合成孔徑雷達（高分辨率成像雷達）

合成孔徑雷達（高分辨率成像雷達）

合成孔徑雷達 （高分辨率成像雷達） 次瀏覽 | 2022.08.31 16:53:16 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 合成孔徑雷達高分辨率成像雷達

合成孔徑雷達( SAR) 是一種高分辨率成像雷達，可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像。利用雷達與目標的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用數據處理的方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達，也稱綜合孔徑雷達。合成孔徑雷達的特點是分辨率高，能全天候工作，能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。所得到的高方位分辨力相當于一個大孔徑天線所能提供的方位分辨力。合成孔徑雷達的首次使用是在20世紀50 年代后期，裝載在RB-47A和RB-57D 戰略偵察飛機上。經過近60 年的發展，合成孔徑雷達技術已經比較成熟，各國都建立了自己的合成孔徑雷達發展計劃，各種新型體制合成孔徑雷達應運而生，在民用與軍用領域發揮重要作用。

中文名

合成孔徑雷達

英文名

Synthetic Aperture Radar,SAR

別稱

綜合孔徑雷達

分類

聚焦型和非聚焦型

特點

分辨率高，全天時，全天候工作

應用

航空

工作方式

按一定的重復頻率發、收脈沖

定義合成孔徑雷達

定義1：用一個小天線作為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動，在不同位置上接收同一地物的回波信號并進行相關解調壓縮處理的側視雷達。

所屬學科：測繪學(一級學科);攝影測量與遙感學(二級學科)

定義2：一種機載雷達系統，其所接收到的來自移動的飛機或衛星上的雷達回波經計算機合成處理后，能得到相當于從大孔徑天線所獲取的信號。

所屬學科：大氣科學(一級學科);大氣探測(二級學科)

定義3：一種利用合成無線電技術獲得高方位分辨率的相干成像雷達。

所屬學科：地理學(一級學科);遙感應用(二級學科)

定義4：用相干信號處理技術處理回波振幅和相位，得到較大觀測孔徑的一種微波成像雷達。

所屬學科：海洋科技(一級學科);海洋技術(二級學科);海洋遙感(三級學科)

定義5：利用合成孔徑天線及信號處理技術，實現高角分辨力的雷達。

所屬學科：航空科技(一級學科);航空電子與機載計算機系統(二級學科)

定義6：是一種高分辨率的二維微波對地成像系統。能夠全天候工作，有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。

所屬學科：資源科技(一級學科);資源信息學(二級學科)

定義7：利用雷達與目標的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用數據處理的方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達。合成孔徑雷達的特點是分辨率高,能全天候工作,能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物。

工作原理

與其它大多數雷達一樣，合成孔徑雷達通過發射電磁脈沖和接收目標回波之間的時間差測定距離，其分辨率與脈沖寬度或脈沖持續時間有關，脈寬越窄分辨率越高。合成孔徑雷達通常裝在飛機或衛星上，分為機載和星載兩種。合成孔徑雷達按平臺的運動航跡來測距和二維成像，其兩維坐標信息分別為距離信息和垂直于距離上的方位信息。方位分辨率與波束寬度成正比，與天線尺寸成反比，就像光學系統需要大型透鏡或反射鏡來實現高精度一樣，雷達在低頻工作時也需要大的天線或孔徑來獲得清晰的圖像。由于飛機航跡不規則，變化很大，會造成圖像散焦。

必須使用慣性和導航傳感器來進行天線運動的補償，同時對成像數據反復處理以形成具有最大對比度圖像的自動聚焦。因此，合成孔徑雷達成像必須以側視方式工作，在一個合成孔徑長度內，發射相干信號，接收后經相干處理從而得到一幅電子鑲嵌圖。雷達所成圖像像素的亮度正比于目標區上對應區域反射的能量。總量就是雷達截面積，它以面積為單位。后向散射的程度表示為歸一化雷達截面積，以分貝(?dB)?表示。地球表面典型的歸一化雷達截面積為:?最亮+?5?dB，最暗－40?dB。合成孔徑雷達不能分辨人眼和相機所能分辨的細節，但其工作的波長使其能穿透云和塵埃。?

