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時(shí)間: 2022/4/28 來(lái)源: 作者: sxstart
雷達是由二戰中的軍事需求發(fā)展起來(lái)的，最初用于跟蹤惡劣天氣及黑夜中的飛機和艦船。隨著(zhù)射頻（RF）技術(shù)、天線(xiàn)以及數字技術(shù)的發(fā)展，雷達技術(shù)也得到了穩步的發(fā)展。
早期的雷達系統利用時(shí)間延遲測量雷達與目標（雷達反射體）之間的距離，通過(guò)天線(xiàn)指向探測目標方位，繼而又利用多普勒頻移檢測目標速度。
1951 年，研究人員發(fā)現，通過(guò)對多普勒頻移進(jìn)行處理，能夠改善波束垂直向上的分辨率。根據這一原理，就可以利用雷達得到二維地表圖像。這種通過(guò)信號分析技術(shù)來(lái)構建一個(gè)等效長(cháng)天線(xiàn)的思想稱(chēng)為合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱(chēng) SAR）。
許多 SAR 的基礎技術(shù)是在機載平臺上發(fā)展起來(lái)的，直到第一顆星載 SAR 的發(fā)射才引起了遙感領(lǐng)域對這種新型傳感器的關(guān)注。1978 年，NASA 的 SEASAT 衛星（如下圖所示）向全世界展示了 SAR 獲得高清晰度地表圖像的能力。SEASAT 的發(fā)射促進(jìn)了包括 SAR 數字處理器及 SAR 應用研究（如海浪波長(cháng)、高度及方向測量等）在內的許多遙感領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。
雷達系統接收到的 SAR 數據是散焦的，看上去很像隨機噪聲。與全息技術(shù)類(lèi)似，回波數據的基本信息隱藏在相位中，所以需要一個(gè)對相位敏感的處理器來(lái)獲得聚焦圖像。
利用傅里葉光學(xué)原理，聚焦可以通過(guò)激光波束和透鏡組來(lái)完成。將雷達回波數據記錄在黑白膠片上，用一個(gè)激光束瞄準并照射膠片，利用透鏡組將這些數據進(jìn)行一次實(shí)時(shí)二維傅里葉變換，然后通過(guò)衍射光柵來(lái)聚焦數據，再經(jīng)過(guò)另一組透鏡進(jìn)行傅里葉變換，就可以在膠片上獲得最終的圖像。
通過(guò) SAR 光學(xué)處理器可以得到聚焦良好的圖像，但需要對安放在光路上的高質(zhì)量透鏡組進(jìn)行精確的調整。雖然除去膠片沖洗時(shí)間，數據處理是實(shí)時(shí)的，但仍然需要一個(gè)熟練的操作員來(lái)控制圖像的質(zhì)量，并且很難做到自動(dòng)化處理。另外，最終圖像的動(dòng)態(tài)范圍也受限于輸出膠片。
SEASAT 之后，人們開(kāi)始集中力量開(kāi)發(fā) SAR 數字處理器。回波數據經(jīng)過(guò)數字化后，記錄在膠帶或磁盤(pán)上。20 世紀 70 年代后期，256KB 內存對于計算機來(lái)說(shuō)已經(jīng)相當大了，當時(shí)的磁盤(pán)容量和運算速度是非常低的。盡管如此，在 1978 年還是建立了一臺 SAR 數字處理器來(lái)處理 SEASAT 數據，該處理器處理一幅 40kmx40km 大小的 25m 分辨率圖像需要 40h。同樣的數據用今天的桌面工作站處理只需要幾十秒。
