【遥感专题系列】微波遥感（二、合成孔径雷达SAR基础）
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2016-06-19
目前使用最广的成像雷达系统就是合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar：SAR），SAR几乎成为了雷达的代名词。本文从应用角度介绍SAR系统的基本知识。
本文主要包括：
1.SAR基本原理
雷达发展初期，出现的是真实孔径雷达（Real Aperture Radar：RAR），由于成像分辨率与雷达天线的长度成正比，与波长和观测距离成反比，要想得到较高分辨率的SAR图像，需要增加天线的物理尺寸，限制其发展和应用，后来逐渐被合成孔径雷达SAR取代。
SAR用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线通过"运动"方式就合成一个等效"大天线"，这样可以得到较高的方位向分辨率，同时方位向分辨率与距离无关，这样SAR就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的SAR图像。
图： SAR成像原理示意图
2.SAR几个重要的参数
为了更好的理解SAR和SAR图像，需要知道几个重要的参数。
2.1分辨率
SAR图像分辨率包括距离向分辨率（Range Resolution）和方位向分辨率（Azimuth Resolution）。
图： 距离向和方位向示意图
垂直飞行方向上的分辨率，也就是侧视方向上的分辨率。距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关，与脉冲持续时间成正比：
Res( r) = c*τ/2
其中c为光速，τ为脉冲持续时间。
沿飞行方向上的分辨率，也称沿迹分辨率。如下为推算过程：
• 真实波束宽度： β= λ/ D
• 真实分辨率：ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)
• 合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)
• 合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2
其中λ为波长，D为雷达孔径，R为天线与物体的距离。
从这个公式中可以看到，SAR系统使用小尺寸的天线也能得到高方位向分辨率，而且与斜距离无关（就是与遥感平台高度无关）。
图： 方位向分辨率示意图
2.2极化方式
雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长，雷达信号可以传送水平（H）或者垂直（V）电场矢量，接收水平（H）或者垂直（V）或者两者的返回信号。雷达遥感系统常用四种极化方式——HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化，后两者为异向(交叉)极化。
图： HV极化示意图
图：VV和HH极化示意图
极化是微波的一个突出特点，极化方式不同返回的图像信息也不同。返回同极化（HH或者VV）信号的基本物理过程类似准镜面反射，比如，平静的水面显示黑色。交叉极化（HV或者VH）一般返回的信号较弱，常受不同反射源影响，如粗糙表面等。
图：同一地区不同波长和极化方式得到的SAR图像
2.3入射角（Incidence Angle）
入射角也叫视角，是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角（如下图中的θ）。微波与表面的相互作用是非常复杂的，不同的角度区域会产生不同的反射。低入射角通常返回较强的信号，随着入射角增加，返回信号逐渐减弱。
根据雷达距离地表高度的情况，入射角会随着近距离到远距离的改变而改变，依次影响成像几何。
图：SAR入射角示意图
3.星载SAR拍摄模式
星载SAR主要有三种拍摄模式：Stripmap，ScanSAR和 Spotlight。
当然最新的SAR系统拥有更多的拍摄模式，比如RADARSAT-2还用于超精细、高入射角等拍摄模式
3.1条带模式-Stripmap
当运行Stripmap 模式时，雷达天线可以灵活的调整，改变入射角以获取不同的成像宽幅。
最新的SAR系统都具有这种成像模式，包括RADARSAT-1/2， ENVISAT ASAR， ALOS PALSAR，TerraSAR-X-1， COSMOSkyMed和RISAT-1。
图： 条带模式
3.2扫描模式-ScanSAR
扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间，最后获取一个完整的图像覆盖区域。它能解决Stripmap模式较小的刈幅。
图： 扫描模式
3.3聚束模式-Spotlight
当执行聚束模式采集数据时，传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。
它与条带模式主要区别为：
图：聚束模式
4.当前主流星载SAR系统
其他：RiSAT‐1（印度C波段）、Kompsat‐5（韩国X波段）
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v13t.html
