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 目前使用最廣的成像雷達(dá)系統(tǒng)就是合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar：SAR），SAR幾乎成為了雷達(dá)的代名詞。本文從應(yīng)用角度介紹SAR系統(tǒng)的基本知識(shí)。

       本文主要包括：

• SAR基本原理
• 幾個(gè)重要的參數(shù)
• SAR拍攝模式
• 當(dāng)前主流星載SAR系統(tǒng)

1.SAR基本原理

     雷達(dá)發(fā)展初期，出現(xiàn)的是真實(shí)孔徑雷達(dá)（Real Aperture Radar：RAR），由于成像分辨率與雷達(dá)天線的長(zhǎng)度成正比，與波長(zhǎng)和觀測(cè)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，限制其發(fā)展和應(yīng)用，后來(lái)逐漸被合成孔徑雷達(dá)SAR取代。

        SAR用一個(gè)小天線作為單個(gè)輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動(dòng)，在不同位置上接收同一地物的回波信號(hào)并進(jìn)行相關(guān)解調(diào)壓縮處理。一個(gè)小天線通過(guò)"運(yùn)動(dòng)"方式就合成一個(gè)等效"大天線"，這樣可以得到較高的方位向分辨率，同時(shí)方位向分辨率與距離無(wú)關(guān)，這樣SAR就可以安裝在衛(wèi)星平臺(tái)上而可以獲取較高分辨率的SAR圖像。

圖： SAR成像原理示意圖

2.SAR幾個(gè)重要的參數(shù)

為了更好的理解SAR和SAR圖像，需要知道幾個(gè)重要的參數(shù)。

2.1分辨率

       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）。

圖： 距離向和方位向示意圖

• 距離向分辨率（Range Resolution）

      垂直飛行方向上的分辨率，也就是側(cè)視方向上的分辨率。距離向分辨率與雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的脈沖信號(hào)相關(guān)，與脈沖持續(xù)時(shí)間成正比：

Res( r) = c*τ/2

其中c為光速，τ為脈沖持續(xù)時(shí)間。

• 方位向分辨率（Azimuth Resolution）

沿飛行方向上的分辨率，也稱沿跡分辨率。如下為推算過(guò)程：

• 真實(shí)波束寬度： β= λ/ D

• 真實(shí)分辨率：ΔL = β*R = Ls (合成孔徑長(zhǎng)度)

• 合成波束寬度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)

• 合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2

         其中λ為波長(zhǎng)，D為雷達(dá)孔徑，R為天線與物體的距離。

       從這個(gè)公式中可以看到，SAR系統(tǒng)使用小尺寸的天線也能得到高方位向分辨率，而且與斜距離無(wú)關(guān)（就是與遙感平臺(tái)高度無(wú)關(guān)）。

圖： 方位向分辨率示意圖

2.2極化方式

         雷達(dá)發(fā)射的能量脈沖的電場(chǎng)矢量，可以在垂直或水平面內(nèi)被偏振。無(wú)論哪個(gè)波長(zhǎng)，雷達(dá)信號(hào)可以傳送水平（H）或者垂直（V）電場(chǎng)矢量，接收水平（H）或者垂直（V）或者兩者的返回信號(hào)。雷達(dá)遙感系統(tǒng)常用四種極化方式——HH、VV、HV、VH。前兩者為同向極化，后兩者為異向(交叉)極化。

圖： HV極化示意圖

圖：VV和HH極化示意圖

        極化是微波的一個(gè)突出特點(diǎn)，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(hào)的基本物理過(guò)程類似準(zhǔn)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(hào)較弱，常受不同反射源影響，如粗糙表面等。

圖：同一地區(qū)不同波長(zhǎng)和極化方式得到的SAR圖像

2.3入射角（Incidence Angle）

           入射角也叫視角，是雷達(dá)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復(fù)雜的，不同的角度區(qū)域會(huì)產(chǎn)生不同的反射。低入射角通常返回較強(qiáng)的信號(hào)，隨著入射角增加，返回信號(hào)逐漸減弱。

          根據(jù)雷達(dá)距離地表高度的情況，入射角會(huì)隨著近距離到遠(yuǎn)距離的改變而改變，依次影響成像幾何。

圖：SAR入射角示意圖

3.星載SAR拍攝模式

星載SAR主要有三種拍攝模式：Stripmap，ScanSAR和 Spotlight。

       當(dāng)然最新的SAR系統(tǒng)擁有更多的拍攝模式，比如RADARSAT-2還用于超精細(xì)、高入射角等拍攝模式

3.1條帶模式-Stripmap

        當(dāng)運(yùn)行Stripmap 模式時(shí)，雷達(dá)天線可以靈活的調(diào)整，改變?nèi)肷浣且垣@取不同的成像寬幅。

        最新的SAR系統(tǒng)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。

圖： 條帶模式

3.2掃描模式-ScanSAR

        掃描模式是共享多個(gè)獨(dú)立sub-swaths的操作時(shí)間，最后獲取一個(gè)完整的圖像覆蓋區(qū)域。它能解決Stripmap模式較小的刈幅。

圖： 掃描模式

3.3聚束模式-Spotlight

當(dāng)執(zhí)行聚束模式采集數(shù)據(jù)時(shí)，傳感器控制天線不停向成像區(qū)域發(fā)射微波束。

它與條帶模式主要區(qū)別為：

• 在使用相同物理天線時(shí)，聚束模式提供更好的方位分辨率；
• 在可能成像的以一個(gè)區(qū)域內(nèi)，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(gè)小區(qū)域。

圖：聚束模式

4.當(dāng)前主流星載SAR系統(tǒng)

其他：RiSAT‐1（印度C波段）、Kompsat‐5（韓國(guó)X波段）