開(kāi)發(fā) SAR 數字處理算法需要將光學(xué)處理方法進(jìn)行完整的移植。其中，字節長(cháng)度、縮放比例、轉角、插值以及快速卷積等都是需要考慮的細節。經(jīng)過(guò)一系列原型化開(kāi)發(fā)，1978 年，著(zhù)名的精確數據處理算法：距離多普勒算法（range Doppler algorithm，簡(jiǎn)稱(chēng) RDA），人們很快就認識到 SAR 數字處理的優(yōu)勢和潛力，數字化方法也旋即成為主流。
1978 年以后，RDA 經(jīng)過(guò)了多次改進(jìn)，其他數字處理算法也不斷涌現，其中有些是針對特殊應用的。過(guò)去30年里絕大部分雷達系統方面的革新都是由數字技術(shù)在雷達系統設計（尤其是數據處理）中的應用帶來(lái)的。隨著(zhù)算法處理速度和雷達系統的不斷改進(jìn)，每年都有功能更強大的遙感雷達被設計出來(lái)。
SAR 基礎
在遙感中，SAR 借助機載或星載平臺獲得地表圖像。這一過(guò)程是通過(guò)雷達波束沿著(zhù)與傳感器運動(dòng)矢量近乎垂直的方向發(fā)射相位調制（phase—encoded）脈沖，接收并記錄經(jīng)地表反射后的回波來(lái)完成的。
為形成一幅圖像，需要在兩個(gè)互相正交的軸向上進(jìn)行強度測量。對于 SAR 來(lái)說(shuō)，其中一個(gè)軸向（圖像 x 軸）平行于雷達波束指向，在這個(gè)方向上，回波延時(shí)正比于雷達與散射體之間的距離。通過(guò)測量回波延時(shí)，雷達就能沿圖像 x 軸將回波置于正確位置上。但實(shí)際上，天線(xiàn)波束與地面之間并不是平行的，波束指向與雷達運動(dòng)方向之間也不是嚴格垂直的，由此造成的幾何畸變需要在處理過(guò)程中加以校正。
圖像的第二個(gè)軸向（圖像 y 軸）由傳感器的航向確定。當雷達在地表上方沿直線(xiàn)飛行時(shí)，雷達波束以近似相等的速度掃過(guò)地面。雷達發(fā)射電磁脈沖串并接收回波脈沖，這些回波經(jīng)過(guò)處理后，就能依據當前的傳感器位置而出現在圖像 y 軸上，即產(chǎn)生了具有正確幾何坐標的圖像。類(lèi)似于旋轉雷達波束的方位向， y 軸方向又稱(chēng)為方位向（沿航跡向）。不同的是，對于 SAR 來(lái)說(shuō)，方位向是通過(guò)雷達的線(xiàn)性移動(dòng)來(lái)獲得的，而不是像靜止雷達那樣通過(guò)波束旋轉來(lái)獲得的。
SAR 的不同工作模式
合成孔徑雷達可以按許多不同方式進(jìn)行工作：
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條帶合成孔徑雷達（Stripmap SAR）。在這種模式下，隨著(zhù)雷達平臺的移動(dòng)，天線(xiàn)的指向保持不變。天線(xiàn)基本上勻速掃過(guò)地面，得到的圖像也是不間斷的。該模式對于地面的一個(gè)條帶進(jìn)行成像，條帶的長(cháng)度僅取決于雷達移動(dòng)的距離，方位向的分辨率由天線(xiàn)的長(cháng)度決定。
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掃描合成孔徑雷達（ScanSAR）。這種模式與條帶模式的不同之處在于，在一個(gè)合成孔徑時(shí)間內，天線(xiàn)會(huì )沿著(zhù)距離向進(jìn)行多次掃描。通過(guò)這種方式，犧牲了方位向分辨率（或者方位向視數）而獲得了寬的測繪帶寬。掃描模式能夠獲得的最佳方位分辨率等于條帶模式下的方位向分辨率與掃描條帶數的乘積。
