合成孔径雷达（SAR）成像原理

SAR（synthetic aperture radar，SAR）技术是当前和未来遥感技术的热点和重要发展方向，在遥感对地观测中具有独特的优势和广泛的应用前景。本篇小文对《遥感技术基础与应用》（第三版）中第五章“微波遥感”的内容进行了适当的扩展，意在加深读者对SAR技术的理解，并增强雷达图像解译的能力。

一、SAR技术的发展历史

我们通常所说的“雷达”，是英文Radar的音译，源于“Radio Detection and Ranging”的缩写，意为“无线电探测和测距”。1940 年，美国海军研究实验室的海军中校Samuel M. Tucker和F.R. Furth在开发一种利用无线电波探测目标的技术时，首次使用了“Radar” 这个术语。在此之前，类似的技术有多种不同的名称，如英国的 “无线电定位”（Radio Location）等。随着雷达技术在二战中的广泛应用和不断发展，“Radar” 一词逐渐被全世界所接受，并成为了这种技术的标准术语。然而，Radar技术的起源则要追溯到19世纪末。

1886年，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）通过实验证实了电磁波的存在，并证明了电磁波具有反射、折射等与光相似的特性，并发现无线电波会被金属物体反射，据此他在实验中制作和使用了特殊的反射器，这为利用电磁波进行目标探测提供了依据。

1904年，基于海因里希·赫兹的发现，德国发明家克里斯蒂安?胡尔斯迈耶（Christian Hülsmeyer）发明了一种名为“telemobiloscope”（远程运动探测器）的装置，并获得了专利。该装置利用电磁波反射原理来探测船舶，被认为是早期雷达的雏形。

1935 年，英国科学家罗伯特?沃森?瓦特（Robert Watson-Watt）成功研制出了世界上第一部实用的雷达装置—“Chain Home” 雷达系统，用于探测空中目标，该雷达系统在二战期间发挥了重要作用，帮助英国成功抵御了德国的空袭。

二战后，雷达技术得到了进一步的发展和广泛应用，在军事、民用等多个领域发挥着重要作用，并不断朝着更高性能、更复杂的方向发展。

20 世纪 50 年代，随着航空侦察需求的增加，人们开始探索能够获得大面积地面信息的雷达技术。侧视机载雷达 (Side-looking airborne radar, SLAR)的概念应运而生，它通过在飞行器上安装侧视天线，向飞行器两侧发射和接收雷达信号，以获取地面的二维图像。1951年，美国工程师和物理学家卡尔·A·威利（Carl A. Wiley）在他的一份技术备忘录中首次提出合成孔径雷达的概念，威利的概念通过政府资助的项目得到进一步完善，形成了早期原型和操作系统。第一个可操作的 SAR 系统由美国空军于 20 世纪 50 年代末进行了测试。

1960 年，NASA 发射了第一颗气象卫星 TIROS-1，标志着太空遥感技术迈出了一步，尽管当时还没有 SAR。随着 1978 年 SEASAT 等卫星的发射，SAR 在地球观测方面的潜力得到了极大拓展。SEASAT 是第一颗配备 SAR 系统的卫星， 展示了如何使用 SAR 监测海洋、冰层和地貌，开启了科学应用的新纪元。如今的SAR 系统已经成为遥感领域中不可或缺的关键技术，Sentinel-1、RADARSAT 和 TerraSAR-X 等现代 SAR 卫星对从环境监测到灾害响应等各个领域都产生了深远影响。

二、SAR卫星的类型

1、SAR波段的划分和命名

SAR波段的命名可追溯到二战时期。最早用于搜索目的的雷达电磁波波长是 23cm，被英国人定义为 L 波段，L 是英文 “Long” 的开头字母，代表长波波段。后来，随着不同波长雷达的出现，又陆续有了其他波段的命名。例如，波长为 10cm 的雷达被定义为 S 波段（S 是 “short” 的开头字母）。波长为3cm的雷达用于火控瞄准，所以叫X波段，X是瞄准镜上的“十字线”，也代表坐标上的某个点。S波段和X波段雷达在舰船上应用十分广泛，S波段雷达一般用作中程警戒雷达、跟踪雷达，X波段雷达一般用作近程火控雷达。为了将X波段和S波段雷达的特点结合起来，研究人员开发了一种波长为5cm的雷达，称为C波段。C是Compromise这个词的首字母，意为“组合”。看到英国的雷达如此强大，德国人也开始独立研制自己的雷达。他们选择1.5cm作为雷达的中心波长，这种波长的电磁波被称为K波段（K=Kurtz，德语中意为“短”）。但遗憾的是，德国人发现，K波段的电磁波很容易被水蒸气吸收，因此在雨雾天气无法使用。为了避免这个问题，德国人开始使用比K波段更长或者更短的电磁波作为雷达工作波。波长稍长于K波段的称为Ku波段（Ku，英文K-under的缩写，意思是K波段以下）。波长稍短于K波段的称为Ka波段（Ka，英文K-above的缩写，意思是K波段以上）。另外，最早的雷达也大量使用米波，也就是所谓的P波段（P来自Previous，即“Previous”的首字母）。

