合成孔径雷达（高分辨率成像雷达）

定义

合成孔径雷达

所属学科：测绘学(一级学科);摄影测量与遥感学(二级学科)

定义2：一种机载雷达系统，其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。

所属学科：大气科学(一级学科);大气探测(二级学科)

定义3：一种利用合成无线电技术获得高方位分辨率的相干成像雷达。

所属学科：地理学(一级学科);遥感应用(二级学科)

定义4：用相干信号处理技术处理回波振幅和相位，得到较大观测孔径的一种微波成像雷达。

所属学科：海洋科技(一级学科);海洋技术(二级学科);海洋遥感(三级学科)

定义5：利用合成孔径天线及信号处理技术，实现高角分辨力的雷达。

所属学科：航空科技(一级学科);航空电子与机载计算机系统(二级学科)

定义6：是一种高分辨率的二维微波对地成像系统。能够全天候工作，有效地识别伪装和穿透掩盖物。

所属学科：资源科技(一级学科);资源信息学(二级学科)

定义7：利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。

工作原理

与其它大多数雷达一样，合成孔径雷达通过发射电磁脉冲和接收目标回波之间的时间差测定距离，其分辨率与脉冲宽度或脉冲持续时间有关，脉宽越窄分辨率越高。合成孔径雷达通常装在飞机或卫星上，分为机载和星载两种。合成孔径雷达按平台的运动航迹来测距和二维成像，其两维坐标信息分别为距离信息和垂直于距离上的方位信息。方位分辨率与波束宽度成正比，与天线尺寸成反比，就像光学系统需要大型透镜或反射镜来实现高精度一样，雷达在低频工作时也需要大的天线或孔径来获得清晰的图像。由于飞机航迹不规则，变化很大，会造成图像散焦。必须使用惯性和导航传感器来进行天线运动的补偿，同时对成像数据反复处理以形成具有最大对比度图像的自动聚焦。因此，合成孔径雷达成像必须以侧视方式工作，在一个合成孔径长度内，发射相干信号，接收后经相干处理从而得到一幅电子镶嵌图。雷达所成图像像素的亮度正比于目标区上对应区域反射的能量。总量就是雷达截面积，它以面积为单位。后向散射的程度表示为归一化雷达截面积，以分贝( dB) 表示。地球表面典型的归一化雷达截面积为: 最亮+ 5 dB，最暗－40 dB。合成孔径雷达不能分辨人眼和相机所能分辨的细节，但其工作的波长使其能穿透云和尘埃。

发展概况

1951年6月美国Goodyear宇航公司的CarlWiley首先提出用频率分析方法改善雷达角分辨率的方法。与此同时，美国伊利诺依大学控制系统实验室独立用非相参雷达进行实验，验证频率分析方法确实能改善雷达角分辨率。1978年6月27日，美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)发射了世界上第1颗载有SAR的海洋卫星Seasat-A。该卫星工作在L波段、HH极化，天线波束指向固定，Seasat-A的发射标志着合成孔径雷达已成功进入从太空对地观测的新时代。

美国宇航局在Seasat-A取得巨大成功的基础上，利用航天飞机分别于1981年11月、1984年10月和1994年4月将Sir-A、Sir-B和Sir-C/X-SAR3部成像雷达送入太空。Sir-A是一部HH极化L波段SAR，天线波束指向固定，以光学记录方式成像，对1000×104km2的地球表面进行了测绘，获得了大量信息，其中最著名的是发现了撒哈拉沙漠中的地下古河道，显示了SAR具有穿透地表的能力，引起了国际学术界的巨大震动。产生这种现象的原因，一方面取决于被观测地表的物质常数(导电率和介电常数)和表面粗糙度，另一方面，波长越长其穿透能力越强。Sir-B是Sir-A的改进型，仍采用HH极化L波段的工作方式，但其天线波束指向可以机械改变，提高了对重点地区的观测实效性。Sir-C/X-SAR是在Sir-A，Sir-B基础上发展起来的，并引入很多新技术，是当时最先进的航天雷达系统：具有L、C和X3个波段，采用4种极化(HH，HV，VH和VV)，其下视角和测绘带都可在大范围内改变。

