定義
合成孔徑雷達所屬學科：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後，能得到相當於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解析度的相干成像雷達。
所屬學科：地理學(一級學科);遙感套用(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：是一種高解析度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解析度高,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衝和接收目標回波之間的時間差測定距離，其解析度與脈衝寬度或脈衝持續時間有關，脈寬越窄解析度越高。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。合成孔徑雷達按平台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於距離上的方位信息。方位解析度與波束寬度成正比，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。由於飛機航跡不規則，變化很大，會造成圖像散焦。必須使用慣性和導航感測器來進行天線運動的補償，同時對成像數據反覆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，接收後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於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。後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+5dB，最暗－40dB。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雲和塵埃。
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解析度的方法。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解析度。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的發射標誌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(NASA)
在Seasat-A取得巨大成功的基礎上, 利用太空梭分別於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, 一方面取決於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, 仍採用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, 並引入很多新技術, 是當時最先進的航天雷達系統:具有L、C和X3個波段, 採用4種極化(HH , HV, VH和VV),其下視角和測繪帶都可在大範圍內改變。
“長曲棍球” (Lacrosse)系列SAR衛星, 是當今世界上最先進的軍用雷達偵察衛星, 已成為美國衛星偵察情報的主要來源。自1988年12月2日, 由美國“亞特蘭蒂斯”號太空梭將世界上第1顆高解析度雷達成像衛星“長曲棍球-1(Lacrosse-1)”送入預定軌道後,又分別在1991年3月、1997年10 月、2000年8月和2005 年4 月將Lacrosse-2、Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5送入太空, 目前在軌工作的有Lacrosse-2 ～ Lacrosse-5。4顆衛星以雙星組網, 採用X、L2個頻段和雙極化的工作方式, 其地面解析度達到1 m(標準模式)、3 m(寬掃模式)和0.3 m(精掃模式), 在寬掃模式下, 其地面復蓋面積可達幾百km2 。
歐空局(ESA)
歐空局分別於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, 主要用於對陸地、海洋、冰川、海岸線等成像。衛星採用法國Spot-I和Spot-Ⅱ衛星使用的MK-1平台, 裝載了C波段SAR, 天線波束指向固定, 並採用VV極化方式, 可以獲得30 m空間解析度和100 km觀測頻寬的高質量圖像。Envisat是ERS計畫的後續, 由歐空局於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是基於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。
義大利
2007年6月, 由義大利國防部與航天局合作項目的首顆雷達成像衛星Cosmo-Skymed1 衛星的發射入軌標誌著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種解析度的成像模式:ScanSAR(100 m和30 m)、Strip-Map(3 m和1.5 m)、SpotLight(1 m)。其中, Cosmo-Skymed星座是義大利的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, 兩者均採用太陽同步軌道, 作為全球第1個解析度高達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高解析度的成像為環境資源監測、災害監測、海事管理及軍事領域等套用開闢更為廣闊的道路。
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。該衛星於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 種不同解析度的成像模式: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, 服務於德國聯邦部隊。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雲層, 提供解析度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, 並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。
2.5
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, 俄羅斯分別於1991年3月31日和1998年將“鑽石”(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), 採用單極化(HH)、雙側視工作方式, 入射角可變(30°～ 60°),解析度達到(10 m～ 15 m)。Almaz-1B是一顆用於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, 解析度5 m～ 40 m)、SAR-70(波長7 cm, 解析度15 m～ 60 m)和SAR-10(波長3.6 cm、解析度5 m～ 7 m), 這3種SAR載荷均採用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(CAS)
加拿大航天局於1989年開始進行SAR衛星———RadarSat-1的研製, 並於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), 採用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, 首次採用了可變視角的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 之後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, 並在原有的基礎上增加了多極化成像, 3 m解析度成像、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滯後30 min, 縮短了對同一地區的重複觀測周期, 提高了動態信息的獲取能力。
日本
JERS-1衛星於1992年2月11日在Tanegashima空間中心被發射升空, 主要用於地質研究、農林業套用、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), 解析度18 m。先進陸地觀測衛星(Advanced Land Observing Satellite,ALOS)於2006年1月24日被送入690 km的準太陽同步回歸軌道。ALOS採用高解析度和微波掃描, 主要用於陸地測圖、區域性觀測、災害監測、資源調查等方面。該衛星攜帶了3 種感測器:全色立體測圖感測器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(高解析度模式和ScanSAR模式)及多種解析度的特性, 最高解析度能達到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)及多種解析度的特性, 工作在X波段, 最高解析度可達到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
合成孔徑的概念始於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，提出了一些新的構想：利用目標與雷達的相對運動所產生的都卜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，美國研製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年代後期，衛星載合成孔徑雷達和數字成像技術取得進展。美國於1978年發射的“海洋衛星”A號和 80年代初發射的太空梭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解析度.
2. 1953年, 伊利諾依大學採用非聚焦方法使角度解析度由4.13度提高到0.4度,並獲得第一張SAR圖像.
3. 1957年, 密西根大學採用光學處理方式, 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複頻率發、收脈衝，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，並按不同距離單元記錄在照片上，然後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：利用遙感平台的移動，將一個小孔徑的天線安裝在平台側方，以代替大孔徑的天線，提高方位解析度的雷達。
套用領域
在航空方面，合成孔徑雷達的解析度可達到1米以內。太空飛行器上的合成孔徑雷達因作用距離遠,為獲得高解析度，技術較為複雜。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”號太空梭上都裝有合成孔徑雷達。
合成孔徑雷達主要用於航空測量、航空遙感、衛星海洋觀測、航天偵察、圖像匹配製導等。它能發現隱蔽和偽裝的目標，如識別偽裝的飛彈地下發射井、識別雲霧籠罩地區的地面目標等。在飛彈圖像匹配製導中，採用合成孔徑雷達攝圖，能使飛彈擊中隱蔽和偽裝的目標。合成孔徑雷達還用於深空探測，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
義大利： 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、理論和套用技術，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、目標鑑別、邊緣及線目標檢測以及極化SAR系統中的目標檢測，最後給出典型的套用示例。 本書適用於遙感信息處理、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。
