合成孔径雷达概述

合成孔径雷达概述

蔡

Beautyhappy521@163.com

二OO八年三月二十三

合成孔径雷达概述

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合成孔径雷达简介..................................................................................................... 3 1.1 合成孔径雷达的概念 ................................................................................... 3 1.2 合成孔径雷达的分类 ................................................................................... 4 1.3 2

2.1

合成孔径雷达(SAR)的特点 .......................................................................... 5 国外合成孔径雷达的发展历程及现状........................................................... 6

2.1.1 合成孔径雷达发展历程表 ..................................................................... 7 2.1.2 世界各国的SAR系统......................................................................... 10

我国的发展概况 ........................................................................................ 12 2.2.1 2.2.2

我国SAR研究历程表......................................................................... 12 国内各单位的研究现状....................................................................... 13

合成孔径雷达的发展历史 .......................................................................................... 6

2.2

2.2.2.1 电子科技大学.............................................................................. 13 2.2.2.2 中科院电子所.............................................................................. 13 2.2.2.3 国防科技大学.............................................................................. 14 2.2.2.4 西安电子科技大学....................................................................... 14

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合成孔径雷达的应用 ............................................................................................... 14 合成孔径雷达的发展趋势 ........................................................................................ 15 4.1 多参数SAR系统....................................................................................... 16 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

聚束SAR .................................................................................................. 16 极化干涉SAR（POLINSAR） ................................................................... 17 合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar） .......................................... 17 小型化成为星载合成孔径雷达发展的主要趋势........................................... 18 性能技术指标不断提高.............................................................................. 18 多功能、多模式是未来星载SAR的主要特征............................................. 19 雷达与可见光卫星的多星组网是主要的使用模式 ....................................... 19

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4.9 分布SAR成为一种很有发展潜力的星载合成孔径雷达............................... 19 4.10 星载合成孔径雷达的干扰与反干扰成为电子战的重要内容 ......................... 20 4.11 军用和民用卫星的界线越来越不明显......................................................... 20 与SAR相关技术的研究动态 ................................................................................... 21 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11

国内外SAR图像相干斑抑制的研究现状.................................................... 21 合成孔径雷达干扰技术的现状和发展......................................................... 21 SAR图像目标检测与识别 ......................................................................... 23 恒虚警技术的研究现状与发展动向 ............................................................ 26 SAR图像变化检测方法 ............................................................................. 28 干涉合成孔径雷达..................................................................................... 32 机载合成孔径雷达技术发展动态................................................................ 34 SAR图像地理编码技术的发展状况 ........................................................... 36 星载SAR天线方向图在轨测试的发展状况 ................................................ 38 逆合成孔径雷达的发展动态....................................................................... 39 干涉合成孔径雷达的发展简史与应用......................................................... 39

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合成孔径雷达概述

1 合成孔径雷达简介

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。它是二十世纪高新科技的产物，是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法，以真实的小孔径天线获得距离向和方位向双向高分辨率遥感成像的雷达系统，在成像雷达中占有绝对重要的地位。近年来由于超大规模数字集成电路的发展、高速数字芯片的出现以及先进的数字信号处理算法的发展，使SAR具备全天候、全天时工作和实时处理信号的能力。它在不同频段、不同极化下可得到目标的高分辨率雷达图像，为人们提供非常有用的目标信息，已经被广泛应用于军事、经济和科技等众多领域，有着广泛的应用前景和发展潜力。国内外越来越多的科技研究者已投身于这一领域的研究。

在早期研究雷达成像系统时采用的是真实孔径雷达系统(Real Aperture Radar)。真实孔径雷达成像系统及处理设备相对较为简单，但它存在一个难以解决的问题，就是其方位分辨率要受到天线尺寸的限制。所以要想用真实孔径雷达系统获得较高的分辨率，就需要较长的天线。但是所采用天线的长短往往又受制于雷达系统被载平台大小的限制，不可能为了提高分辨率无休止地增加天线长度。幸运地是，随着雷达成像理论，天线设计理论、信号处理、计算机软件和硬件体系的不断完善和发展，合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar)的概念被提出来。合成孔径雷达系统的成像原理简单来说就是利用目标与雷达的相对运动，通过单阵元来完成空间采样，以单阵元在不同相对空间位置上所接收到的回波时间采样序列去取代由阵列天线所获取的波前空间采样集合。只要目标被发射能量波瓣照射到或位于波束宽度之内，此目标就会被采样并被成像。利用目标－雷达相对运动形成的轨迹来构成一个合成孔径以取代庞大的阵列实孔径，从而保持优异的角分辨率。从潜在的意义上来说，其方位分辨率与波长和斜距无关，是雷达成像技术的一个飞跃，因而具有巨大的吸引力，特别是对于军事和地理遥感的应用更是如此。因此，合成孔径雷达(SAR)已经成为雷达成像技术的主流方向。