發展概況

1951年6月美國Goodyear宇航公司的CarlWiley首先提出用頻率分析方法改善雷達角分辨率的方法。與此同時, 美國伊利諾依大學控制系統實驗室獨立用非相參雷達進行實驗, 驗證頻率分析方法確實能改善雷達角分辨率。1978年6月27日, 美國國家航空航天局噴氣推進實驗室(JPL)發射了世界上第1顆載有SAR的海洋衛星Seasat-A。該衛星工作在L波段、HH極化, 天線波束指向固定, Seasat-A的發射標志著合成孔徑雷達已成功進入從太空對地觀測的新時代。

美國宇航局

在Seasat-A取得巨大成功的基礎上, 利用航天飛機分別于1981年11月、1984年10月和1994年4月將Sir-A、Sir-B和Sir-C/X-SAR3 部成像雷達送入太空。Sir-A是一部HH極化L波段SAR, 天線波束指向固定, 以光學記錄方式成像, 對1000 ×104 km2 的地球表面進行了測繪, 獲得了大量信息, 其中最著名的是發現了撒哈拉沙漠中的地下古河道, 顯示了SAR具有穿透地表的能力, 引起了國際學術界的巨大震動。產生這種現象的原因, 一方面取決于被觀測地表的物質常數(導電率和介電常數)和表面粗糙度, 另一方面, 波長越長其穿透能力越強。Sir-B是Sir-A的改進型, 仍采用HH極化L波段的工作方式, 但其天線波束指向可以機械改變, 提高了對重點地區的觀測實效性。Sir-C/X-SAR是在Sir-A, Sir-B基礎上發展起來的, 并引入很多新技術, 是當時最先進的航天雷達系統:具有L、C和X3個波段, 采用4種極化(HH , HV, VH和VV),其下視角和測繪帶都可在大范圍內改變。

“長曲棍球”(Lacros)衛星是美國的軍用雷達成像偵察衛星。衛星的主體呈八棱體，長8m，直徑約4?m?，?一對太陽能電池帆在軌道上展開后跨度為4?5?.?1?m，可提供1?0?k?W?以上的電力，因為這種衛星要向地面發射微波能量，所以需要大量的能量。衛星設計壽命8?年，?運行傾角為57°～68°，軌道高度為670～703km。該星的合成孔徑雷達天線呈矩形，長14.4m，寬3.6m，由3個平面天線陣組成，每個天線陣含4個長度相等的子陣。雷達的幾何分辨率為0.3～3m，所獲圖像數據通過大型拋物面可跟蹤天線經“跟蹤與數據中繼衛星”傳至白沙地面站，再經過美國國內通信衛星傳到貝爾沃堡。它不僅適于跟蹤艦船和裝甲車輛的活動，監視機動或彈道導彈的動向，還能發現偽裝的武器和識別假目標，甚至能穿透干燥的地表，發現藏在地下數米深處的設施。“長曲棍球”衛星還載有用于目標識別的光學遙感器，以供KH-12詳細成像之用。1997年10月23日發射升空的第3顆?“長曲棍球”衛星帶有相控陣饋電系統，采用拋物面雷達天線，成像質量有所改善。該星與另一顆星配對工作，因而可以反復偵察地面目標。[1]

歐空局

歐空局分別于1991年7月和1995年4月, 發射了歐洲遙感衛星(European Remote Sensing Satellite, ERS)系列民用雷達成像衛星:ERS-1和ERS-2, 主要用于對陸地、海洋、冰川、海岸線等成像。衛星采用法國Spot-I和Spot-Ⅱ衛星使用的MK-1平臺, 裝載了C波段SAR, 天線波束指向固定, 并采用VV極化方式, 可以獲得30 m空間分辨率和100 km觀測帶寬的高質量圖像。Envisat是ERS計劃的后續, 由歐空局于2002年3月送入太空的又一顆先進的近極地太陽同步軌道雷達成像衛星。Envisat上所搭載的ASAR是基于ERS-1/2主動微波儀(AMI)建造的, 繼承了ERS-1 /2 AMI中的成像模式和波束模式, 增強了在工作模式上的功能, 具有多種極化、可變入射角、大幅寬等新的特性, 它將繼續開展對地觀測和地球環境的研究。

