【遥感专题系列】微波遥感（二、合成孔径雷达SAR基础）

目前使用最广的成像雷达系统就是合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar：SAR），SAR几乎成为了雷达的代名词。本文从应用角度介绍SAR系统的基本知识。

本文主要包括：

SAR基本原理
几个重要的参数
SAR拍摄模式
当前主流星载SAR系统

1.SAR基本原理

雷达发展初期，出现的是真实孔径雷达（Real Aperture Radar：RAR），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，限制其发展和应用，后来逐渐被合成孔径雷达SAR取代。

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： SAR成像原理示意图

2.SAR几个重要的参数

为了更好的理解SAR和SAR图像，需要知道几个重要的参数。

2.1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：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：方位向分辨率示意图

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。

图： HV极化示意图

图：VV和HH极化示意图

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：同一地区不同波长和极化方式得到的SAR图像

2.3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：SAR入射角示意图

3.星载SAR拍摄模式

星载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

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。

图：条带模式

3.2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：扫描模式

3.3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：

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。

图：聚束模式

4.当前主流星载SAR系统

系统	发射时间	波段	极化	图幅宽度（KM）	分辨率（米）	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

其他：RiSAT‐1（印度C波段）、Kompsat‐5（韩国X波段）