1.1 合成孔径雷达的概念

合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含着两方面的含义：即高的方位向分辨率和足够高的距离向分辨率。它采用多普勒频移理论和雷达相干理论为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率；而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术来实现。它的具体含义我们可以通过以下四个方面来理解：

（1）从合成孔径的角度。它利用载机平台带动天线运动，在不同位置上以脉冲重复频率（PRF）发射和接收信号，并把一系列回波信号存储记录下来，然后作相干处理，就如同在所经过的一系列位置上，都有一个天线单元在同时发射和接收信号一样，这样就在平台所经过的路程上形成一个大尺寸的阵列天线，从

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而获得很窄的波束。如果脉冲重复频率达到一定程度（足够高），以致相邻的天线单元间首尾相接，则可看作形成了连续孔径天线。诚然这个大孔径天线要靠信号处理的方法合成。这种解释方法给出了合成孔径的字面解释。

（2）从多普勒频率分辨的角度。如果我们考察点目标在相参脉冲串中的相位历程，求出其多普勒频移，对于在同一波束、同一距离波门内但不同方位的点目标，由于其相对于雷达的径向速度不同而具有不同的多普勒频率，因此可以用频谱分析的方法将它们区分开。这种理解又被称为多普勒波束锐化。

（3）从脉冲压缩的角度。对于机载正侧视测绘的雷达，地面上的点目标在波束扫描过的时间里，与雷达相对距离变化近似地符合二次多项式。点目标对应的横向回波为线性调频信号，该线性调频信号的调频斜率由发射信号的波长、目标与雷达的距离及载机的速度决定。对此线性调频信号进行匹配滤波，及脉冲压缩处理，就可以获得比真实天线波束窄得多的方位分辨率。因此在SAR信号处理中，经常有纵向压缩、横向压缩的说法。

（4）从光学全息照相的角度。如果将线性调频信号作为合成孔径雷达的发射信号，则一个点目标的回波在记录胶片上将呈现Fresnel衍射图，这点和点目标的光学全息图很相似。因此可以用光学全息成像的步骤，来得到原目标的图像。这种与全息照相的相似性，启发了早期的研究者采用光学处理器来实现合成孔径雷达信号处理。

以上几种说明虽然从不同的角度出发来说明合成孔径的概念，但都揭示了合成孔径雷达的本质特征，从而为深入理解合成孔径雷达的概念指明了方向。

1.2 合成孔径雷达的分类

一般情况下合成孔径雷达根据雷达载体的不同，可分为星载SAR，机载SAR和无人机载SAR等类型。。根据SAR视角不同，可以分为正侧视、斜视和前视等模式。根据SAR工作的不同方式，又可以分为条带式(Stripmap SAR)，聚束式(Spotlight SAR)，扫描式(Scan SAR)等(如图1.1所示)。它们在技术上各具特点，应用上相辅相成。

目前世界上能够使用的星载和机载SAR系统共有28个。其中处于使用状态的星载SAR系统共有5个。而处于使用状态的机载SAR系统有23个。多数系统具有多种极化方式。最大分辨力30×30cm。最大传输数据率100M字节/秒。

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1.3 合成孔径雷达(SAR)的特点

（1）二维高分辨力。

（2）分辨力与波长，载体的飞行高度，雷达的作用距离无关。

（3）强透射性：不受气候、昼夜等因素影响，具有全天候成像优点；如果选择合适的雷达波长，还能够透过一定的遮蔽物。

（4）包括多种散射信息：不同的目标，往往具有不同的介电常数、表面粗糙度等物理和化学特性，它们对微波的不同频率、透射角、及极化方式将呈现不同的散射特性和不同的穿透力，这一性质为目标分类及识别提供了极为有效的新途径。