意大利

2007年6月, 由意大利國防部與航天局合作項目的首顆雷達成像衛星Cosmo-Skymed1 衛星的發射入軌標志著Cosmo-Skymed星座項目的啟動。Cosmo-Skymed衛星工作在X波段(9.6 GHz), 具有多極化、多入射角的特性, 具備3種工作方式和5種分辨率的成像模式:ScanSAR(100 m和30 m)、Strip-Map(3 m和1.5 m)、SpotLight(1 m)。其中, Cosmo-Skymed星座是意大利的SAR成像偵察衛星星座, 共包括4顆SAR衛星。該星座是與法國Pleiade光學衛星星座配套使用的, 兩者均采用太陽同步軌道, 作為全球第1個分辨率高達1 m的雷達成像衛星星座, Cosmo-Skymed系統將以全天候、全天時對地觀測的能力、衛星星座特有的高重訪周期和1 m高分辨率的成像為環境資源監測、災害監測、海事管理及軍事領域等應用開辟更為廣闊的道路。

德國

TerraSAR-X是首顆由德國宇航中心(DLR)和民營企業EADSAstrium及Infoterra公司根據PPP模式(公-私共建)共同開發的的軍民兩用雷達偵察衛星。該衛星于2007年6月15日從拜科努爾航天中心發射升空, 運行在515 km的近極地太陽同步軌道上, 工作在X波段(9.65 GHz), 具有多極化、多入射角的特性,具備4種工作方式和4 種不同分辨率的成像模式:StripMap(單視情況下:距離上3m, 方位上3m)、Scan-SAR(4視情況下:距離上15 m, 方位上16 m)、Spot-Light(單視情況下:距離上2 m, 方位上1.2 m)和高分辨SpotLight(單視情況下:距離上1 m, 方位上1.2 m)。SAR-LUPE是德國第1 個軍用天基雷達偵察系統, 服務于德國聯邦部隊。該衛星系統主要由5 顆X波段雷達成像衛星組成星座, 分布在3個高度500 km的近極地太陽同步軌道面上, 其中2 個軌道面上將有2顆衛星運行, 另一個軌道面上有1顆衛星。每顆衛星都可以穿透黑暗和云層, 提供分辨率1 m以內的圖像。整個衛星系統, 每天可以提供全球從北緯80°到南緯80°地區的30 多幅圖像, 具有SpotLight和Strip-Map2種工作模式, 并且具有星際鏈路能力, 縮短了系統相應時間, 具備對“熱點”地區每天30 次以上的成像能力。

俄羅斯

1987年7月25日, 前蘇聯成功發射第1個雷達衛星演示驗證項目Cosmos-1870, 在此基礎上, 俄羅斯分別于1991年3月31日和1998年將“鉆石”(Almaz)系列雷達成像衛星——— Almaz-1和Almaz-1B送入傾角73°的非太陽同步圓形近地軌道。其中, Almaz-1是一顆對地觀測衛星雷達成像衛星, 工作在S波段(中心頻率3.125 GHZ), 采用單極化(HH)、雙側視工作方式, 入射角可變(30°～ 60°),分辨率達到(10 m～ 15 m)。Almaz-1B是一顆用于海洋和陸地探測的雷達衛星, 衛星上搭載3種SAR載荷:SAR-10(波長9.6 cm, 分辨率5 m～ 40 m)、SAR-70(波長7 cm, 分辨率15 m～ 60 m)和SAR-10(波長3.6 cm、分辨率5 m～ 7 m), 這3種SAR載荷均采用HH極化方式。此外, 俄羅斯還將發射Arkon-2多功能雷達衛星、Kondor-E小型極地軌道雷達衛星。

