SAR 101：合成孔径雷达简介

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当被要求描绘“卫星图像”时，大多数人会想到像上图左侧那样的东西。这是一张光学图像——一张照片——尽管它是由一台非常强大的相机拍摄的。但是光学图像并不是从卫星或飞机上观察地球表面的唯一方式。

合成孔径雷达 (SAR) 是一种完全不同的生成图片的方式，它通过主动照亮地面而不是像光学图像那样利用太阳光。上图的右侧显示了 SAR 图像与光学图像的不同之处。这些差异带来了挑战，但也创造了新的能力。SAR 的一个主要优点很简单：即使是最好的机载或卫星光学相机在夜间也不太有用，而且在有云或烟雾的情况下也毫无用处。SAR 可以在夜间捕捉图像，并且可以透过云层和烟雾看到。它是一项 24 小时、全天候的技术。

SAR 数据将出现在SpaceNet 6中。在这个由两部分组成的博客系列中，我们将介绍 SAR 工作原理的基础知识、它的独特之处以及它的用途。即使（或特别是）如果您以前从未听说过 SAR，本系列也适合您！

合成孔径雷达如何工作？

合成孔径雷达是一种使用无线电波创建图像的方法。SAR 中使用的无线电波的波长通常从大约 3 厘米到几米不等，这比用于制作光学图像的可见光的波长要长得多。这些波长属于下图中光谱的微波部分。

图 1. 电磁波谱的波长、频率和能量的比较。（图片来源：NASA 的Imagine the Universe）

RADAR 是 Radio Detection And Ranging 的缩写。雷达是一个有源系统，它会产生自己的无线电波并将其从天线发射到目标。根据目标属性和成像几何形状，雷达天线将接收全部、部分或不接收无线电波能量（这是雷达的检测部分）。接收到的信号传播的时间与目标与天线的距离成正比（这是雷达的测距部分）。

图 2. 成像雷达几何结构（图片来源：NASA）

真实孔径雷达 (RAR)

如果雷达天线携带在飞机或轨道卫星上，它可以用来拍摄下面的地面图像。这样的雷达图像是通过向地面发射射频 (RF) 能量脉冲到飞机侧面，并测量返回的强度（有时称为“回波”）和返回所需的时间长度而形成的往返天线。以这种方式，地面被二维地“扫描”。一个维度是“范围”维度。对象根据它们与雷达的距离沿此维度放置。第二个维度是“沿航迹”（或“横向”或“方位角”）维度。在这个维度上，地面被以等于平台（飞机或卫星）速度的速度穿过地面的光束扫描，并且根据飞机沿轨道的位置沿此维度放置物体。图像是根据两个维度的反射信号构建的。这种安排如图 2 所示。

空间分辨率，即分辨地面物体的能力，在距离方向（垂直于飞行方向）与方位角方向（平行于飞行方向）方面有所不同。在“实孔径雷达”中，距离分辨率由天线发射的脉冲宽度定义。方位角分辨率由波束在地面上覆盖区的宽度决定，波束宽度与天线长度成反比。较短的天线长度对应于较宽的波束宽度（地面上的波束足迹）。因为在空间中飞行足够大的天线以产生合理的方位角分辨率是令人望而却步的，这限制了方位角方向的空间分辨率。高级处理算法的发展解决了这个问题，

合成孔径雷达 (SAR)

为了减轻实孔径雷达较差的方位角分辨率的不良影响，利用天线沿方位角方向的运动来“合成”或产生长天线的效果，如图 3 所示。

图 3. 合成孔径生成（图片来源：NASA）

这种合成过程是可能的，因为地面上的散射体（目标）在许多雷达脉冲的真实孔径雷达波束内。将所有这些脉冲的反射适当地相加，可以合成一个波束宽度更窄的大型天线，从而在方位角方向上获得更好的空间分辨率。该技术适用于航空系统和星载系统。

SAR 影像解译

虽然 SAR 创建的图像可以渲染成可识别的地形图，但光学图像和 SAR 图像之间存在重要差异。SAR 图像被认为是一种非文字图像类型，因为它看起来不像人类通常直观的光学图像。必须了解这些方面才能执行准确的图像解释。

阴影

造成阴影的原因与光学图像中形成阴影的原因相同：物体阻挡直接辐射的路径——光学成像情况下的可见光和 SAR 情况下的雷达波束。然而，与由于大气散射可以看到阴影中的物体的光学图像不同，SAR 阴影中没有信息，因为没有返回信号。

