第1章概论
1.1 SAR原理及其发展
1.1.1 SAR原理
合成孔径雷达（synthetic apertureradar，SAR）是一种主动微波遥感设备，它通过雷达平台和目标之间的相对运动，在一定积累时间内，将雷达在不同空间位置上接收的宽带回波信号进行相干处理，从而得到目标二维图像。
在距离向，SAR通过发射大时宽带宽积的线性调频信号进行脉冲压缩来提高分辨率，这一点与常规雷达一致；在方位向，SAR利用目标和雷达的相对运动形成一个虚拟的合成孔径来获得高分辨率，工作时在匀速直线运动的平台上以一定的脉冲重复频率发射和接收脉冲信号，将回波信号进行相干处理之后实现方位向的高分辨率。
雷达在（地面）距离上的分辨率被定义为系统能够区分的两点之间的最小距离。如果距离较远点的回波脉冲的前沿到达时间迟于距离较近点的回波脉冲的后沿到达时间，那么每个点在雷达回波的时间上可以区分开。如果雷达脉冲的持续时间是tp，那么两个可分辨点之间的最小间隔为
（1.1）
其中，为斜距分辨率；c为光速；为入射角。
地面成像带和雷达波束宽度的关系如图1.1所示。
为了获得理想的距离分辨率，要求脉冲持续时间tp很短，导致系统占空比以及平均发射功率非常小，系统信噪比（SNR）无法满足目标观测的要求。因此，SAR系统采用脉冲压缩技术同时实现髙分辨率（用较长的脉冲）和高信噪比。对接收到的脉冲信号进行压缩处理（匹配滤波），可以获得的距离分辨率变为
（L2）
其中，Br为发射信号的带宽。
SAR系统中方位向（平行于平台飞行方向）的高分辨率是通过合成孔径技术得到的，这是SAR系统与其他雷达系统的本质区别。SAR系统利用雷达天线随着平台运动而形成虚拟的天线阵列，在平台运动过程中雷达依次采集、存储回波信号。在信号处理时对雷达和目标之间距离变化量引入的相位进行补偿，并将同一目标的多个回波信号相参叠加，从而实现方位向的高分辨率。方位向合成孔径意图如图1.2所不。
在雷达天线波束照射目标期间平台移动的距离为Lsyn，天线的方位向尺寸为认。其中合成孔径长度由实际天线的方位向波束宽度0a以及雷达与目标之间的距离丑决定，即
（1.3）
考虑信号的发射和接收双程传播，任意两次釆集时天线到目标的相位差是单程传播引入相位差的2倍，所以合成孔径虚拟天线阵列的等效波束宽度变为
（1.4）
因此，通过合成孔径信号处理之后，SAR的方位分辨率提升为
（1.5）
从上面的分析可以发现，合成孔径处理得到的方位分辨率与平台和目标之间的距离无关，只取决于天线的方位向尺寸。
1.1.2 SAR的发展
1951年6月，美国Goodyear宇航公司的Carl Wiley首先提出通过频率分析方法改善雷达的角分辨率。与此同时，美国伊利诺伊大学控制系统实验室独立地用非相参雷达进行实验，验证了频率分析方法能改善雷达的角分辨率。自此，在各国政府的高度重视与支持下，SAR技术得到了飞速发展。1978年6月27日，美国国家航空航天局（NASA）发射装载SAR载荷的Seasat-A海洋卫星，标志着星载SAR由实验室研究向应用研究的关键转变，开创了星载合成孔径雷达的历史。该系统在整个飞行期间获取了地表一亿平方千米的高质量图像数据，证明了合成孔径雷达从航天高度获取高分辨率图像的能力，开启了SAR技术研究和应用的新纪元。经过60多年的发展，SAR技术已经成为自然资源普查、自然灾害监测的重要技术手段。
1.星载SAR