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聚束合成孔徑雷達（Spotlight SAR）。通過(guò)擴大感興趣區域（如地面上的有限圓域）的天線(xiàn)照射波束角寬，可以提高條帶模式的分辨率。這一點(diǎn)可以通過(guò)控制天線(xiàn)波束指向，使其隨著(zhù)雷達飛過(guò)照射區而逐漸向后調整來(lái)實(shí)現。波束指向的控制可以在短時(shí)間內模擬出一個(gè)較寬的天線(xiàn)波束（也就是說(shuō)一個(gè)短天線(xiàn)），但是波束指向不可能永遠向后，最終還是要調回到前向，這就意味著(zhù)地面覆蓋區域是不連續的，即一次只能對地面的一個(gè)有限圓域進(jìn)行成像。
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逆合成孔徑雷達（Inverse SAR，簡(jiǎn)稱(chēng) ISAR）。到目前為止，我們考慮的都是目標靜止而雷達移動(dòng)的情況，然而在目標移動(dòng)而雷達靜止的情況下，SAR 同樣可以工作。這種相反的工作模式稱(chēng)為“逆合成孔徑雷達”。逆 SAR 的一個(gè)例子就是用地基雷達跟蹤衛星航跡。這個(gè)概念可以推廣到雷達和目標都運動(dòng)的情況，例如用機載或星載合成孔徑雷達對波濤洶涌的海面上的艦船進(jìn)行成像。
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雙站合成孔徑雷達（Bistatic SAR）。在這種工作模式下，接收機和發(fā)射機分置于不同的位置。對于遙感 SAR 來(lái)說(shuō)，接收機和發(fā)射機通常很接近，可以近似成單基模式。
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干涉合成孔徑雷達（InSAR）。在這種工作模式下，可以通過(guò)復數圖像的后處理來(lái)提取地形高度和移位。將兩幅在同一空間位置（差分干涉 SAR）或間隔很小的兩個(gè)位置（地形高度干涉 SAR）獲得的復數圖像進(jìn)行共軛相乘，就能得到一幅具有等高度線(xiàn)或等位移線(xiàn)的干涉圖。
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SAR 分辨率
信號處理器在 SAR 分辨率中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，因為實(shí)際使用中發(fā)射脈沖的寬度很寬，必須經(jīng)過(guò)脈沖壓縮技術(shù)才能在距離向得到良好的分辨率。經(jīng)脈沖壓縮后，斜距分辨率等于光速除以二倍的距離處理帶寬。
實(shí)際上，脈沖壓縮技術(shù)在許多雷達系統中都有應用，而不僅限于 SAR，但是信號處理器的另一個(gè)作用卻是 SAR 獨有的，也是 SAR 區別于其他雷達的主要特征。一般雷達的方位向分辨率等于波束角寬與雷達到目標之間的斜距的乘積，即使對于窄波束雷達，幾千米的斜距增量也會(huì )導致非常明顯的方位向分辨率惡化。
然而我們注意到，處于雷達波束不同位置的散射體的回波具有不同的多普勒頻移，如果利用這一點(diǎn)來(lái)區分不同的方位單元，就可以得到良好的方位向分辨率。這就涉及了“合成孔徑”的概念，并由此給出“SAR”這一名稱(chēng)的緣由。利用多普勒頻移，可以合成幾千米的孔徑，分辨率也得到相應的提高。
經(jīng)過(guò)處理，最終的方位向分辨率等于天線(xiàn)尺寸的二分之一，而與距離無(wú)關(guān)。因此，為了得到更好的方位向分辨率，天線(xiàn)尺寸越小越好。一般的天線(xiàn)和透鏡，都是尺寸越大分辨率越高，SAR 的這個(gè)特殊性質(zhì)使得它與普通天線(xiàn)或透鏡的工作原理正好相反。但是，如果天線(xiàn)尺寸過(guò)短或作用距離過(guò)遠，圖像的信噪比就會(huì )低于可接受范圍。
信噪比