加拿大航天局

加拿大航天局于1989年開始進行SAR衛星———RadarSat-1的研制, 并于1995年11月4日在美國范登堡空軍基地發射成功, 1996 年4月正式工作, 是加拿大的第1顆商業對地觀測衛星, 主要監測地球環境和自然資源變化。該衛星運行在780 km的近極地太陽同步軌道上, 工作在C波段(5.3 GHz), 采用HH極化方式, 具有7 種波束模式、25 種成像方式。與其他SAR衛星不同, 首次采用了可變視角的ScanSAR工作模式, 以500 km的足跡每天可以復蓋北極區一次, 幾乎可以復蓋整個加拿大, 時間每隔3 天復蓋一次美國和其他北緯地區, 全球復蓋一次不超過5天。RadarSat-2是加拿大繼RadarSat-1 之后的新一代商用合成孔徑雷達衛星, 它繼承了RadarSat-1所有的工作模式, 并在原有的基礎上增加了多極化成像, 3 m分辨率成像、雙邊(dual-channel)成像和動目標探測(MODEX)。RadarSat-2 與RadarSat-1 擁有相同的軌道, 但是比RadarSat-1滯后30 min, 縮短了對同一地區的重復觀測周期, 提高了動態信息的獲取能力。

日本

JERS-1衛星于1992年2月11日在Tanegashima空間中心被發射升空, 主要用于地質研究、農林業應用、海洋觀測、地理測繪、環境災害監測等。該衛星載有2個完全匹配的對地觀測載荷:有源SAR和無源多光譜成像儀, 運行在570 km的近極地太陽同步軌道上, 入射角固定、單一極化(HH), 工作在L波段(中心頻率1.275 GHz), 分辨率18 m。先進陸地觀測衛星(Advanced Land Obrving Satellite,ALOS)于2006年1月24日被送入690 km的準太陽同步回歸軌道。ALOS采用高分辨率和微波掃描, 主要用于陸地測圖、區域性觀測、災害監測、資源調查等方面。該衛星攜帶了3 種傳感器:全色立體測圖傳感器PRISM、新型可見光和近紅外輻射計AVNIR-2和相控陣型L波段合成孔徑雷達PALSAR。該衛星具有多入射角、多極化、多工作模式(高分辨率模式和ScanSAR模式)及多種分辨率的特性, 最高分辨率能達到7 m。

以色列

TecSAR是以色列國防部的第1顆雷達成像衛星,運行在傾角為143.3°、高度為550 km的太陽同步圓形軌道上, 具有多極化(HH、VV、VH、HV)、多種成像模式(StripMap、ScanSAR、SpotLight、馬賽克)及多種分辨率的特性, 工作在X波段, 最高分辨率可達到1 m(SpotLight)。此外, 據不完全統計, 還有其他很多國家也在大力開展星載雷達的研究, 已經發射或即將發射星載SAR的國家及衛星包括:印度的RiSat、中國的“遙感一號”、韓國的“KompSat-5”、阿根廷的“SAOCOM”等。

發展歷程

合成孔徑的概念始于50年代初期。當時，美國有些科學家想突破經典分辨力的限制，提出了一些新的設想：利用目標與雷達的相對運動所產生的多普勒頻移現象來提高分辨力；用線陣天線概念證明運動著的小天線可獲得高分辨力。50年代末，美國研制成第一批可供軍事偵察用的機載高分辨力合成孔徑雷達。60年代中期，隨著遙感技術的發展，軍用合成孔徑雷達技術推廣到民用方面，成為環境遙感的有力工具。70年代后期，衛星載合成孔徑雷達和數字成像技術取得進展。美國于1978年發射的“海洋衛星”A號和 80年代初發射的航天飛機都試驗了合成孔徑雷達的效果，證明了雷達圖像的優越性。

空中SAR

1. 1951年, Carl Wiley 首次提出利用頻率分析方法改善雷達的角分辨率.