2、不同波段SAR卫星及其特点

在雷达遥感中，每个波段都有其特定的属性。通常，雷达信号会对几何尺寸与所用波长相当的物体产生强烈反应，这决定了应用范围（地形、冰冻圈、生物量等）。SAR传感器使用不同的波段收集数据，每个波段都有自己的特点和应用（表1）。

Ka 波段和Ku波段波长较短，能实现较高的空间分辨率，可精细地分辨目标物体的细节，对于小尺度的地形特征、建筑物等目标的探测和测量具有优势。如SWOT卫星上使用的雷达干涉仪是Ka 波段，Radarsat - 2 卫星使用了Ku 波段，等等。然而，Ka 波段和Ku波段受雨衰和雪衰的影响比较大，因此总体上使用的很少。

X波段是一个高频波段，对植被覆盖的穿透力较低，传感器的能量主要反射到冠层的顶层，但它能够探测直径高达几厘米的物体，因此具有具有高分辨率成像的特点，广泛应用于城市和基础设施监测、冰雪监测以及天气监测。

C波段是一个中等波段，分辨率和穿透能力适中，对植被和土壤有一定的穿透能力，受云雨等天气影响较小，在地球观测、海洋监测等领域应用广泛。

S 波段波长介于 C 波段和 L 波段之间，相对 X 波段等较短波长的波段，其穿透能力更强，能较好地穿透植被、土壤等覆盖层，对地表下的地质结构、地下水资源等有一定的探测能力。

L波段使用的频率较低，具有较强的穿透能力，能够穿透植被、土壤等覆盖层，对地表下的地质结构、地下水资源等有较好的探测能力，但分辨率相对较低。

P波段波长较长，穿透能力更强，可用于探测深层地质结构、监测森林生物量等，但由于波长较长，其分辨率相对较低，且系统设计和数据处理难度较大。

图1 代表性的SAR卫星系统及其特点

三、SAR成像原理

航空、航天遥感中使用的雷达均属于侧视雷达（Side-Looking Radar，SLR），这是一种视野方向和飞行器前进方向垂直，用来探测飞行器两侧地带的雷达系统。

侧视雷达按照成像机理可分为真实孔径雷达（Real Aperture Radar，RAR）和合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）。早期人们使用真实孔径雷达探测目标，二十世纪60年代后，合成孔径技术的广泛采用使雷达图像的分辨率大幅度提高，合成孔径雷达也因此得到了快速发展。自 80 年代以来，星载雷达成像系统开始流行。       

1、雷达系统的成像原理

雷达成像系统与光学成像系统有本质区别。光学摄影或扫描成像是近乎瞬时曝光的结果，而雷达成像系统使用矩形天线发射和接收微波能量，通过记录一段时间内进出目标区域的微波脉冲实现扫描成像的。

如图2所示，侧视雷达在垂直于航线的方向上，以一定的时间间隔反复向其侧下方发射具有特定波长的微波脉冲（pulses），并在空间上形成一个扇状波束（beam）。扇状波束照射到地面，形成了在航向上很窄、距离方向上很宽的地面条带。随着遥感平台的前进，雷达扇状波束连续扫描地面所形成的带状区域称为成像带。显然，雷达波束的宽度决定了成像带的宽度，而波束的宽度则取决于雷达的波长和天线的孔径大小。

侧视雷达成像是通过连续的二维扫描，即距离方向扫描和航线方向扫描共同实现的。在距离方向上，由于地面目标到天线的距离不同，地物后向反射的回波信号被天线接收到的时间也不同，因此近距离目标先成像，远距离目标后成像。雷达系统依据地面目标回波信号到达天线的时间顺序和回波信号的强度，实现了距离方向上的扫描成像（图3）；在航线方向，随着遥感平台的前进，雷达扇状波束连续扫描地面实现了航向上的扫描成像。

