【SAR系列】（一）合成孔径雷达基础

合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）基础

1. 基本原理

​ 雷达发展初期，出现的是真实孔径雷达（RAR，Real Aperture Radar），由于成像分辨率与雷达天线的长度成正比，与波长和观测距离成反比，要想得到较高分辨率的SAR图像，需要增加天线的物理尺寸，这限制其发展和应用，后来逐渐被合成孔径雷达SAR取代。

2. 重要参数

2.1分辨率(Resolution)

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）。

1. 距离向分辨率

​ 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：
$Res\left ( r \right )= c\ast \frac{\tau }{2 }$
其中： $c$ —光速； $\tau$ —脉冲持续时间

2. 方位向分辨率

沿飞行方向上的分辨率，也成为沿迹分辨率。其推算过程如下:

• 真实波束宽度： $\beta = \frac{\lambda }{D}$

• 真实分辨率： $\Delta L= \beta \ast R= Ls$

• 合成波束宽度： $\beta=\frac{\lambda}{2 \ast Ls}=\frac{D}{2*R}$

• 合成分辨率： $\Delta Ls= \beta s * R= \frac{D}{2}$

  其中： $\lambda$—波长； $D$—雷达孔径； $R$—天体与物体之间的距离

2.2 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。

2.3 入射角(Indidence 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。

3. SAR扫描方式分类

​ 合成孔径雷达按波束扫描方式一般分为三种模式:条带式(Stripmap)、聚束成像(Spotlight))和扫描式(ScanSAR)

3.1 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。

3.2 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地向成像区域发射微波波束。它与条带模式的主要区别：

• 在使用相同物理天线时，聚束模式提供更好的方位分辨率；
• 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；
• 聚束模式可以更有效的获取多个小区域。

3.3 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(yi,4)幅。

​ 这些成像方式的原理都是基于距离多普勒原理。雷达成像中距离分辨率都是通过发射宽频带信号进行接受匹配滤波得到窄脉冲，方位分辨率通过对散射点回波信号的多普勒历程进行相干积累得到。

4.当前主流的星载SAR系统

系统	发射时间	波段	极化	图像宽度(Km)	分辨率(m)	重复周期	国家/机构
ENVISAT-ASAR（2012失去联系）	2002	C	VV	100-400	20	35	欧空局
ALOS-PALSAR（2011停止运行）	2006	L	Full	40-350	7-14-100	46	日本
TerraSAR-X Tandem-X	2007 2010	X	Full	5-10-30-100	1-3-16	11	德国
Cosmo-skymed-1、2、3、4	2007	X	Full	10-30-200	1-3-15	1-16	意大利
RADASAT-2	2007	C	Full	10-500	3-100	1-24	加拿大
ALOS-PALSAR2	2014	L	Full	25/35/60/70/350	1/3/6/10/100	14	日本
"哨兵"-1A Sentinel-1A	2014	C	Full	20/80/100/250/400	5/20/40	12	欧空局

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附录：

附1.微波

1. 微波基础

​ 微波(microwave)是指波长介于红外线和无线电波之间的电磁波。微波的频率范围大约在300MHz至300GHz之间。所对应的波长为1m至1mm之间。微波频率比无线电波频率高，通常也成为“超高频电磁波”。微波作为电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

2. 波段划分

标志字符	频率范围	中心频率	中心频率对应波长
HF	3~30MHz	——	——
VHF	30~300MHz	——	——
UHF§	300~1000MHz	——	——
L	1~2GHz	1.5GHz	20cm
S	2~4GHz	3GHz	10cm
C	4~8GHz	6GHz	5cm
X	8~12GHz	10GHz	3cm
Ku	12~18GHz	15GHz	2cm
K	18~27GHz	——	——
Ka	27~40GHz	35GHz	8mm
U	40~60GHz	50GHz	6mm
V	60~80GHz	70GHz	4mm
W	80~110GHz	100GHz	3mm

3. 不同波段的特征：

   • 波长短，分辨率高，穿透性差，容易被吸收；
   • 波长长，分辨率低，穿透性强。

4. 波长计算公式：

$C=\lambda f$

其中： $C$为光速， $\lambda$是波长， $f$是电磁波的频率。

参考链接：

1. http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v13t.html
2. https://blog.csdn.net/yanchuan23/article/details/81083906