缩短

由于 SAR 是一种侧视测距仪器，反向散射回波将根据目标沿倾斜平面（雷达图像平面）与天线的距离排列在图像中。这会导致图像出现一些有趣的几何变形，例如透视。如图 4 所示，斜率 AB 在斜面上被压缩，因为雷达信号在及时到达 A 点后很快到达 B 点。这会导致具有斜坡的高物体（例如山）显得更陡峭，并具有薄而明亮的“边缘”外观。请注意，传感器的视角会影响透视；更大的视角会降低效果。

图 4. 透视几何（图片来源：NASA）

图 5. 停留几何（图片来源：NASA）

停留

Layover 是透视缩短的一个极端例子，其中物体太高以至于雷达信号在到达 A 点之前到达 B 点。这导致 B 点的返回被放置在更靠近传感器（近距离）和模糊点的图像上A，仿佛山顶已经盖在了山脚下。

图 6. SAR 图像中的几何效应示例（图片来源：ERS，ESA 2011。2020 年 1 月 20 日从ASF DAAC检索。）

这些现象的影响会根据传感器的观察角度而改变。较大的视角会增加阴影的效果（延长阴影），同时最大限度地减少停留的影响（较少的停留）。较小的视角会产生相反的效果。图 6 给出了这些对崎岖地形影响的示例。同时，图 7 显示了城市环境中的建筑物如何因相同效果而扭曲的示例。由于中途停留，所有高楼看起来都是水平布置的。

图 7. 城市 SAR 图像中的停留示例。在这个细节中，北部（顶部）有土地，南部（底部）有水。这张图片是由来自南方的飞机拍摄的。由于停留，河岸附近的三座摩天大楼似乎伸入水中。

像素亮度

虽然雷达图像看起来像单色光学图像，但这种印象具有欺骗性。雷达图像中像素的强度并不表示物体的颜色（如彩色照片）。相反，强度取决于 SAR 传感器传输的能量（如照明源的亮度）、物体的材料特性、物体的物理形状以及观察物体的角度。

传感器参数

设计和操作参数允许工程师控制反射返回信号（称为反向散射）。工程师对系统和操作参数进行设计和建模，以最大限度地提高雷达回波，从而最大限度地收集针对特定目标的信息。在设计过程中，选择系统的波长和偏振（下面讨论）并且一旦发射就不能改变。这些固定的传感器参数在某种程度上决定了特定图像中像素的亮度。

波长会影响方位角分辨率，但它对穿透力也有重要影响，请参见图 8。一般来说，雷达穿透力随波长增加而增加。

如上所述，视角会影响停留和阴影，但也会对像素亮度产生影响，因为它会改变雷达波束与物体的相互作用方式。

发送和接收时的偏振也会影响像素亮度，如下节所述。

图 8. 按频率划分的雷达穿透率

表面参数

影响像素亮度的表面参数是材料的表面粗糙度，相对于系统波长和散射材料（物体的介电常数）。如果材料的表面粗糙度相对于系统波长是平滑的，则雷达波束根据反射定律被反射（图 9）。这称为镜面反射。如果相对于系统波长而言表面粗糙，则雷达波束会向各个方向散射。这称为漫散射。不同的表面粗糙度会导致不同的漫散射量和不同的像素亮度。

散射材料的介电常数是一种材料的物理特性，它决定了该材料对电磁波的反射程度。金属物体和水具有更高的介电常数并且反射性更强，但是由于它们相对于系统波长而言是光滑的，并且通常是平坦的，因此雷达波束被镜面反射，远离传感器。

图 9. 表面粗糙度散射（图片来源：NASA）

此外，某些表面特征会通过从多个表面反弹而导致反射回传感器的镜面反射。双反射反射称为二面反射，三次反射反射称为三面反射。这些是由彼此成 90 度角的光滑表面引起的，如图 10 所示。

图 10. 二面角散射

斑点

SAR 是一种相干成像方法，因为雷达波束中的无线电波在空间和时间上是对齐的。这种相干性提供了许多优势（合成孔径过程需要它才能工作），但它会导致一种称为散斑的现象。散斑是像素亮度的“盐和胡椒”变化，会降低 SAR 图像的质量，使图像解读更加困难。出现散斑是因为给定像素中通常有许多单独的散射，这会导致像素之间的正（盐）和负（胡椒）干扰，否则反向散射返回是恒定的。

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