- 什么是SAR？—— 核心思想
- SAR如何工作？—— 基本原理
- SAR图像的关键特性
- SAR成像的主要步骤
- SAR技术的优势与局限性
- 主要应用领域
- 未来发展趋势
什么是SAR？—— 核心思想
想象一下，普通的光学相机或望远镜，其分辨率（能看清多小的细节）主要取决于镜头的孔径大小，孔径越大,分辨率越高。
（图片来源网络，侵删）
雷达使用的是无线电波，其波长比光波要长得多，如果直接制造一个巨大的雷达天线（物理孔径）来获得高分辨率，这个天线会大到不切实际（几公里甚至几十公里宽）。
SAR的核心思想用一个较小的真实天线，通过移动来“合成”一个巨大的虚拟天线，从而获得极高的分辨率。
这个“合成的巨大天线”就叫做合成孔径，SAR就是在移动平台上（如飞机、卫星）搭载一个小型雷达，随着平台的前进，雷达在不同位置发射和接收信号，然后将这些信号在计算机中处理，最终合成一幅高分辨率的雷达图像。
SAR如何工作？—— 基本原理
SAR的工作流程可以概括为以下几个关键步骤：
（图片来源网络，侵删）
a) 距离向分辨率
这是SAR实现高分辨率的第一个维度,比较容易理解。
- 原理：利用雷达信号的时间延迟，雷达向地面发射一个极短的脉冲，这个脉冲以光速传播，遇到地面目标后反射回来，雷达接收回波，并根据发射和接收的时间差
Δt来计算与目标的距离R：R = c * Δt / 2(c为光速) - 实现高分辨率：关键在于发射极宽的带宽信号，带宽
B越宽，脉冲包含的频率成分越多，能分辨的最小距离单元就越小，距离向分辨率ρr近似为：ρr ≈ c / (2 * B)与距离无关！只要带宽足够大，距离向分辨率就可以做得很高,与卫星或飞机飞多高没有直接关系。
b) 方位向分辨率
这是SAR最核心、最巧妙的部分，也就是“合成孔径”的体现。
- 挑战：对于一个固定在飞机上的小天线，它只能“看”到一个很窄的扇形区域，当飞机向前飞行时，这个扇形区域会扫过地面，但对于地面上同一个点，天线只能在飞机飞到它正上方时才能获得最精确的回波，在其他位置，回波的角度和距离都有偏差,无法区分邻近的点。
- SAR的解决方案：
- 数据采集：当雷达平台（如卫星）以恒定速度
V飞行时，它会在一系列位置上（称为“方位向位置”）向地面发射脉冲并接收回波，对于地面上的一个点目标P,雷达在每个位置都会接收到一个来自P的回波信号。 - 多普勒效应：由于雷达平台在移动，接收到的回波信号频率会发生变化，这就是多普勒频移，当雷达正对着P飞行时，多普勒频移为零；在P的左右两侧,频移符号相反。
- 信号处理：SAR系统的核心处理器（称为成像算法，如距离-多普勒算法、Chirp Scaling算法等）会利用这些回波信号中的多普勒历史信息，它将这些在不同位置采集到的、看似杂乱的信号进行相干叠加。
- 合成孔径：通过精确处理，处理器就好像在P点正上方放置了一个巨大的、静止的虚拟天线，这个虚拟天线的长度
Ls等于雷达平台飞过的距离，即：Ls = V * Ta(Ta是雷达照射P点的总时间) 这个虚拟天线的长度就是合成孔径长度。 - 高分辨率：根据天线理论，天线的波束宽度与孔径长度成反比，这个“合成”出来的巨大天线，其波束宽度变得极窄，从而在方位向（即飞行方向）上实现了极高的分辨率
ρa：ρa ≈ D / 2(D是真实天线的物理孔径长度)- 方位向分辨率与飞行距离无关，只取决于真实天线的物理大小！天线越小，飞得越久，合成孔径越大,方位向分辨率越高。
- 数据采集：当雷达平台（如卫星）以恒定速度
SAR图像的关键特性
理解SAR图像的特性至关重要,因为它与光学图像完全不同。
（图片来源网络，侵删）
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 主动成像 | 自己发射电磁波，再接收回波，不受光照条件影响，可以全天时（白天黑夜）、全天候（穿透云、雾、雨）工作。 |
| 侧视成像 | 雷达天线通常指向飞行方向的侧面，而不是正下方，图像有严重的几何畸变（如透视收缩、叠掩、阴影）。 |
| 相干成像 | SAR利用信号的相位信息进行成像，这使得图像具有相干斑 的固有噪声，相干斑是目标散射回来的相干信号在图像上随机干涉形成的“椒盐噪声”，会降低图像的视觉分辨率，需要通过多视处理或后期滤波来抑制。 |
| 辐射特性 | 图像的亮度（灰度值）主要反映地物的后向散射强度，这与地物的介电常数、表面粗糙度、几何形状有关。 |
