，分辨率5m～40m)、SAR-70(波长7cm，分辨率15m～60m)和SAR-10(波长3.6cm、分辨率5m～7m)，这3种SAR载荷均采用HH极化方式。此外，俄罗斯还将发射Arkon-2多功能雷达卫星、Kondor-E小型极地轨道雷达卫星。

加拿大航天局(CAS)

加拿大航天局于1989年开始进行SAR卫星———RadarSat-1的研制，并于1995年11月4日在美国范登堡空军基地发射成功，1996年4月正式工作，是加拿大的第1颗商业对地观测卫星，主要监测地球环境和自然资源变化。该卫星运行在780km的近极地太阳同步轨道上，工作在C波段(5.3GHz)，采用HH极化方式，具有7种波束模式、25种成像方式。与其他SAR卫星不同，首次采用了可变视角的ScanSAR工作模式，以500km的足迹每天可以覆盖北极区一次，几乎可以覆盖整个加拿大，时间每隔3天覆盖一次美国和其他北纬地区，全球覆盖一次不超过5天。RadarSat-2是加拿大继RadarSat-1之后的新一代商用合成孔径雷达卫星，它继承了RadarSat-1所有的工作模式，并在原有的基础上增加了多极化成像，3m分辨率成像、双边(dual-channel)成像和动目标探测(MODEX)。RadarSat-2与RadarSat-1拥有相同的轨道，但是比RadarSat-1滞后30min，缩短了对同一地区的重复观测周期，提高了动态信息的获取能力。

日本

JERS-1卫星于1992年2月11日在Tanegashima空间中心被发射升空，主要用于地质研究、农林业应用、海洋观测、地理测绘、环境灾害监测等。该卫星载有2个完全匹配的对地观测载荷:有源SAR和无源多光谱成像仪，运行在570km的近极地太阳同步轨道上，入射角固定、单一极化(HH)，工作在L波段（中心频率1.275GHz），分辨率18m。先进陆地观测卫星(AdvancedLandObservingSatellite，ALOS)于2006年1月24日被送入690km的准太阳同步回归轨道。ALOS采用高分辨率和微波扫描，主要用于陆地测图、区域性观测、灾害监测、资源调查等方面。该卫星携带了3种传感器:全色立体测图传感器PRISM、新型可见光和近红外辐射计AVNIR-2和相控阵型L波段合成孔径雷达PALSAR。该卫星具有多入射角、多极化、多工作模式（高分辨率模式和ScanSAR模式）及多种分辨率的特性，最高分辨率能达到7m。

以色列

TecSAR是以色列国防部的第1颗雷达成像卫星，运行在倾角为143.3°、高度为550km的太阳同步圆形轨道上，具有多极化(HH、VV、VH、HV)、多种成像模式(StripMap、ScanSAR、SpotLight、马赛克)及多种分辨率的特性，工作在X波段，最高分辨率可达到1m(SpotLight)。此外，据不完全统计，还有其他很多国家也在大力开展星载雷达的研究，已经发射或即将发射星载SAR的国家及卫星包括：印度的RiSat、韩国的“KompSat-5”、阿根廷的“SAOCOM”等。

中国

遥感1号卫星，是中国遥感系列卫星的第一颗，发射时间是2006年。“遥感卫星一号”和用于发射卫星的“长征四号乙”运载火箭，由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院为主，中国科学院、中国电子科技集团、中国空间技术研究院等单位参与研制。卫星质量为2700余公斤，主要用于科学试验、国土资源普查、农作物估产和防灾减灾等领域，将对中国国民经济发展发挥积极作用。遥感卫星一号在重量、体积等方面都比长四乙火箭以前发射的卫星更重、更大。这要求火箭要么是具有捆绑式的四个助推小火箭；要么采用二级点火技术，让火箭在太空中滑行一段时间后再次点火，再将卫星推至所需的高度和轨道。常规情况下，长四乙火箭整流罩的直径为2.9米和3.35米两种，而这颗卫星的“块头”比较大，所需空间直径达到3.8米。因此，这枚火箭在两个方面进行了技术创新：一是使用常规推进剂的火箭三级发动机采用了二次点火技术，二是采用了直径达3.8米的大整流罩。这两项技术创新带来的相关技术状态更改多达161项。

大事件

1. 1951年，Carl Wiley 首次提出利用频率分析方法改善雷达的角分辨率。

2. 1953年，伊利诺依大学采用非聚焦方法使角度分辨率由4.13度提高到0.4度，并获得第一张SAR图像。

3. 1957年，密西根大学采用光学处理方式， 获得了第一张全聚焦SAR图像。

4. 1978年，美国发射了第一颗星载Seasat-1。

5. 1991年，欧洲空间局发射了ERS-1。

6. 1995年，加拿大发射了Radarsat-1。

7. 2000年，欧洲空间局发射了ASAR。

8. 2006年，日本发射ALOS PALSAR。

9. 2007年，德国发射TerraSAR-X。

10. 2007年底，加拿大发射Radarsat-2。

来源: 百度百科

内容资源由项目单位提供