合成孔径雷达

合成孔径雷达SAR（Synthetic：sin'etik Aperture：'æptju Radar; ：'reid: SAR，合成孔径雷达）合成孔径雷达就是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。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。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。合成孔径雷达就是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。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。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。SAR 所用的雷达波段大约是 300MHz 到 30GHz。比如一般用的波段是 110GHz 的合成孔径雷达，大气对这种波段的影响不大。也就是说如果天上有一个合成孔径雷达卫星，白天黑夜、大气的云雾雨雪等天气变化对雷达看到的结果影响甚微，可忽略不计。所以合成孔径雷达是一种全天时、全天候的雷达，它所成的图像就是SAR 图像了。SAR 图像的场景和照相机拍出来的场景类似，只不过波段不同看到的事物也不一样。SAR 都是斜视的，而光学的可以垂直照射。合成孔径雷达发展历程表合成孔径雷达发展历程表1951 年 6 月美国古德依尔宇航公司的威利首先提出最初的频率分析的方法改善雷达的角分辨力，他将其称为多谱勒波束锐化。与此同时，伊里诺斯大学控制系统实验室的一个研究小组采用相干机载侧视面雷达数据，研究运动目标检测技术。1952 年，C. W. Shervin 第一次提出了采用相位校正的全聚焦阵列概念，另外他还提出了运动补偿概念。正是这些新思想最终导致了 X波段相干雷达的研制。1953 年获得第一幅 SAR 图像。1957 年美国密歇根大学雷达和光学实验室研制的 SAR 系统获得第一张全聚焦的 SAR 图像。1958 年，美国密执安大学(University of Michigan)的雷达和光学实验室在 L. J. Cutrona 的领导下，用他们研制的雷达进行飞行试验，用光学相关器件将相干雷达视频信号变成了高分辨的图像。在 1967 年 Greenberg 首先提出在卫星上安装 SAR 的设想。由于卫星飞行高度高测绘带宽，可以大面积成像等优点，科学家开始着手进行航天飞机、卫星等作为载体的空载 SAR 的研究，并取得了巨大进展。直到 60 年代末、70 年代初，美国宇航局 NASA 主持了一些民用 SAR 系统的研制，主要研究单位是密西根环境研究所(Environmental Research Institute of Michigan, ERIM)和喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)。20 世纪 70 年代美国密歇根环境研究所（ERMI）和国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）研制出 1.25GHz 和 9GHz 多极化合成孔径雷达。1972 年 JPL 进行了 L 波段星载 SAR 的机载校飞。1975 年，NASA 将 SAR 作为 Seasat 任务的一部分。由于 SAR在 Seasat 任务中的突出表现，使得星载 SAR 得到高度重视，成为合成孔径雷达的一个重要发展方向。1978 年 5 月美国宇航局(NASA)成功地发射了全球第一颗装载了空间合成孔径雷达的人造地球卫星(Seasat-a) ，对地球表面 1 亿平方公里的面积进行了测绘。 Seasat 卫星的高度约 800 公里，工作波段为 L 波段，测绘带宽为 100 公里。Seasat 卫星具有很大的全球覆盖率，转发了不同地形特征的 SAR 数据，获得了大量过去未曾有过的信息，引起了科学家们的极大重视。标志着星载 SAR 己成功进入了太空时代。1981 年 11 月 12 日美国“哥伦比亚”号航天飞机搭载 SIR-A 顺利升空。雷达影像上成功观测到撒哈拉沙漠的地下古河道，显示了SAR 具有穿透地表的能力，引起国际科技界的震动。1984 年 10 月 5 日美国进行了“挑战者”号航天飞机搭载 SIR-B的实验。SIR-A 和 SIR-B 都源于 SEASAT-A，都工作于 L 波段。其中SIR-A 于 1981 年 11 月发射，轨道高度为 252 公里，分辨率为 37 米，而 SIR-B 于 1984 年 7 月发射，轨道高度为 250-326 公里，倾角为570，测绘带宽为 50 公里，分辨率为 35 米。与 SIR-A 的主要不同点在于 SIR-B 的波束俯视角可变，而且 SIR-B 可采用光学和数字两种方式记录和处理图像，比 SEASAT 的非实时数字处理的成像速度要快。1987 年 7 月原苏联发射的“COSMOS-1870”卫星上配备了一部分辨率为 25 米的 S 波段 ALMAZ- ISAR 系统。