| - 金属或平滑水面：镜面反射，雷达波能量大部分反射 away from 雷达，所以图像上很暗（低后向散射）。 | |
| - 粗糙表面（如森林、城市）：雷达波向各个方向散射，部分能量返回雷达，所以图像上很亮（高后向散射）。 | |
| - 二面角（如建筑物墙角）：会产生角反射效应，将雷达波直接反射回雷达，导致图像上非常亮。 |
SAR成像的主要步骤
从原始数据到最终图像,SAR成像是一个复杂的数字信号处理过程：
- 数据采集：雷达平台按预定轨迹飞行，发射线性调频脉冲，并接收地面回波，记录下每个脉冲的发射和接收信号，形成原始数据（通常称为原始数据矩阵或二维频谱）。
- 距离向压缩：对原始数据进行匹配滤波处理，将每个回波脉冲与发射信号的副本进行相关运算，将宽的脉冲压缩成一个窄的峰值,从而在距离向上获得高分辨率。
- 方位向压缩：这是最关键的一步，对距离压缩后的数据进行二维傅里叶变换，转换到“距离-多普勒域”，在该域中，不同方位位置的目标具有不同的多普勒中心频率和调频率，通过在方位向进行匹配滤波，将来自同一目标的、在不同位置采集的信号能量相干叠加,从而在方位向上获得高分辨率。
- 地理编码与校正：将图像从雷达坐标系（斜距）转换到地图坐标系（经纬度），并进行地形校正，消除由地形起伏引起的几何畸变,得到具有地理参考的正射影像。
- 辐射定标与滤波：将图像的灰度值转换为具有物理意义的后向散射系数，并进行相干斑滤波,以改善图像视觉效果。
SAR技术的优势与局限性
优势：
- 全天时、全天候：穿透云、雾、雨，不受光照限制,可随时获取数据。
- 主动工作模式：不依赖太阳辐射,可以主动照明目标。
- 对某些地物敏感：对湿度、水分、金属等非常敏感，能探测到光学传感器无法发现的目标（如地下管道、湿润的土壤）。
- 高精度形变监测：通过干涉测量技术，可以毫米级精度监测地表沉降、冰川移动、地震形变等。
局限性：
- 几何畸变严重：图像不是正射投影,需要专业处理才能解读。
- 相干斑噪声：固有噪声,影响图像解译的直观性。
- 解译复杂：图像的灰度与地物物理特性之间的对应关系复杂,需要专业知识。
- 数据处理复杂：计算量巨大,需要高性能计算机和专业软件。
主要应用领域
SAR技术的应用极其广泛,几乎遍及所有需要遥感信息的领域。
- 军事国防：
- 侦察监视：军事目标（飞机、舰船、坦克、导弹发射架）探测与识别。
- 战场打击评估：评估轰炸效果。
- 地形测绘：生成高精度数字高程模型。
- 民用领域：
- 环境监测：
- 洪水监测：穿透云层,快速获取洪水淹没范围。
- 海洋监测：海浪谱、海冰监测、船只探测与跟踪、海上溢油监测。
- 土壤湿度：监测农业干旱情况。
- 灾害评估：
- 地震：通过InSAR技术快速获取地表形变图,评估灾情。
- 滑坡、火山活动：监测地表微小位移。
- 森林火灾：穿透烟雾监测火线。
- 地形测绘：
- 生成数字高程模型：特别是植被覆盖地区，SAR能穿透部分植被,获取地表信息。
- 资源勘探：
- 地质构造分析：识别断层、褶皱等。
- 矿产勘探：识别与矿化有关的地质构造。
- 城市规划与管理：
- 城市扩张监测。
- 建筑物识别与分类。
- 环境监测：
未来发展趋势
SAR技术仍在快速发展,未来的趋势包括：
- 高分辨率与宽幅成像：更高分辨率（分米级甚至厘米级）与更宽的成像带宽度之间的矛盾是永恒的课题。
- 新体制SAR：
- 极化SAR：发射和接收不同极化（水平H、垂直V）的电磁波，获取目标的散射矩阵,提供更丰富的地物信息。
- 层析SAR：结合多个轨道的数据，实现三维成像，可以“看穿”建筑物。
- 沿轨干涉SAR：利用单次飞行的数据,测量水流速度等动态信息。
- 小型化与星群组网：发射由大量小型SAR卫星组成的星座，实现高重访率（每天多次观测同一地区）,为动态监测提供可能。
- 人工智能与深度学习：利用AI技术进行SAR图像自动解译、目标检测、变化检测和图像去噪,大大提高处理效率和精度。
SAR雷达成像技术是一种革命性的遥感技术，它通过“合成孔径”的巧妙思想，突破了物理天线的限制，实现了高分辨率成像，其全天时、全天候的工作能力，以及对地物物理特性的独特敏感性，使其成为现代国防、环境监测、资源勘探等领域不可或缺的强大工具，随着技术的不断进步,SAR将在未来发挥更加重要的作用。