“长曲棍球”(Lacrosse)系列SAR卫星，是当今世界上最先进的军用雷达侦察卫星，已成为美国卫星侦察情报的主要来源。自1988年12月2日，由美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机将世界上第1颗高分辨率雷达成像卫星“长曲棍球-1(Lacrosse-1)”送入预定轨道后，又分别在1991年3月、1997年10月、2000年8月和2005年4月将Lacrosse-2、Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5送入太空，目前在轨工作的有Lacrosse-2～Lacrosse-5。4颗卫星以双星组网，采用X、L2个频段和双极化的工作方式，其地面分辨率达到1m(标准模式)、3m(宽扫模式)和0.3m(精扫模式)，在宽扫模式下，其地面复盖面积可达几百km2。

欧空局分别于1991年7月和1995年4月，发射了欧洲遥感卫星(EuropeanRemoteSensingSatellite，ERS)系列民用雷达成像卫星:ERS-1和ERS-2，主要用于对陆地、海洋、冰川、海岸线等成像。卫星采用法国Spot-I和Spot-Ⅱ卫星使用的MK-1平台，装载了C波段SAR，天线波束指向固定，并采用VV极化方式，可以获得30m空间分辨率和100km观测带宽的高质量图像。Envisat是ERS计划的后续，由欧空局于2002年3月送入太空的又一颗先进的近极地太阳同步轨道雷达成像卫星。Envisat上所搭载的ASAR是基于ERS-1/2主动微波仪(AMI)建造的，继承了ERS-1/2AMI中的成像模式和波束模式，增强了在工作模式上的功能，具有多种极化、可变入射角、大幅宽等新的特性，它将继续开展对地观测和地球环境的研究。

2007年6月，由意大利国防部与航天局合作项目的首颗雷达成像卫星Cosmo-Skymed1卫星的发射入轨标志着Cosmo-Skymed星座项目的启动。Cosmo-Skymed卫星工作在X波段(9.6GHz)，具有多极化、多入射角的特性，具备3种工作方式和5种分辨率的成像模式:ScanSAR(100m和30m)、Strip-Map(3m和1.5m)、SpotLight(1m)。其中，Cosmo-Skymed星座是意大利的SAR成像侦察卫星星座，共包括4颗SAR卫星。该星座是与法国Pleiade光学卫星星座配套使用的，两者均采用太阳同步轨道，作为全球第1个分辨率高达1m的雷达成像卫星星座，Cosmo-Skymed系统将以全天候、全天时对地观测的能力、卫星星座特有的高重访周期和1m高分辨率的成像为环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事领域等应用开辟更为广阔的道路。

TerraSAR-X是首颗由德国宇航中心(DLR)和民营企业EADSAstrium及Infoterra公司根据PPP模式(公-私共建)共同开发的的军民两用雷达侦察卫星。该卫星于2007年6月15日从拜科努尔航天中心发射升空，运行在515km的近极地太阳同步轨道上，工作在X波段(9.65GHz)，具有多极化、多入射角的特性，具备4种工作方式和4种不同分辨率的成像模式:StripMap(单视情况下：距离上3m，方位上3m)、Scan-SAR(4视情况下：距离上15m，方位上16m)、Spot-Light(单视情况下：距离上2m，方位上1.2m)和高分辨SpotLight(单视情况下：距离上1m，方位上1.2m)。SAR-LUPE是德国第1个军用天基雷达侦察系统，服务于德国联邦部队。该卫星系统主要由5颗X波段雷达成像卫星组成星座，分布在3个高度500km的近极地太阳同步轨道面上，其中2个轨道面上将有2颗卫星运行，另一个轨道面上有1颗卫星。每颗卫星都可以穿透黑暗和云层，提供分辨率1m以内的图像。整个卫星系统，每天可以提供全球从北纬80°到南纬80°地区的30多幅图像，具有SpotLight和Strip-Map2种工作模式，并且具有星际链路能力，缩短了系统相应时间，具备对“热点”地区每天30次以上的成像能力。

