SAR成像系列：【1】合成孔径雷达（SAR）成像概述

本系列主要介绍合成孔径雷达（SAR）成像的关键技术，帮助入门者更好的理解雷达成像原理及算法。

（1）雷达原理

雷达的英文式 Radar ，源于 Radio Detection and Ranging 的缩写，意思是“无线电探测和测距”。顾名思义初始雷达是为了探测目标距离和目标角度的。如下图所示，雷达自身发射电磁波在空气中向前传播，电磁波遇到目标后会将电磁波散射到各个方向中，目标反射的电磁波部分能量被雷达接收，雷达接收机将接收的微弱信号放大，进行信号处理后获取所需的目标信息（包括目标距离和角度）。

雷达发射信号和接收回波如下图所示，

在最简单的雷达测距中，目标的距离表示为

$R=\frac{ct_{r}}{2}$

其中 $t_{r}$ 是雷达接收信号时间和发射信号时间的差值。分子上的2表示电磁波信号的双程路径。测距的分辨率为： $\Delta R=\frac{c\tau}{2}$ . $\tau$ 为脉冲持续时间。

电磁波的多普勒效应是雷达测速的基础，也是合成孔径雷达成像依据。

由于目标和雷达的相对移动，雷达的发射信号与目标反射回波信号的频率不同。两者的频率差称为多普勒频移 $f_{d}$ 。可以通过多普勒频率计算出目标相对于雷达的速度：

$V=\frac{\lambda f_{d}}{2}$

（2）合成孔径雷达（SAR）成像原理

在常规的雷达使用中，每发射一个脉冲雷达接收机就获得一个一维采样的回波信号，然后对信号进行处理获得目标信息。为了获得足够的目标能力，也可做相关积累。但是图像是一个二维的矩阵。要想使用雷达获得目标的二维图像就必须要有二维的回波信号，二维的回波信号可以通过排列每个脉冲回波得到。但是这种二维的回波信号不一定在二维上都是有用信息。在雷达信号中的有用信息就是发射电磁波的频率。在单个脉冲中通常发射线性调频信号方便做匹配滤波形成高分辨一维像，那么在排列起来的二维信号中也希望有一个脉间的调频信号，这个脉间的调频信号就是多普勒调频信号。因此合成孔径雷达（SAR）成像的基础是目标与雷达产生相对运动，获得包含两个维度的具有线性调频信号性质的回波。如下图所示：

（3）合成孔径雷达（SAR）工作模式

合成孔径雷达按照波束照射方式分为：条带式(Stripmap)、聚束式(Spotlight)、滑动聚束式（Sliding Spotlight）和扫描式(ScanSAR)。

条带SAR：波束与运动平台相对不变，波束以平台运动速度照射成像区域。

聚束SAR：平台飞行过程中通过控制雷达波束照射成像场景同一位置，实现场景凝视成像。

滑动聚束SAR:介于条带和聚束SAR中间的一种成像模式，地面波束与运动平台速度不同，并实现一定程度的凝视效果。

扫描SAR：通过控制波束速度（一般比平台速度大），实现场景不同区域的快速成像。

虽然不同的成像模式获取的SAR图像分辨率有所不同，但是相对于信号处理机来说，信号处理方式差别不大。

（4）SAR的距离向和方位向

SAR成像不同于传统的光学CCD成像，一次性形成二维图像。SAR成像的二维是分开的，分为距离向和方位向（就二维成像而言，SAR层析成像的三维性后续再讲）。因此SAR成像主要包含两个步骤：距离向聚焦与方位向聚焦。

如上图，一般认为，距离向为雷达的视线方向，方位向为雷达的前进方向。

由于SAR成像是目标RCS回波能量的量化显示，因此SAR图像为灰度图像，有时为了方便辨认目标，也有认为添加的伪彩色图像。

（5）SAR图像的分辨率

SAR的成像分辨率表示的是能够区分两个相邻目标的能力，而不是所谓的量化后的像素间隔。

SAR图像的距离向分辨能力与探测雷达一致，本质上都是对发射信号进行匹配滤波获得的。因此距离向分辨率表示为：

$\rho _{r}=c/2B_{r}$

c表示光速，Br为发射的线性调频信号带宽。

SAR图像的方位分辨率是依靠多普勒带宽换来的。“合成孔径”实质上是合成的方位信号多普勒带宽。方位向的分辨率表示为：

$\rho _{a}=D/2$

D表示天线长度。因此方位分辨率与实际天线长度有关，而与目标的距离远近无关。关于方位向分别率的详细推导将在后续文中提到。

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