SAR 简介

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合成孔径雷达 (SAR) 是一种雷达传感器。 SAR 传感器可安装在飞机或卫星上，进行侧向瞄准，而非垂直向下（像低点）。 它是一种主动传感器，可向地球表面发送电磁波并接收反射信号。 传感器接收到的电磁波称为测量的反向散射。 SAR 影像是测量的反向散射的 2D 渲染。

SAR 影像通常可作为两种产品类型：地面范围检测 (GRD) 和单视复数 (SLC)。 用地球椭圆体模型对 GRD 产品进行平均化，以生成多视影像投影到地面范围。 GRD 影像被存储为实值数组，其中每个像素中的值表示测得的反向散射信号的振幅。 SLC 产品是数据采集影像平面中的影像，称为倾斜范围平面。 SLC 影像被存储为复杂值数组，其中每个像素中的单个复杂值表示所测得的反向散射信号的振幅和相位。

SAR 影像像素振幅的高数字值 (DN) 表示强反向散射，低数字值 DN 表示弱反向散射。 测得的反向散射振幅强度可用于区分地面要素。 发射和接收电磁波之间的时间延迟决定了要素的位置。

主动传感

传感器可以分为被动传感器和主动传感器。 使用光学系统的被动传感器可记录太阳发出并从地面反射的电磁波。 SAR 系统使用的主动传感器可作为源或接收器。 这意味着传感器可传输电磁波，并可记录反射波。 与光学传感器不同，SAR 传感器可在任何时段工作，不受太阳的影响，因为它可传输自己的信号。

光学传感器（左）仅适用于天空晴朗的环境。 SAR 传感器（右）可以昼夜工作，甚至在多云环境下也可以工作。

微波波长

与光学传感器相比，SAR 传感器可通过主动传感收集更长波长的影像。 光学传感器使用的波长从可见光（4x10^-7 米）到热红外（15x10^-6 米）的波长，而 SAR 传感器使用从 K 波段（7.5x10^-3 米）到 P 波段（1 米）的微波波长。

凭借其微波波长，SAR 成为大多数波段的全天候影像系统。 C、S、L 和 P 波段的较长波长使 SAR 传感器波能够渗透云层、雾、灰尘、霾和烟，使其更适合监测潮湿的热带和高纬度地区。 降水和云层均会降低 K 波段信号强度，而只有降水会降低 X 波段信号强度。 来自强风暴的雨芯和比重计会降低 K 波段、X 波段和 C 波段信号的强度。 对于这些波段的 SAR 影像，在信号与这些严重的风暴要素交汇的像素上，反向散射将减弱。 雨芯发生在大雨率（超过 125 毫米/小时）期间，而水汽凝结体是由液态和融化阶段的雨滴组成的云。

表征 SAR 系统的微波波长也提供了有关地球表面物理特性的独特信息，如粗糙度、密度和含水量。 微波波长通常会根据反射它们的要素发生不同的散射。 所使用的波长会强烈影响 SAR 影像中捕获的特征。 如果波长大于感兴趣要素，电磁波将无法检测到该要素。 例如，L 波段是热带森林洪水制图的理想选择，在那里，树冠遮挡了光学传感器观察地面的视角。 15 到 30 厘米的较长的 L 波段波长不会探测到树冠叶子，这允许波段渗透树冠覆盖层并对下面的水淹地面进行成像。 在这种情况下，波长为 2.4 至 3.75 厘米的 X 波段数据将直接从树冠上散射，并生成一幅 SAR 影像，突出显示树冠，而非水淹地面。

微波波长也可渗透土壤、雪和冰等物质。 波长越长，渗透深度越大。 然而，材料含水量越大，渗透深度越小。 这一特性可用于区分冻土和未冻土条件。

对于大多数微波波长，具有平滑水平要素的路面（如道路、机场跑道、干燥的湖床、平整的土壤、静止的水和沙子）可将电磁波反射到远离传感器的地方，并显示出具有弱反向散射（低 DN）的像素。 同样，对于大多数微波波长，具有反射材料和尖锐几何形状的人造物体（如建筑物和船舶）会将电磁波反射到传感器，并显示出具有强反向散射（高 DN）的像素。

下表概述了各波段及其相关波长可能具有的各种特征和应用：

应用程序	K 波段	X 波段	C 波段	S 波段	L 波段	P 波段
波长 (cm)	0.75 — 2.4	2.4 — 3.75	3.75 — 7.5	7.5 — 15	15 — 30	30 — 100
渗透
低至中等作物冠层渗透
高等作物冠层渗透
水汽凝结体或雨芯渗透
降水渗透
云、雾、灰尘、霾或烟渗透
干冲积层渗透
干雪或冰渗透
湿土渗透
制图
冠层制图
水淹草制图
水淹芦苇和灌木植被制图
水淹冠层制图
海冰监控
石油泄漏制图
地球表面制图
洪水制图
土壤湿度监控

注：

此表列出了可能适用于给定波长的应用程序；但是，这并不能保证它们适用于雷达数据集和位置。

极化

除了感应更长的波长外，主动感应还具有控制传输电磁波极化的能力。 通过让 SAR 传感器定义发射和接收的极化，产生的 SAR 图像可以根据反向散射突出地球表面的不同特征。 SAR 数据的极化由两个字母表示，第一个字母对应发射极化，第二个字母对应接收极化。

双极化 SAR 影像具有 VV、VH 极化数据或 HH、HV 极化数据。 对于 VV、VH 产品，传感器发射垂直极化波并接收垂直极化 (VV) 或水平极化 (VH) 波。 同样，对于 HH、HV 产品，传感器发射水平极化波，接收水平极化波 (HH) 或垂直极化波 (HV)。 如果发射和接收的波具有相同的极化，则将数据描述为共极化。 如果发射和接收的波不共享相同的极化，则将数据视为交叉极化。 与波长一样，使用的发射和接收极化对 SAR 影像中捕获的要素有很大影响，必须加以考虑。

空间分辨率

主动传感使 SAR 传感器能够综合提高其空间分辨率。 SAR 传感器发射的电磁波具有不同频率的啁啾声，在接收到的波中充当标记。 当卫星绕行或飞机沿其轨道飞行时，SAR 传感器对地面上的一个点进行多次成像。 啁啾标记可用于识别接收波的位置。 这一特点与信号处理技术相结合，使具有短天线的 SAR 传感器能够综合拉长其天线，从而提高其空间分辨率。 为了确定接收到的波在地面上的位置，SAR 传感器必须是侧视的。 如果 SAR 传感器视角为像底点（笔直向下），它将无法利用行程时间来区分与对侧传感器等距离的要素。

增加给定传感器的照相机孔径大小允许更多光线进入，从而增加图片的分辨率。

尽管 SAR 传感器可为地面特征提供独特渲染，但它们也具有独特的处理复杂性。 最常见的包括去除热噪声，应用校准以检索有意义的反向散射值，过滤斑点噪声，以及去除辐射和几何畸变。

当卫星绕地球运行时，传感器将对地面进行多次成像。 将其与信号处理技术相结合，可以让 SAR 传感器（包含短天线）综合拉长其天线以获得更大的孔径。