合成孔徑雷達(dá)天線往往僅用單個(gè)輻射單元，沿一直線依次在若干個(gè)位置平移，且在每一個(gè)位置發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)，接收相應(yīng)發(fā)射位置的雷達(dá)回波信號(hào)并儲(chǔ)存起來(lái)，然后通過(guò)信號(hào)處理的方法產(chǎn)生一個(gè)等效的長(zhǎng)的線性陣列天線。合成孔徑雷達(dá)的特點(diǎn)是分辨率高，能全天候工作，可有效地識(shí)別偽裝和穿透掩蓋物。

要想通過(guò)在不同的位置發(fā)射信號(hào)并收集后再聯(lián)合處理，那么首先就要確保發(fā)射的脈沖是相參的，相參性是SAR系統(tǒng)獲得高分辨率的必要條件。

發(fā)射信號(hào)、本振電壓、相參震蕩電壓和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號(hào)提供，接收機(jī)也需要具備很高的時(shí)間精度。

隨著平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，地面目標(biāo)逐漸進(jìn)入雷達(dá)波束，平臺(tái)接近目標(biāo)時(shí)多普勒頻率為正，遠(yuǎn)離目標(biāo)時(shí)為負(fù)，頻率隨時(shí)間變化曲線的斜率為負(fù)，目標(biāo)的多普勒歷程如下圖所示。

SAR的距離和方位分辨率

SAR通過(guò)脈沖壓縮技術(shù)改善距離分辨率，它與發(fā)射信號(hào)的帶寬有關(guān)，帶寬越大，分辨率越小；通過(guò)合成孔徑技術(shù)改善方位分辨力，條帶SAR理論上可以達(dá)到天線尺寸的1/2，聚束SAR分辨率更小。

高的分辨力要求采用小的天線而不是大的天線，并且與距離和波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。當(dāng)然，受到其他因素的影響，天線孔徑也不可能無(wú)限小。

SAR回波存儲(chǔ)

SAR是需要存儲(chǔ)雷達(dá)回波，由于數(shù)據(jù)不是同時(shí)采集的，需要對(duì)一定的時(shí)間間隔內(nèi)接收的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。A/D轉(zhuǎn)換之后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，選擇存儲(chǔ)介質(zhì)必須考慮到信息記錄的速率、記錄的數(shù)據(jù)容量、完成方位壓縮和脈沖壓縮時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取速度。

SAR處理過(guò)程

SAR天線在每個(gè)位置發(fā)射脈沖信號(hào)并接收目標(biāo)回波并按順序存儲(chǔ)，然后通過(guò)二維匹配濾波實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的距離和方位向的高分辨。

SAR信號(hào)處理是假定雷達(dá)隨飛機(jī)做直線等速飛行。實(shí)際上，運(yùn)載天線的飛行器總是與這種典型的直線等速飛行狀態(tài)有偏差的。因此就需要用輔助設(shè)備來(lái)補(bǔ)償非直線運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備必須包含能檢測(cè)飛行路線與直線路徑偏離的傳感器，可以用各種方式使用此敏感元件的輸出。為了完善運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，還必須調(diào)整接收信號(hào)的相位，以補(bǔ)償實(shí)際天線與理想的形成合成天線位置之間的偏移。

SAR極化

極化是電磁波的本質(zhì)屬性之一，是除頻率、幅度、相位之外的又一維重要信息。電磁波的傳播和散射都是矢量現(xiàn)象，而極化正是用來(lái)研究電磁波的這種矢量特征。SAR系統(tǒng)常用四種極化方式——HH、VV、HV、VH。

雷達(dá)發(fā)射的能量脈沖的電場(chǎng)矢量，可以在垂直或水平面內(nèi)被偏振。無(wú)論哪個(gè)波長(zhǎng)，雷達(dá)信號(hào)可以傳送水平(H)或者垂直(V)電場(chǎng)矢量，接收水平(H)或者垂直(V)或者兩者的返回信號(hào)。

單極化是指(HH)或者(VV)，就是水平發(fā)射水平接收或垂直發(fā)射垂直接收。氣象雷達(dá)領(lǐng)域那一般都是(HH)。雙極化是指在一種極化模式的同時(shí)，加上了另一種極化模式，如(HH：水平發(fā)射水平接收)和(HV：水平發(fā)射垂直接收)。全極化技術(shù)難度最高，要求同時(shí)發(fā)射H和V，也就是HH/HV/VV/VH四種極化方式。

電磁波的極化對(duì)目標(biāo)的介電常數(shù)、物理特性、幾何形狀和取向等比較敏感，因而極化測(cè)量可以大大提高成像雷達(dá)對(duì)目標(biāo)各種信息的獲取能力。下圖是同一個(gè)地區(qū)不同極化方式下的成像結(jié)果。

雷達(dá)極化已經(jīng)發(fā)展成為一種比較成熟的技術(shù)，在農(nóng)業(yè)(分辨不同的農(nóng)作物耕地)、森林(植被高度、衰減系數(shù)等生物量的估計(jì)、物種識(shí)別)、地質(zhì)(地質(zhì)結(jié)構(gòu)描述)、水文(表面粗糙度和土壤濕度估計(jì)、雪濕度估計(jì))、海冰監(jiān)測(cè)(冰齡和厚度估計(jì))和海洋學(xué)(波特性估計(jì)，熱和波前探測(cè))等很大范圍內(nèi)都得到廣泛的研究和應(yīng)用。

水平極化波和垂直極化波在地物或海洋的后向散射系數(shù)和相位特性均不相同，因此除了通過(guò)多波段來(lái)增加遙感的信息含量，也可以通過(guò)不同的極化來(lái)提高目標(biāo)的識(shí)別的準(zhǔn)確度。

通過(guò)對(duì)雷達(dá)目標(biāo)和地物雜波的極化特性測(cè)量與分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的分類與識(shí)別，這在雷達(dá)抗干擾領(lǐng)域的作用也日漸突出。

SAR波段

雷達(dá)波段的選擇可以說(shuō)是相當(dāng)重要，對(duì)于星載SAR，波段選擇主要考慮了大氣傳輸窗口、頻率和極化對(duì)信息提取的影響，圖像質(zhì)量與設(shè)備復(fù)雜度之間的權(quán)衡等因素。

大氣窗口都知道，大氣中的氧和水分子、云霧和雨雹等對(duì)高頻電磁能量吸收明顯，在幾個(gè)頻率上有尖銳的吸收峰值，并且雷達(dá)信號(hào)在穿透電離層和對(duì)流層時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位失真、極化旋轉(zhuǎn)和損耗等，從而使圖像出現(xiàn)誤差、甚至難以成像。

1GHz頻率以下，雖然大氣對(duì)電磁波的吸收不明顯，但是存在明顯的極化旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此星載SAR的工作頻段適宜選擇L、C、X波段。

星載SAR觀測(cè)的后向散射波既包含目標(biāo)表面發(fā)射波，還包含穿透得到的回波。波長(zhǎng)越長(zhǎng)、穿透能力越強(qiáng)，這種穿透作用在稠密作物或樹木的情況下特別明顯，從而產(chǎn)生多路徑反射，從而形成了極化旋轉(zhuǎn)。

X波段適合對(duì)冰的觀測(cè)和分類，以及對(duì)海面污染情況的觀察；L波段適合對(duì)淡水和穿透地下目標(biāo)的觀測(cè)；C波段適合觀察海洋上的強(qiáng)目標(biāo)。

審核編輯：劉清