【SAR系列】（一）合成孔徑雷達基礎

合成孔徑雷達（SAR，Synthetic Aperture Radar）基礎

1. 基本原理

​ 雷達發展初期，出現的是真實孔徑雷達（RAR，Real Aperture Radar），由於成像分辨率與雷達天線的長度成正比，與波長和觀測距離成反比，要想得到較高分辨率的SAR圖像，需要增加天線的物理尺寸，這限制其發展和應用，後來逐漸被合成孔徑雷達SAR取代。

2. 重要參數

2.1分辨率(Resolution)

SAR圖像分辨率包括距離向分辨率（Range Resolution）和方位向分辨率（Azimuth Resolution）。

1. 距離向分辨率

​ 垂直飛行方向上的分辨率，也就是側視方向上的分辨率。距離向分辨率與雷達系統發射的脈衝信號相關，與脈衝持續時間成正比：
$Res\left ( r \right )= c\ast \frac{\tau }{2 }$
其中：$c$ —光速；$\tau$ —脈衝持續時間

2. 方位向分辨率

沿飛行方向上的分辨率，也成爲沿跡分辨率。其推算過程如下:

• 真實波束寬度：$\beta = \frac{\lambda }{D}$

• 真實分辨率：$\Delta L= \beta \ast R= Ls$

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

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

  其中：$\lambda$—波長；$D$—雷達孔徑；$R$—天體與物體之間的距離

2.2 極化方式

​ 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。雷達遙感系統常用四種極化方式——HH、VV、HV、VH。前兩者爲同向極化，後兩者爲異向(交叉)極化。

​ 極化是微波的一個突出特點，極化方式不同返回的圖像信息也不同。返回同極化（HH或者VV）信號的基本物理過程類似準鏡面反射，比如，平靜的水面顯示黑色。交叉極化（HV或者VH）一般返回的信號較弱，常受不同反射源影響，如粗糙表面等。

2.3 入射角(Indidence Angle)

​ 入射角也叫視角，是雷達波束與垂直表面直線之間的夾角（如下圖中的θ）。微波與表面的相互作用是非常複雜的，不同的角度區域會產生不同的反射。低入射角通常返回較強的信號，隨着入射角增加，返回信號逐漸減弱。

​ 根據雷達距離地表高度的情況，入射角會隨着近距離到遠距離的改變而改變，依次影響成像幾何。

3. SAR掃描方式分類

​ 合成孔徑雷達按波束掃描方式一般分爲三種模式:條帶式(Stripmap)、聚束成像(Spotlight))和掃描式(ScanSAR)

3.1 條帶模式-Stripmap

​ 當運行Stripmap 模式時，雷達天線可以靈活的調整，改變入射角以獲取不同的成像寬幅。最新的SAR系統都具有這種成像模式，包括RADARSAT-1/2， ENVISAT ASAR， ALOS PALSAR，TerraSAR-X-1， COSMOSkyMed和RISAT-1。

3.2 聚束模式-Spotlight

​ 當執行聚束模式採集數據時，傳感器控制天線不停地向成像區域發射微波波束。它與條帶模式的主要區別：

• 在使用相同物理天線時，聚束模式提供更好的方位分辨率；
• 在可能成像的以一個區域內，聚束模式在單通道上的提供更多的視角；
• 聚束模式可以更有效的獲取多個小區域。

3.3 掃描模式-ScanSAR

​ 掃描模式是共享多個獨立sub-swaths的操作時間，最後獲取一個完整的圖像覆蓋區域。它能解決Stripmap模式較小的刈(yi,4)幅。

​ 這些成像方式的原理都是基於距離多普勒原理。雷達成像中距離分辨率都是通過發射寬頻帶信號進行接受匹配濾波得到窄脈衝，方位分辨率通過對散射點回波信號的多普勒歷程進行相干積累得到。

4.當前主流的星載SAR系統

系統	發射時間	波段	極化	圖像寬度(Km)	分辨率(m)	重複週期	國家/機構
ENVISAT-ASAR（2012失去聯繫）	2002	C	VV	100-400	20	35	歐空局
ALOS-PALSAR（2011停止運行）	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	德國
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	歐空局

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附錄：

附1.微波

1. 微波基礎

​ 微波(microwave)是指波長介於紅外線和無線電波之間的電磁波。微波的頻率範圍大約在300MHz至300GHz之間。所對應的波長爲1m至1mm之間。微波頻率比無線電波頻率高，通常也成爲“超高頻電磁波”。微波作爲電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質通常呈現爲穿透、反射、吸收三個特性。對於玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對於水和食物就會吸收微波而使自身發熱。而對金屬類東西，則會反射微波。

2. 波段劃分

標誌字符	頻率範圍	中心頻率	中心頻率對應波長
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. 不同波段的特徵：

   • 波長短，分辨率高，穿透性差，容易被吸收；
   • 波長長，分辨率低，穿透性強。

4. 波長計算公式：

$C=\lambda f$

其中：$C$爲光速，$\lambda$是波長，$f$是電磁波的頻率。

參考鏈接：

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