SAR 系統的另一個(gè)重要參數是圖像信噪比（signal-to-noise，簡(jiǎn)稱(chēng)SNR）。SAR 信號的 SNR 可以由以下“雷達方程”導出。雷達方程表明，雷達接收功率是發(fā)射功率、雷達與目標之間的距離以及許多雷達系統和散射體變量的函數。
為建立圖像質(zhì)量與雷達發(fā)射功率之間的定量關(guān)系，一般將雷達方程表示成圖像 SNR 的形式，如果圖像包含分布目標（一般指雜波），則 SNR 為
式中， 為雷達平均發(fā)射功率， 為天線(xiàn)增益， 為雷達信號波長(cháng)， 為地面目標的歸一化后向散射系數， 為光速， 是雷達與反射體之間的距離， 為玻爾茲曼常數， 為接收機溫度， 是發(fā)射信號帶寬， 是接收機噪聲， 為系統損耗， 為平臺速度， 為波束入射角。
平均發(fā)射功率：
其中， 峰值發(fā)射功率， 雷達 ， 發(fā)射脈沖持續時(shí)間。
天線(xiàn)增益是俯仰角和方位角的函數。計算俯仰向的增益時(shí)需要將雷達與目標的距離考慮在內；方位向的增益則是合成孔徑角度范圍內天線(xiàn)方向圖的加權平均。 是標稱(chēng)工作溫度下理想接收機的熱噪聲， 是實(shí)際接收機相對于理想接收機的附加噪聲， 是信號在傳輸路徑中的損耗。
當對孤立點(diǎn)目標成像時(shí)，由于點(diǎn)目標的尺寸近似于或小于雷達分辨率，因此它的大部分能量集中在圖像的一個(gè)點(diǎn)上，點(diǎn)目標 SNR 為
其中， 為目標的雷達截面積， 為斜距分辨率， 為方位向分辨率。
這里使用的是目標的實(shí)際（沒(méi)有歸一化）雷達截面積， 和 是數據處理后的分辨率。利用這些公式，可以計算出點(diǎn)目標信雜比或點(diǎn)目標與雜波及噪聲之和的比值。
SAR 的 SNR 與一般雷達 SNR 的主要區別在于對距離 的依賴(lài)關(guān)系不同。根據熟知的平方反比律（即能量均勻分布于整個(gè)半徑為 的球面），由于雷達能量在發(fā)射和接收的傳播中都經(jīng)過(guò)了 的衰減，一般雷達 SNR 正比于 。
相比而言， SAR 處理器在方位向將回波能量按正比于斜距 的長(cháng)度進(jìn)行積分，因此消掉了分母中的一個(gè)表征能量傳播關(guān)系的 ，導致 SAR 的 SNR 正比于 。對 SAR 的 SNR 公式的理解并不能幫助我們更好地成像，但是 法則將會(huì )用于圖像的輻射校正。
距離徙動(dòng)
合成孔徑處理是針對大量回波脈沖進(jìn)行的。由于在合成孔徑內傳感器的移動(dòng)，雷達與目標的距離隨時(shí)間變化，這個(gè)變化所引發(fā)的回波數據的多普勒頻移構成了合成孔徑處理的基礎。然而這種距離變化同時(shí)也導致了距離徙動(dòng)（range cell migration，簡(jiǎn)稱(chēng) RCM）現象，使數據處理變得更復雜了。
雷達接收到回波以后，就對數據進(jìn)行采樣和存儲。數據處理是一個(gè)二維過(guò)程，但一般分成距離向和方位向兩個(gè)互相獨立的一維處理過(guò)程。當回波能量在一個(gè)合成孔徑時(shí)間內沿距離向沒(méi)有明顯的變化時(shí)，這種分離是非常簡(jiǎn)單的。這里的“明顯”依賴(lài)于距離向的采樣密度。
如果回波能量分布沿距離向的變化（或稱(chēng)距離徙動(dòng)）超過(guò)了一個(gè)距離采樣（或距離單元），就認為這種變化是“明顯”的，在成像處理時(shí)必須加以考慮。通常處理過(guò)程中的 RCM 校正是單獨進(jìn)行的，稱(chēng)為距離徙動(dòng)校正（range cell migration correction，簡(jiǎn)稱(chēng) RCMC）。
