初识合成孔径雷达SAR

用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”，这样可以得到较高的方位向分辨率，同时方位向分辨率与距离无关，这样SAR就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的SAR图像。

 

图1 SAR成像原理示意图

1、几个参重要参数

为了更好的理解SAR和SAR图像，需要知道几个重要的参数。

• 分辨率

SAR图像分辨率包括距离向分辨率（Range Resolution）和方位向分辨率（Azimuth Resolution）。

  图2 距离向和方位向示意图

 

• 距离向分辨率（Range Resolution）

垂直飞行方向上的分辨率，也就是侧视方向上的分辨率。距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关，与脉冲持续时间成正比：

Res( r) = c*τ/2

其中c为光速，τ为脉冲持续时间。

• 方位向分辨率（Azimuth Resolution）

沿飞行方向上的分辨率，也称沿迹分辨率。如下为推算过程：

• 真实波束宽度： β= λ/ D

• 真实分辨率：ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)

• 合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)

• 合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2

其中λ为波长，D为雷达孔径，R为天线与物体的距离。

   从这个公式中可以看到，SAR系统使用小尺寸的天线也能得到高方位向分辨率，而且与斜距离无关（就是与遥感平台高度无关）。

 

图3 方位向分辨率示意图

 

• 极化方式

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。雷达遥感系统常用四种极化方式———HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化，后两者为异向(交叉)极化。

极化是微波的一个突出特点，极化方式不同返回的图像信息也不同。返回同极化（HH或者VV）信号的基本物理过程类似准镜面反射，比如，平静的水面显示黑色。交叉极化（HV或者VH）一般返回的信号较弱，常受不同反射源影响，如粗糙表面等。

图4 HV极化示意图

• 入射角（Incidence Angle）

入射角也叫视角，是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角（如下图中的θ）。微波与表面的相互作用是非常复杂的，不同的角度区域会产生不同的反射。低入射角通常返回较强的信号，随着入射角增加，返回信号逐渐减弱。

根据雷达距离地表高度的情况，入射角会随着近距离到远距离的改变而改变，依次影响成像几何。

图5 SAR入射角示意图

2、SAR拍摄模式

SAR主要有三种拍摄模式：Stripmap，ScanSAR和 Spotlight。

当然最新的SAR系统拥有更多的拍摄模式，比如RADARSAT-2还用于超精细、高入射角等拍摄模式

• 条带模式-Stripmap

当运行Stripmap 模式时，雷达天线可以灵活的调整，改变入射角以获取不同的成像宽幅。

最新的SAR系统都具有这种成像模式，包括RADARSAT-1/2， ENVISAT ASAR， ALOS PALSAR，TerraSAR-X-1， COSMOSkyMed和RISAT-1。

图6 条带模式

• 扫描模式-ScanSAR

扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间，最后获取一个完整的图像覆盖区域。它能解决Stripmap模式较小的刈幅。

 

 图7 扫描模式

 

• 聚束模式-Spotlight

当执行聚束模式采集数据时，传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。

它与条带模式主要区别为：

1. 在使用相同物理天线时，聚束模式提供更好的方位分辨率；
2. 在可能成像的以一个区域内，聚束模式在单通道上的提供更多的视角；
3. 聚束模式可以更有效的获取多个小区域。

 

 图8聚束模式

3、主流星载SAR

 

系统	发射时间	波段	极化	图幅宽度（KM）	分辨率	重复周期	轨道 精度 (cm)	拍摄模式	国家
ERS-2	1995	C	VV	100	25 m	35	30	Stripmap	欧洲
RADASAT1	1995	C	VV	10-500	10-30-100	24	>100	Stripmap ScanSAR	加拿大
ENVISAT	2002	C	VV	100-400	20	35	30	Stripmap ScanSAR	欧洲
ALOS	2006	L	Full	40-350	7-14-100	46	>100	Stripmap	日本
TerraSAR-X	2007	X	Full	5-10-30-100	1-3-16	11	10	Spotlight Stripmap ScanSAR	德国
Cosmo-skymed	2007	X,L	Full	10-30-200	1-3-15	1-16	10	Spotlight Stripmap ScanSAR	意大利
RADASAT2	2007	C	Full	10-500	3-100	1-24	10	Spotlight Stripmap ScanSAR	加拿大
ALOS2	2014	L	Full	25/35/60/70/350	1/3/6/10 /100	14	>100	-	日本
哨兵-1A (Sentinel-1A/1B)	2014/2016	c	Full	20/80/100/250/400	5/20/40	12	-	-	欧空局
GF-3	2016	C	Full	10-650	1-500m		-	12种	中国
SPACETY(海丝一号)	2020	C	VV	20/100/50	1/3/20m	3		3	中国