【资料汇总】合成孔径雷达成像技术

今日主题：SAR

合成孔径的概念始于50年代初期。当时，有些科学家想突破经典分辨率的限制，提出了一些新的设想：

合成孔径雷达天线往往仅用单个辐射单元，沿一直线依次在若干个位置平移，且在每一个位置发射一个脉冲信号，接收相应发射位置的雷达回波信号并储存起来，然后通过信号处理的方法产生一个等效的长的线性阵列天线。

多普勒历程：随着平台的运动，地面目标逐渐进入雷达波束，平台接近目标时多普勒频率为正，远离目标时为负，频率随时间变化曲线的斜率为负，目标的多普勒历程如下图所示。

距离和方位分辨率

合成孔径雷达的距离向（或斜距）指的是雷达到成像目标的视线距离。方位向（横向距离，方位角或沿航迹）用于表示垂直于斜距或平行于雷达沿航迹轴的维度。

在合成孔径雷达应用中，通过对发射信号使用足够宽的频带来获得高距离分辨率。当雷达通常沿着直线路径移动时，通过对不同方位测量的目标电磁散射进行相干处理，以获得良好的方位向分辨率。

大家常使用“合成孔径”一词，是因为合成孔径雷达背后的思想是通过收集小尺寸真实孔径雷达来合成大孔径雷达的效果(见图a)。这是通过沿假想孔径轴移动小孔径雷达来模拟更长的孔径来实现的，如图b所示。

(a) 孔径单天线(λ/D)。(b)N个天线的合成孔径(λ/Dsa)

通常，雷达被放置在机载或星载平台上，当雷达平台沿轨道移动时，在不同的时刻测量地面的电磁反射。对来自不同频率和孔径的照射区域的电磁回波进行相干处理，可以形成地形或场景的二维(2D)图像。

雷达平台正在移动并合成长实孔径雷达的效果

合成孔径雷达系统的距离处理与常规雷达相同。因此，合成孔径雷达的距离分辨率与常规雷达的距离分辨率相同。其中，c是光速，B是频率带宽。因此，选择足够大的信号带宽来获得更好的距离分辨率。

SAR通过沿直线路径移动雷达天线，形成一个长度为Dsa的合成线形天线，可以获得很好的方位向分辨率。有效合成孔径大小是真是真实阵列的两倍，因此，实际上等于：

如果对于一个合成孔径大小为2km的合成孔径雷达平台，从10公里以外的目标收集中心频率为10GHz的散射电磁波，那么其方位向分辨率为30cm，优于真实孔径雷达的情况。

SAR的信号模型和处理过程

SAR是需要存储雷达回波，由于数据不是同时采集的，需要对一定的时间间隔内接收的信号进行运算。A/D转换之后对数字信号进行存储，选择存储介质必须考虑到信息记录的速率、记录的数据容量、完成方位压缩和脉冲压缩时存储数据的读取速度。

SAR天线在每个位置发射脉冲信号并接收目标回波并按顺序存储，然后通过二维匹配滤波实现目标的距离和方位向的高分辨。SAR信号处理是假定雷达随飞机做直线等速飞行。实际上，运载天线的飞行器总是与这种典型的直线等速飞行状态有偏差的。因此就需要用辅助设备来补偿非直线运动。

运动补偿设备必须包含能检测飞行路线与直线路径偏离的传感器，可以用各种方式使用此敏感元件的输出。为了完善运动补偿，还必须调整接收信号的相位，以补偿实际天线与理想的形成合成天线位置之间的偏移。

SAR成像特点

不分昼夜，无论云雨，均可成像：从上面的对比图可以看出，雷达成像相比于光学成像显示出了全天时全天候的探测优势。

波长较长，穿透力强：主流雷达卫星常用X,C,L波段，随着波长越长，穿透性越强。并且利用不同波段的不同穿透性，可以获取更丰富的地物信息。X波段适合对冰的观测和分类，以及对海面污染情况的观察；L波段适合对淡水和穿透地下目标的观测；C波段适合观察海洋上的强目标。

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地物变形（透视收缩、叠掩、阴影）：距离雷达天线近的地物与目标的反射回波先被雷达接收，因此目标顶部的回波先于底部到达，从而掩盖了低矮目标，这种现象称为叠掩，多出现在高大建筑及高山峻岭。

地物目标的阴影在雷达图像中呈黑色，易于路面、水面等相混淆。不过雷达图像的阴影也体现出了目标的很多细节，例如发现建筑物的高低、树干和树冠的形状等。

后向散射特征：不同类型的地物目标的形状、结构和质地不同，对入射的雷达波产生不同的作用效果，因此后向散射值不同，体现出不同的特征。反射波的特性与地物目标的介电常数和粗糙度以及雷达波的入射角有关。例如平坦的湖面、跑道在雷达图像中多为黑色；而铁路、立交等多为亮线；

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）

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