侧视雷达通过天线发射微波，然后接收、记录地面目标的回波信号而生成的原始图像是一种斜距图像。斜距（Slant-Range）是指雷达天线到地面目标的距离，雷达图像就是地面的斜距投影。由于斜距图像存在大量的几何变形，因此通常在雷达显示器的扫描电路中，加延时电路补偿或在光学处理器中加几何校正，可以得到显示地面距离的地距图像。

图2 真实孔径雷达成像示意图

 图3 侧视雷达成像原理示意图

2、雷达系统的分辨率

分辨率是系统区分两个相距很近的物体的能力。雷达系统的分辨率取决于两个参数：脉冲长度和天线波束宽度。脉冲长度决定了能量传播方向的空间分辨率，即距离分辨率；而天线波束宽度决定了飞行方向的分辨率，即方位分辨率。

（1）距离分辨率

距离分辨率（Range Resolution）指在雷达脉冲发射的方向上，能分辨的两个目标之间的最小距离。目标在距离上的位置是由脉冲回波从目标至雷达天线间传播的时间决定的，要区分两个近距离目标，要求目标的回波信号必须在不同时间内到达天线。因此，距离分辨率取决于脉冲持续时间，或脉冲长度。

雷达发射机以一定的时间间隔发射特定波长的雷达脉冲，脉冲的不同部分被不同位置的目标反射。要区分两个相邻的目标，必须是这两个目标反射的脉冲在不同的时间到达天线，即要求反射脉冲没有重叠。如果两个目标靠的很近，或者脉冲比较长，那么其反射脉冲几乎会同时到达天线，从而出现重叠现象，并导致目标无法分辨。如图4，雷达天线发射脉冲长度为 L 的微波波束，探测到目标A 和B 后分别产生后向散射的回波P_A、P_B，A和B在斜距方向的距离为 d。如果A和B之间的斜距距离大于脉冲长度的一半（d＞L/2），则可以在图像中区分目标A和目标B。然而由于P_A尾部和P_B的头部在到达天线时发生重叠，因此目标A和目标B无法区分，并被成像为一个从A 延伸到B的大目标。 

图4 距离分辨率对脉冲长度的依赖

距离分辨率有斜距分辨率（Slant Range Resolution ）和地距分辨率（Ground Range Resolution）之分。理论上，斜距分辨率等于脉冲长度的一半（图5）。

图5 斜距分辨率和地距分辨率的关系

通过以上分析可以看出，脉冲长度越短，距离分辨率越高，因此提高距离分辨率的一个重要途径就是缩短反射脉冲的宽度。但是，脉冲宽度过小，导致发射功率下降，反射脉冲的信噪比降低。为了保证有足够能量的回波，目前常采用线性调频调制的“脉冲压缩”技术，使距离分辨率和信噪比均有提高。距离分辨率的大小与雷达的俯角密切相关。俯角越小，分辨率越高；俯角越大，分辨率越低。由于距离方向上地面不同位置处雷达波束的俯角不同，因此，地距分辨率是变化的。近射程点分辨率低，远射程点分辨率高，这一点与航空摄影的情况正好相反，同时也说明了雷达成像必须侧视的原因。

（2）方位分辨率

方位分辨率（Azimuth Resolution）是指在雷达飞行方向上能分辨的两点之间的最小距离。方位方向上如果两个目标同在一个波束内，只能作为一个点被记录在图像上，因此只有当两个目标分别处在两个波束的时候，它们才能被识别并记录下来。由此可见：方位分辨率取决于雷达波束照射的地面条带的角宽度，即波束宽度（β）。波束宽度越窄，方位分辨率越高。由于雷达波束为扇状波束，近射点的波束宽度小于远射点的波束宽度，因此近射点比较远射点的方位分辨高，这与距离分辨率正好相反。图6中，地面目标1、2和目标3、4之间的距离都等于200m，但由于目标1、2处在近射点，间距大于一个波束的宽度，因此可以分辨，而目标3、4处在远射点，间距小于一个波束的宽度，因此难以分辨。 

