SAR的关键技术

wangzhuang006

SAR是分辨率较高的相干成像雷达系统，它是通过天线给物体发射能量，同时也通过SAR接收能量，全部的能量都通过电子设备记录下来，最后形成图像。合成孔径雷达中的孔径就是天线的长度，SAR系统通过卫星或者飞机的向前运动形成合成孔径，即一个长的天线，只要物体返回的能量能达到孔径发射出的光束宽度内，这个物体就可以形成图像被保存下来 [3] 。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。SAR通过脉冲压缩技术改善距离分辨率，它与发射信号的带宽有关，带宽越大，分辨率越小；通过合成孔径技术改善方位分辨力，条带SAR理论上可以达到天线尺寸的1/2，聚束SAR分辨率更小。高的分辨力要求采用小的天线而不是大的天线，并且与距离和波长无关。当然，受到其他因素的影响，天线孔径也不可能无限小。
SAR是需要存储雷达回波，由于数据不是同时采集的，需要对一定的时间间隔内接收的信号进行运算。 A/D转换之后对数字信号进行存储，选择存储介质必须考虑到信息记录的速率、记录的数据容量、完成方位压缩和脉冲压缩时存储数据的读取速度。
SAR信号处理是假定雷达随飞机做直线等速飞行。实际上，运载天线的飞行器总是与这种典型的直线等速飞行状态有偏差的。因此就需要用辅助设备来补偿非直线运动。
运动补偿设备必须包含能检测飞行路线与直线路径偏离的传感器，可以用各种方式使用此敏感元件的输出。为了完善运动补偿，还必须调整接收信号的相位，以补偿实际天线与理想的形成合成天线位置之间的偏移。
极化是电磁波的本质属性之一，是除频率、幅度、相位之外的又一维重要信息。电磁波的传播和散射都是矢量现象，而极化正是用来研究电磁波的这种矢量特征。SAR系统常用四种极化方式——HH、VV、HV、VH。
雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长，雷达信号可以传送水平(H)或者垂直(V)电场矢量，接收水平(H)或者垂直(V)或者两者的返回信号。
单极化是指(HH)或者(VV)，就是水平发射水平接收或垂直发射垂直接收。气象雷达领域那一般都是(HH)。
双极化是指在一种极化模式的同时，加上了另一种极化模式，如(HH：水平发射水平接收)和(HV：水平发射垂直接收)。全极化技术难度最高，要求同时发射H和V，也就是HH/HV/VV/VH四种极化方式。
电磁波的极化对目标的介电常数、物理特性、几何形状和取向等比较敏感，因而极化测量可以提高成像雷达对目标各种信息的获取能力。图1是同一个地区不同极化方式下的成像结果。
雷达极化已经发展成为一种比较成熟的技术，在农业(分辨不同的农作物耕地)、森林(植被高度、衰减系数等生物量的估计、物种识别)、地质(地质结构描述)、水文(表面粗糙度和土壤湿度估计、雪湿度估计)、海冰监测(冰龄和厚度估计)和海洋学(波特性估计，热和波前探测)等很大范围内都得到广泛的研究和应用。
水平极化波和垂直极化波在地物或海洋的后向散射系数和相位特性均不相同，因此除了通过多波段来增加遥感的信息含量，也可以通过不同的极化来提高目标的识别的准确度。通过对雷达目标和地物杂波的极化特性测量与分析，可以实现对不同目标的分类与识别，这在雷达抗干扰领域的作用也日渐突出。
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。