初识合成孔径雷达SAR 逆合成孔径雷达

用一个小天线作为单个辐射单元,将此单元沿一直线不断移动,在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”,这样可以得到较高的方位向分辨率,同时方位向分辨率与距离无关,这样SAR就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的SAR图像。

图1SAR成像原理示意图

1、几个参重要参数

为了更好的理解SAR和SAR图像,需要知道几个重要的参数。

SAR图像分辨率包括距离向分辨率(Range Resolution)和方位向分辨率(Azimuth Resolution)。


初识合成孔径雷达SAR 逆合成孔径雷达

图2 距离向和方位向示意图

垂直飞行方向上的分辨率,也就是侧视方向上的分辨率。距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关,与脉冲持续时间成正比:

Res( r) = c*τ/2

其中c为光速,τ为脉冲持续时间。

沿飞行方向上的分辨率,也称沿迹分辨率。如下为推算过程:

• 真实波束宽度: β= λ/D

• 真实分辨率:ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)

• 合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) =D / (2* R)

• 合成分辨率ΔLs = βs* R = D/ 2

其中λ为波长,D为雷达孔径,R为天线与物体的距离。

从这个公式中可以看到,SAR系统使用小尺寸的天线也能得到高方位向分辨率,而且与斜距离无关(就是与遥感平台高度无关)。



图3 方位向分辨率示意图

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。雷达遥感系统常用四种极化方式———HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化,后两者为异向(交叉)极化。

极化是微波的一个突出特点,极化方式不同返回的图像信息也不同。返回同极化(HH或者VV)信号的基本物理过程类似准镜面反射,比如,平静的水面显示黑色。交叉极化(HV或者VH)一般返回的信号较弱,常受不同反射源影响,如粗糙表面等。

图4 HV极化示意图

入射角也叫视角,是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角(如下图中的θ)。微波与表面的相互作用是非常复杂的,不同的角度区域会产生不同的反射。低入射角通常返回较强的信号,随着入射角增加,返回信号逐渐减弱。

根据雷达距离地表高度的情况,入射角会随着近距离到远距离的改变而改变,依次影响成像几何。

图5SAR入射角示意图

2、SAR拍摄模式

SAR主要有三种拍摄模式:Stripmap,ScanSAR和Spotlight。

当然最新的SAR系统拥有更多的拍摄模式,比如RADARSAT-2还用于超精细、高入射角等拍摄模式

当运行Stripmap模式时,雷达天线可以灵活的调整,改变入射角以获取不同的成像宽幅。

最新的SAR系统都具有这种成像模式,包括RADARSAT-1/2,ENVISAT ASAR,ALOS PALSAR,TerraSAR-X-1,COSMOSkyMed和RISAT-1。

图6 条带模式

扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间,最后获取一个完整的图像覆盖区域。它能解决Stripmap模式较小的刈幅。

图7 扫描模式

当执行聚束模式采集数据时,传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。

它与条带模式主要区别为:

  1. 在使用相同物理天线时,聚束模式提供更好的方位分辨率;
  2. 在可能成像的以一个区域内,聚束模式在单通道上的提供更多的视角;
  3. 聚束模式可以更有效的获取多个小区域。

图8聚束模式

3、主流星载SAR

系统

发射时间

波段

极化

图幅宽度(KM)

分辨率

重复周期

轨道

精度

(cm)

拍摄模式

国家

ERS-2

1995

C

VV

100

25m

35

30

Stripmap

欧洲

RADASAT1

1995

C

VV

10-500

10-30-100

24

>100

Stripmap

ScanSAR

加拿大

ENVISAT

2002

C

VV

100-400

20

35

30

Stripmap

ScanSAR

欧洲

ALOS

2006

L

Full

40-350

7-14-100

46

>100

Stripmap

日本

TerraSAR-X

2007

X

Full

5-10-30-100

1-3-16

11

10

Spotlight

Stripmap

ScanSAR

德国

Cosmo-skymed

2007

X,L

Full

10-30-200

1-3-15

1-16

10

Spotlight

Stripmap

ScanSAR

意大利

RADASAT2

2007

C

Full

10-500

3-100

1-24

10

Spotlight

Stripmap

ScanSAR

加拿大

  

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