星载SAR技术方面，自1978年美国成功发射第一颗SAR卫星Seasat-1以来，星载SAR受到世界上许多国家的重视。苏联于1991年发射了Almaz-1SAR卫星，欧洲空间局于1991年发射了ERS-1SAR卫星，日本于1992年发射了其第一颗SAR卫星JERS-1，加拿大于1995年发射了Radarsat-1SAR卫星，这些卫星在国民经济领域都发挥了重要作用。进入21世纪以来，星载SAR技术的发展速度不断加快，意大利、以色列、中国、印度、俄罗斯、韩国、阿根廷也已经先后发射了自己的SAR卫星，SAR技术的应用不断拓展。
目前，世界上较为先进的在轨星载SAR系统多釆用多极化、多模式、相控阵的技术路线，典型系统如德国的TerraSAR-X系列卫星、加拿大的Radarsat系列卫星、欧洲空间局的“哨兵”（Sentinel）系列卫星、以色列的TecSAR卫星和中国的高分三号（GF-3）卫星等。图1.4给出了髙分三号卫星获取的一幅SAR图像（厦门）。
目前已经发射的星载SAR雷达主要工作在L、C、X波段，其中对分辨率要求相对较低的星载雷达通常采用L、C等低频段，而高分辨率星载SAR常采用X频段。随着对高精度信息获取需求的不断提升，星载SAR技术开始向更高的毫米波频段发展，美国国家航空航天局、德国航空太空中心（DLR）等研究机构先后开展了星载毫米波SAR系统的论证工作。可以预见，随着相关技术水平的不断发展，在不远的将来，星载毫米波SAR也会进入实际应用阶段。
表1.1统计给出了至今己经发射的部分典型星载SAR系统的概况。
2.机载SAR
机载SAR技术方面，1972年，美国喷气推进实验室（JPL）就进行了L波段星载SAR的机载校飞。到今天，世界上先进的机载SAR一方面向多频段、多通道、多极化、多模式、超高分辨率、三维观测能力的高性能复杂系统发展，典型系统如法国航空航天研究中心（ONERA）的RAMAES系统、美国全球鹰LynxSAR系统和德国FGAN-FHR的PAMIR系统；另一方面向兼顾高分辨率、动目标检测、实时成像的小型化无人机SAR系统发展，典型系统如美国ImSAR公司研发的NanoSAR系统。
1）法国RAMAES系统
法国航空航天研究中心研制的多频段、多通道RAMAES系统，其在X频段和Ku频段的分辨率达到了0.1m，它通过发射五个300MHz的线性调频信号子脉冲串，完成距离大带宽的合成，通过天线轨迹的精确获取来获得方位0.1m的分辨率。
2）LynxSAR系统
Lynx工作于Ku波段，可工作于15.2～18.3GHz的约3GHz频带内，其工作模式可由地面控制站通过链路进行选择，其聚束模式的分辨率达0.1m，条带模式达0.3m，作用距离为30km。釆用实时运动补偿技术，即使无人机在转弯或做其他机动飞行时也能形成高质量图像。
3）德国PAMIR系统
PAMIR系统是一个宽带相控阵SAR/GMTI（地面运动目标指标）系统，系统中心频率为9.45GHz，带宽为1820MHz，PAMIR系统具有5个接收通道，能够支持SAR体制下先进的阵列信号处理技术，比如能够支持利用空时自适应处理（STAP）技术进行GMTI杂波抑制，能够支持ECCM（电子对抗）和干涉合成孔径雷达（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）髙分辨率3D成像。该系统釆用了先进的相控阵天线技术和多载频的发射波形及收发方案。PAMIR系统获得的SAR图像如图1.5所示。
图1.5 PAMIR系统获得的SAR图像
4）美国NanoSAR系统
NanoSAR系统由微型合成孔径雷达开发商ImSAR公司研发，第一代系统为NanoSAR-A，第二代系统为NanoSAR-B。NanoSAR系统的载机包括“扫描鹰”和E-BUSTER（BLACKLIGHT）小型无人机。
NanoSAR-A是世界上最小的合成孔径雷达，载荷质量为0.9kg，包括导航系统、天线、电缆、实时成像处理器和接收端。