2.5

1987年7月25日，前苏联成功发射第1个雷达卫星演示验证项目Cosmos-1870，在此基础上，俄罗斯分别于1991年3月31日和1998年将“钻石”(Almaz)系列雷达成像卫星———Almaz-1和Almaz-1B送入倾角73°的非太阳同步圆形近地轨道。其中，Almaz-1是一颗对地观测卫星雷达成像卫星，工作在S波段(中心频率3.125GHZ)，采用单极化(HH)、双侧视工作方式，入射角可变(30°～60°)，分辨率达到(10m～15m)。Almaz-1B是一颗用于海洋和陆地探测的雷达卫星，卫星上搭载3种SAR载荷:SAR-10(波长9.6cm，分辨率5m～40m)、SAR-70(波长7cm，分辨率15m～60m)和SAR-10(波长3.6cm、分辨率5m～7m)，这3种SAR载荷均采用HH极化方式。此外，俄罗斯还将发射Arkon-2多功能雷达卫星、Kondor-E小型极地轨道雷达卫星。

加拿大航天局于1989年开始进行SAR卫星———RadarSat-1的研制，并于1995年11月4日在美国范登堡空军基地发射成功，1996年4月正式工作，是加拿大的第1颗商业对地观测卫星，主要监测地球环境和自然资源变化。该卫星运行在780km的近极地太阳同步轨道上，工作在C波段(5.3GHz)，采用HH极化方式，具有7种波束模式、25种成像方式。与其他SAR卫星不同，首次采用了可变视角的ScanSAR工作模式，以500km的足迹每天可以复盖北极区一次，几乎可以复盖整个加拿大，时间每隔3天复盖一次美国和其他北纬地区，全球复盖一次不超过5天。RadarSat-2是加拿大继RadarSat-1之后的新一代商用合成孔径雷达卫星，它继承了RadarSat-1所有的工作模式，并在原有的基础上增加了多极化成像，3m分辨率成像、双边(dual-channel)成像和动目标探测(MODEX)。RadarSat-2与RadarSat-1拥有相同的轨道，但是比RadarSat-1滞后30min，缩短了对同一地区的重复观测周期，提高了动态信息的获取能力。

JERS-1卫星于1992年2月11日在Tanegashima空间中心被发射升空，主要用于地质研究、农林业应用、海洋观测、地理测绘、环境灾害监测等。该卫星载有2个完全匹配的对地观测载荷：有源SAR和无源多光谱成像仪，运行在570km的近极地太阳同步轨道上，入射角固定、单一极化(HH)，工作在L波段(中心频率1.275GHz)，分辨率18m。先进陆地观测卫星(AdvancedLandObservingSatellite，ALOS)于2006年1月24日被送入690km的准太阳同步回归轨道。ALOS采用高分辨率和微波扫描，主要用于陆地测图、区域性观测、灾害监测、资源调查等方面。该卫星携带了3种传感器：全色立体测图传感器PRISM、新型可见光和近红外辐射计AVNIR-2和相控阵型L波段合成孔径雷达PALSAR。该卫星具有多入射角、多极化、多工作模式(高分辨率模式和ScanSAR模式)及多种分辨率的特性，最高分辨率能达到7m。

TecSAR是以色列国防部的第1颗雷达成像卫星，运行在倾角为143.3°、高度为550km的太阳同步圆形轨道上，具有多极化(HH、VV、VH、HV)、多种成像模式(StripMap、ScanSAR、SpotLight、马赛克)及多种分辨率的特性，工作在X波段，最高分辨率可达到1m(SpotLight)。此外，据不完全统计，还有其他很多国家也在大力开展星载雷达的研究，已经发射或即将发射星载SAR的国家及卫星包括：印度的RiSat、中国的“遥感一号”、韩国的“KompSat-5”、阿根廷的“SAOCOM”等。

发展历程

合成孔径的概念始于50年代初期。当时，美国有些科学家想突破经典分辨力的限制，提出了一些新的设想：利用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高分辨力；用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得高分辨力。50年代末，美国研制成第一批可供军事侦察用的机载高分辨力合成孔径雷达。60年代中期，随着遥感技术的发展，军用合成孔径雷达技术推广到民用方面，成为环境遥感的有力工具。70年代后期，卫星载合成孔径雷达和数字成像技术取得进展。美国于1978年发射的“海洋卫星”A号和80年代初发射的航天飞机都试验了合成孔径雷达的效果，证明了雷达图像的优越性。

1.1951年，CarlWiley首次提出利用频率分析方法改善雷达的角分辨率.