本文主要包括：
- SAR基本原理
- 几个重要的参数
- SAR拍摄模式
- 当前主流星载SAR系统
1.SAR基本原理
雷达发展初期，出现的是真实孔径雷达（Real Aperture Radar：RAR），由于成像分辨率与雷达天线的长度成正比，与波长和观测距离成反比，要想得到较高分辨率的SAR图像，需要增加天线的物理尺寸，限制其发展和应用，后来逐渐被合成孔径雷达SAR取代。
SAR用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线通过"运动"方式就合成一个等效"大天线"，这样可以得到较高的方位向分辨率，同时方位向分辨率与距离无关，这样SAR就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的SAR图像。
图： SAR成像原理示意图
2.SAR几个重要的参数
为了更好的理解SAR和SAR图像，需要知道几个重要的参数。
2.1分辨率
SAR图像分辨率包括距离向分辨率（Range Resolution）和方位向分辨率（Azimuth Resolution）。
- 距离向分辨率（Range Resolution）
垂直飞行方向上的分辨率，也就是侧视方向上的分辨率。距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关，与脉冲持续时间成正比：
Res( r) = c*τ/2
其中c为光速，τ为脉冲持续时间。
- 方位向分辨率（Azimuth Resolution）
沿飞行方向上的分辨率，也称沿迹分辨率。如下为推算过程：
• 真实波束宽度： β= λ/ D
• 真实分辨率：ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)
• 合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)
• 合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2
其中λ为波长，D为雷达孔径，R为天线与物体的距离。
从这个公式中可以看到，SAR系统使用小尺寸的天线也能得到高方位向分辨率，而且与斜距离无关（就是与遥感平台高度无关）。
图： 方位向分辨率示意图
2.2极化方式
雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长，雷达信号可以传送水平（H）或者垂直（V）电场矢量，接收水平（H）或者垂直（V）或者两者的返回信号。雷达遥感系统常用四种极化方式——HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化，后两者为异向(交叉)极化。
图： HV极化示意图
图：VV和HH极化示意图
极化是微波的一个突出特点，极化方式不同返回的图像信息也不同。返回同极化（HH或者VV）信号的基本物理过程类似准镜面反射，比如，平静的水面显示黑色。交叉极化（HV或者VH）一般返回的信号较弱，常受不同反射源影响，如粗糙表面等。
图：同一地区不同波长和极化方式得到的SAR图像
2.3入射角（Incidence Angle）
入射角也叫视角，是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角（如下图中的θ）。微波与表面的相互作用是非常复杂的，不同的角度区域会产生不同的反射。低入射角通常返回较强的信号，随着入射角增加，返回信号逐渐减弱。
根据雷达距离地表高度的情况，入射角会随着近距离到远距离的改变而改变，依次影响成像几何。
图：SAR入射角示意图
3.星载SAR拍摄模式
星载SAR主要有三种拍摄模式：Stripmap，ScanSAR和 Spotlight。
当然最新的SAR系统拥有更多的拍摄模式，比如RADARSAT-2还用于超精细、高入射角等拍摄模式
3.1条带模式-Stripmap
当运行Stripmap 模式时，雷达天线可以灵活的调整，改变入射角以获取不同的成像宽幅。
最新的SAR系统都具有这种成像模式，包括RADARSAT-1/2， ENVISAT ASAR， ALOS PALSAR，TerraSAR-X-1， COSMOSkyMed和RISAT-1。
图： 条带模式
3.2扫描模式-ScanSAR
扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间，最后获取一个完整的图像覆盖区域。它能解决Stripmap模式较小的刈幅。
图： 扫描模式
3.3聚束模式-Spotlight
当执行聚束模式采集数据时，传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。
它与条带模式主要区别为：
- 在使用相同物理天线时，聚束模式提供更好的方位分辨率；
- 在可能成像的以一个区域内，聚束模式在单通道上的提供更多的视角；
- 聚束模式可以更有效的获取多个小区域。
图：聚束模式
4.当前主流星载SAR系统
其他：RiSAT‐1（印度C波段）、Kompsat‐5（韩国X波段）
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v13t.html