对真实孔径雷达而言，波束宽度与波长成正比，与天线孔径成反比。因此，方位分辨率可以表示为：

由此可知，方位分辨率与斜距以及雷达的波长成正比，与天线孔径大小成反比。因此，要提高真实孔径雷达的方位分辨率，必须缩短观测距离，或者采用波长较短的电磁波，或者加大天线的孔径。然而上述这些措施无论在飞机上还是卫星上都会受到限制，只有采用合成孔径雷达技术，才能从根本上提高侧视雷达的方位分辨率。

图6 真实孔径雷达的方位分辨率

合成孔径雷达是指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的侧视雷达。这种雷达系统所接收到的来自移动的飞机或卫星上的雷达回波经计算机合成处理后，能得到相当于从大孔径天线所获取的信号，雷达相当于地面运动产生的多普勒频移用于合成更长的天线。

如图7所示，SAR处理器存储从位置A到位置C在时间段T内的所有雷达回波信号，包括幅度和相位。SAR可以重建由长度为 v·T的天线获得的信号，其中v是平台速度。随着视线方向沿雷达平台轨迹的变化，信号处理会产生合成孔径，从而延长天线的长度。增大T 可以使“合成孔径”增大，从而实现更高的分辨率。当目标首次进入雷达波束时，每个发射脉冲的反向散射回波都会开始被记录。随着平台继续向前移动，在目标位于波束内的整个时间内，每个脉冲的所有目标回波都会被记录下来。目标在一段时间后离开雷达波束视野的时间点，决定了模拟或合成天线的长度。

合成孔径雷达的距离分辨率与真实孔径雷达相同，但由于使用了“合成天线”技术，相当于组成了一个比实际天线大得多的、波束宽度更窄的大型合成虚拟天线，从而在方位方向上获得更好的空间分辨率。

假设D为合成孔径雷达采用的小天线在方位方向上的孔径，L_s代表合成后的虚拟天线孔径。如果用表示合成孔径雷达的波束宽度，则合成孔径雷达的方位分辨率可以表示为：

图7合成孔径雷达的概念

结论：合成孔径雷达的方位分辨率与距离无关，只与天线的孔径有关。天线的孔径越小，方位分辨率越高，这一点与真实孔径雷达正好相反。方位分辨率恰好是天线长度的一半。无论卫星的轨道或频率如何，这个数值都不会改变。

3、SAR成像中的几个问题讨论

（1）为什么合成波束宽度是：β_s=λ/2L_s，而不是β_s=λ/L_s？

对于一个普通的真实孔径天线，其波束宽度与波长、天线孔径D的关系为:β=λ/D。由此可见，天线孔径越大，波束越窄，方向性越好。

类比真实孔径天线波束宽度的公式，对于合成孔径雷达，其合成波束宽度β_s就可以表示为：β_s=λ/L_s。然而，合成孔径雷达在处理信号时，通常是对回波信号进行双边处理，所以实际的合成波束宽度是单边波束宽度的一半。因此，最终得到合成波束宽度的计算公式为：β_s=λ/2L_s，而不是：β_s=λ/L_s。

（2）SAR成像中为什么天线越小，分辨率越高？

决定卫星波束宽度的关键因素是天线的尺寸。天线越小，波束宽度越大；天线越大，波束宽度越小。因为小天线增加了波束宽度，进而增加了天线的照射时间。天线照射时间越长，多普勒效应越明显，于是就能产生一个更大的合成的虚拟天线。合成天线的长度越大，图像的分辨率就越高！因此， SAR成像中天线越小，分辨率越高。

需要注意的是，分辨率还与雷达的波长、信号处理算法等多种因素有关。例如，波长越短，理论上分辨率越高；先进的信号处理算法可以更好地利用回波信号，提高分辨率。因此，在SAR 系统设计中，需要综合考虑各种因素，权衡天线尺寸、发射功率、波长、信号处理能力等参数，以达到最佳的成像分辨率和系统性能。

图8 雷达照射时间和多普勒效应的关系

（3）为什么更大的天线，光束就会变细？

更细的光束可以传播更远的距离，因此在某种程度上，它使光束能够发送更强的无线电波输出（图10）。在许多情况下，天线用于将强波束发送到远处，因此大多数人认为天线越大越好。但对于 SAR成像来说，因为小天线波束宽度大，宽波束增加了天线的照射时间，可以合成出更大的合成孔径天线，最终产生更窄、更细的波束，从而提高图像的分辨率（图10）。

图9  雷达天线和波束宽度之间的关系  

图10  真实孔径雷达和合成孔径雷达分辨率比较