2.1953年，伊利诺依大学采用非聚焦方法使角度分辨率由4.13度提高到0.4度，并获得第一张SAR图像.

3.1957年，密西根大学采用光学处理方式，获得了第一张全聚焦SAR图像.

4.1978年，美国发射了第一颗星载Seasat-1.

5.1991年，欧洲空间局发射了ERS-1.

6.1995年，加拿大发射了Radarsat-1.

7.2000年，欧洲空间局发射了ASAR.

8.2006年，日本发射ALOSPALSAR.

9.2007年，德国发射TerraSAR-X

10.2007年底，加拿大发射Radarsat-2

合成孔径雷达工作时按一定的重复频率发、收脉冲，真实天线依次占一虚构线阵天线单元位置。把这些单元天线接收信号的振幅与相对发射信号的相位叠加起来，便合成一个等效合成孔径天线的接收信号。若直接把各单元信号矢量相加，则得到非聚焦合成孔径天线信号。在信号相加之前进行相位校正，使各单元信号同相相加，得到聚焦合成孔径天线信号。地物的反射波由合成线阵天线接收，与发射载波作相干解调，并按不同距离单元记录在照片上，然后用相干光照射照片便聚焦成像。这一过程与全息照相相似，差别只是合成线阵天线是一维的，合成孔径雷达只在方位上与全息照相相似，故合成孔径雷达又可称为准微波全息设备。

合成孔径雷达：利用遥感平台的移动，将一个小孔径的天线安装在平台侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨率的雷达。

在航空方面，合成孔径雷达的分辨率可达到1米以内。航天器上的合成孔径雷达因作用距离远，为获得高分辨率，技术较为复杂。1972年发射的“阿波罗”17号飞船、1978年发射的“海洋卫星”和1981年发射的“哥伦比亚”号航天飞机上都装有合成孔径雷达。

合成孔径雷达主要用于航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、航天侦察、图像匹配制导等。它能发现隐蔽和伪装的目标，如识别伪装的导弹地下发射井、识别云雾笼罩地区的地面目标等。在导弹图像匹配制导中，采用合成孔径雷达摄图，能使导弹击中隐蔽和伪装的目标。合成孔径雷达还用于深空探测，例如用合成孔径雷达探测月球、金星的地质结构。

各国星载SAR系统

美国：Seasat-1，Sir-A，Sir-B，Sir-C，LACROSSESAR，LightSAR，MedsatSAR

欧洲：ERS-1，ERS-2，XSAR，ASAR

加拿大：Radarsat-1，Radarsat-2

俄罗斯：Almaz-1

日本：JERS-1，ALOS/PALSAR

德国：TerraSAR-X

意大利：Cosmo-SkyMed

同名书籍

书名：合成孔径雷达

作者：匡纲要

出版社：国防科技大学出版社

出版时间：2007年11月

ISBN：9787810994545

开本：16开

定价：38.00元

内容简介

本书主要介绍了合成孔径雷达(SAR)目标检测所涉及的基本概念、理论和应用技术，以及近年来国际上有关的最新研究成果。具体内容包括SAR图像中的杂波统计建模、RCS重构、目标检测的基础理论和算法、目标鉴别、边缘及线目标检测以及极化SAR系统中的目标检测，最后给出典型的应用示例。本书适用于遥感信息处理、图像判读专业的研究人员、工程技术人员、高等院校教师等阅读参考，亦可作为高等院校遥感信息处理等相关专业的研究生课程教材。