该雷达的特点是天线双侧视，运行时间长达 2 年，是第一部长期运行的空间合成孔径雷达。主要对人类无法进入的地区进行雷达成像测绘，监测海洋表面污染，鉴别海冰和对厚冰区的舰船进行导航等。美国 NASAIJPL 实验室于 1988 年研制的 AIR SAR，功能齐全，有 P, L, C 三个波段。具有全极化能力，能同时产生 12 个数据通道的分辨率为 10×10 米的 SAR 图像。1988年12月2日，美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号将“长曲棍球（Lacrosse） ”军事侦察卫星送入预定轨道，这是世界上第一颗高分辨率雷达成像卫星。它可以全天候、全天时监视前苏联装甲部队的活动，分辨率以达到1米左右。1989 年 NASA 开展了一项星球雷达任务Magellan 雷达观测金星计划，将 SAR 拓展到研究其他星球的重要工具之一。德国宇航局于 80 年代中期开发机载合成孔径雷达，并于 1988年和 1989 年先后研制成功线性极化 C 波段和 X 波段 SAR 系统，1990 年又扩展到 L 波段。该雷达系统具有全极化方式，分辨率为2.4×4 米，测绘带宽为 4 公里，投射角为 200270。丹麦于 1989 年研制成功 C 波段机载合成孔径雷达，该系统具有灵活的性能指标，其分辨率、测绘带宽、和成像几何布局均可调节。测绘带宽分别为 12、24、48 公里，距离向和方位分辨率分别为2、4、8 米，最大作用距离为 80 公里，该系统的性能指标接近于美国的 J-STARS。从九十年代起，对能够提供三维信息的干涉式 SAR 的研究引起了世界各国的格外关注，成为 SAR 技术发展的新热点。1990年8月美国又成功地发射了“麦哲伦号”太空飞船，装备有SAR系统以用于对金星表面进行成像研究；同时在机载SAR方面，美国仍处于领先地位。在美国发展SAR技术的同时，前苏联、欧空局及日本也相继发射了星载SAR卫星，其中ERS-1和ERS-2就是欧空局成员国共同研制的，具有全系统校准能力，提高了图像质量。1991 年 3 月 8 日，NASA 发射长曲棍球-2。1991 年 3 月 31 日 COSMOS-1870 的改进型 ALMAZ-1 由前苏联发射上天，搭载 S 波段 SAR。1991年7月1日，欧空局发射了ERS-1空间合成孔径雷达，运行3年，该雷达系统采用准极地轨道，平均高度为785公里。测绘带宽为100公里，分辨率为30米，工作于C波段，垂直极化方式，该系统的最大特点在于实现了平台姿态的动态控制。根据ERS-1的特性，可获得大量的星载SAR三维成像试验的数据，许多科学家利用ERS-1的数据进行三维SAR成像研究，得到了较为满意的结果。它可提供全球气候变化情况，并对近海水域和陆地进行观测。1991年3月前苏联发射了ALMAZ- II合成孔径雷达，其轨道高度为300公里，投射角可变，范围为300600 。双侧视，每侧的测绘带宽为350公里，分辨率为1530米，工作于S波段，水平极化方式。1992 年 2 月，日本发射了 JERS-A 空间合成孔径雷达，L 波段，运行 2 年，轨道高度为 568 公里，投射角为 38.50。测绘带宽为 75公里，分辨率为 18×24 米，工作于 L 波段，水平极化。1993 年 9 月，美国宇航局航天飞机成像雷达 SIR-C/X-SAR 发射成功，该雷达是全世界第一部多波段(L,C, X 波段)、多极化、多投射角空间合成孔径雷达。轨道高度为 250-325 公里，投射角在170630范围内可变，测绘带可在 15 90 公里范围内可变，分辨率为 25 米。其中 SIR-C 工作于 L, C 波段，有 4 种极化方式，X-SAR 工作于 X 波段，只有一种(VV)极化方式。采用多波段工作可以研究地物对不同频率的响应，以此来区分和鉴别地物目标。1994 年 NASA、DLR（德国空间局）和 ASI（意大利空间局）共同进行了航天飞机成像雷达飞行任务 SIR-C/X-SAR，分别在 1994年 4 月 9 日到 20 日和 9 月 30 日到 10 月 11 日进行了两次飞行。SIR-C 由 NASA 负责完成，是一部双频（L 波段、C 波段）全极化雷达。X-SAR 由 DLR 和 ASI 共同建造，为单频 X 波段，单极化VV 雷达。SIR-C/X-SAR 首次实现了利用多频、多极化雷达信号从空中对地球进行观测，SIR-C 图像数据有助于人们深入理解现象背后的物理机理，深入开展植被、土壤湿度、海洋动力学、火山活动、土壤侵蚀和沙化等多项科学研究工作。1995 年 4 月 21 日年 ERS-2 发射升空。1995 年 11 月 4 日加拿大成功发射了其第一颗资源调查卫星RADARSAT-1，轨道高度 800 公里，投射角为 100600。测绘带宽为 45500 公里，分辨率为 10100 米，工作于 C 波段，水平极化方式。该星为商业应用和科学研究提供全球冰情、海洋和地球资源数据。1996 年 NASA 开展了第二项星球雷达任务观测土星的Cassini 任务，用