2. 1953年, 伊利諾依大學采用非聚焦方法使角度分辨率由4.13度提高到0.4度,并獲得第一張SAR圖像.

3. 1957年, 密西根大學采用光學處理方式, 獲得了第一張全聚焦SAR圖像.

4. 1978年, 美國發射了第一顆星載Seasat-1.

5. 1991年, 歐洲空間局發射了ERS-1.

6. 1995年, 加拿大發射了Radarsat-1.

7. 2000年, 歐洲空間局發射了ASAR.

8. 2006年, 日本發射ALOS PALSAR.

9. 2007年, 德國發射TerraSAR-X

10. 2007年底, 加拿大發射Radarsat-2

工作方式

合成孔徑雷達工作時按一定的重復頻率發、收脈沖，真實天線依次占一虛構線陣天線單元位置。把這些單元天線接收信號的振幅與相對發射信號的相位疊加起來，便合成一個等效合成孔徑天線的接收信號。若直接把各單元信號矢量相加，則得到非聚焦合成孔徑天線信號。在信號相加之前進行相位校正，使各單元信號同相相加，得到聚焦合成孔徑天線信號。地物的反射波由合成線陣天線接收，與發射載波作相干解調，并按不同距離單元記錄在照片上，然后用相干光照射照片便聚焦成像。這一過程與全息照相相似，差別只是合成線陣天線是一維的，合成孔徑雷達只在方位上與全息照相相似，故合成孔徑雷達又可稱為準微波全息設備。

合成孔徑雷達：利用遙感平臺的移動，將一個小孔徑的天線安裝在平臺側方，以代替大孔徑的天線，提高方位分辨率的雷達。

應用領域

在航空方面，合成孔徑雷達的分辨率可達到1米以內。航天器上的合成孔徑雷達因作用距離遠,為獲得高分辨率，技術較為復雜。1972年發射的“阿波羅”17號飛船、1978年發射的“海洋衛星”和1981年發射的“哥倫比亞”號航天飛機上都裝有合成孔徑雷達。

合成孔徑雷達主要用于航空測量、航空遙感、衛星海洋觀測、航天偵察、圖像匹配制導等。它能發現隱蔽和偽裝的目標，如識別偽裝的導彈地下發射井、識別云霧籠罩地區的地面目標等。在導彈圖像匹配制導中，采用合成孔徑雷達攝圖，能使導彈擊中隱蔽和偽裝的目標。合成孔徑雷達還用于深空探測，例如用合成孔徑雷達探測月球、金星的地質結構。

各國星載SAR系統

美國： Seasat-1, Sir-A, Sir-B, Sir-C, LACROSSE SAR, LightSAR, Medsat SAR

歐洲： ERS-1, ERS-2, XSAR, ASAR

加拿大： Radarsat-1, Radarsat-2

俄羅斯： Almaz-1

日本： JERS-1, ALOS/PALSAR

德國： TerraSAR-X

意大利： Cosmo-SkyMed

同名書籍

書 名： 合成孔徑雷達

作者：匡綱要

出版社： 國防科技大學出版社

出版時間： 2007年11月

ISBN： 9787810994545

開本： 16開

定價： 38.00 元

內容簡介

本書主要介紹了合成孔徑雷達(SAR)目標檢測所涉及的基本概念、理論和應用技術，以及近年來國際上有關的最新研究成果。具體內容包括SAR圖像中的雜波統計建模、RCS重構、目標檢測的基礎理論和算法、目標鑒別、邊緣及線目標檢測以及極化SAR系統中的目標檢測，最后給出典型的應用示例。 本書適用于遙感信息處理、圖像判讀專業的研究人員、工程技術人員、高等院校教師等閱讀參考，亦可作為高等院校遙感信息處理等相關專業的研究生課程教材。

參考資料