（5）多功能多用途：例如采用并行轨道或者一定基线长度的双天线，可以获得包括地面高度信息在内的三维高分辨图像。

（6）多极化，多波段，多工作模式。

（7）实现合成孔径原理，需要复杂的信号处理过程和设备。

（8）与一般相干成像类似，SAR图像具有相干斑效应，影响图像质量，需要用多视平滑技术减轻其有害影响。

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2 合成孔径雷达的发展历史

2.1 国外合成孔径雷达的发展历程及现状

雷达诞生于二战中，从雷达诞生起，就与国防密切不可分，战场上希望在雷达屏幕上能看到目标的真实图像，而不仅是一个亮点。五十多年来人们一直在寻找提高分辨率的方法，由于信息论在雷达信号处理领域中的应用和高速数字处理器件的出现。以及现代信号处理的不断发展，导致了高分辨成像雷达的诞生与发展。这使得人们能够在雷达屏幕上看到了目标的图像。成像雷达的出现使雷达具有了对运动目标、地面目标进行成像和识别的能力，并在微波遥感应用方面表现出越来越大的潜力。它对国防现代化建设具有十分重要的意义。成像雷达技术越来越受到重视，发展迅速。现在不仅有各种实孔径成像雷达，而且有各种机载的、星载的和航天飞机载的用于不同目的合成孔径雷达，并且还出现了逆合成孔径雷达和干涉成像雷达。合成孔径雷达是一有源系统，主动向目标发射电磁波，利用接收到的目标回波的信号经处理后成像。因此合成孔径雷达具有全天时全天候工作能力。

合成孔径雷达的思想首先是在1951年6月由美国Goodyear航空公司的Carl Wiley在“用相干移动雷达信号频率分析来获得高的角分辨率”的报告中提出的。报告中提出了将多普勒频率分析应用于相干移动雷达，通过频率分析可以改善雷达的角分辨率，即“多普勒波束锐化”的思想；同时，证明了移动雷达的角分辨率因回波信号中多普勒频率的结构有可能提高，回波信号的瞬时多普勒频移与被测目标沿航迹方向的位置之间存在着一一对应的关系，回波信号的多普勒带宽与波束带宽有关，最窄的角波束发生在垂直于雷达平台速度矢量的侧方。

同年，美国Illinois大学控制系统实验室的一个研究小组在C.W. Sherwin的领导下开始对SAR的研究，当时采用的是非相干雷达，发射波束宽度为4.13 度，经过孔径综合后波束宽度变为0.4度。他们证实了“多普勒波束锐化”的概念，从而在理论上证明了SAR原理，而且于1953年7月成功地研制了第一部X波段相干雷达系统，首次获得了第一批非聚焦SAR图像数据，为以后的聚焦型SAR的研究奠定了基础。

1953年夏，在美国Michigan大学举办的研讨会上，许多学者提出了利用载机运动可将雷达的真实天线合成为大尺寸的线性天线阵列的概念，即没有必要象真实天线那样在各个位置连续发射和接收，可先在第一阵元位置发收，再在第二阵元位置发收，依次操作并将接收到的回波信号全部储存起来，等最后一个阵元位置发收完毕后将所储存的全部回波信号进行叠加，其效果类似于长线阵天线连续发射和接收(其实，只需用一小天线沿此长线阵轨迹方向前进并发射和接收相干回波信号，对所记录下的接收信号进行适当处理，即可获得一条合成孔径天线的方位向高分辨率)，进而推导出SAR的聚焦和非聚焦工作模式；并在1957年8月成功研制出第一个聚焦式光学处理机载合成孔径雷达系统，获得了第一幅全聚焦SAR图像，从此SAR技术进入实用性阶段。

六十年代中期，借助于模拟电子处理器的非实时成像处理，SAR光学处理技术得到进一步完善，同时开展了多频多极化SAR应用技术的研究；六十年代末，Michigan环境研究院成功地研制出第一个民用双频双极化机载SAR系统，

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主要用于北极海洋成像，同时，使用数字电子处理器进行非实时成像处理。 七十年代，随着电子技术，尤其是VLSI C Very Large Scale IC，超大规模集成电路)技术的飞速发展，SAR的数字成像处理成为必然趋势。七十年代初期，首先使用了高速数字信号处理器进行实时成像处理；七十年代后期，己开始将合成孔径雷达安装在卫星上对地球进行大面积成像。1978年，美国成功地发射了SEASAT-A卫星，采用L波段、水平极化方式。从此开创了星载合成孔径雷达应用技术研究的历史。

八十年代，美国又成功地研制了一系列多频、多极化、多入射角机载SAR。其它一些国家也先后开展了机载SAR技术的研究。美国于1981年11月和1984年10月分别发射了“航天飞机成像雷达”之一SIR-A和之二SIR-B，1994年发射了SIR-C/X-SAR；前苏联也于1991年3月发射了Almaz-1星载SAR；欧空局于1991年7月发射了ERS-1；日本于1992年2月发射了JERS-1；1995年初，加拿大发射了星载合成孔径雷达Radarsat。

目前，国外的机载SAR主要有：美国的AN/APD-10, ERIMX/SIR, ERIM/CCRS，德国的E-SAR；丹麦SAR系列等。已发射的星载SAR主要有：美国的SEASAT-A, SIR-A, SIR-B, SIR-C及“曲棍球”雷达成像卫星；欧洲空间局的ERS-1，日本JERS-1，加拿大的RADARSAT等。即将发射的EOS SAR，作为研究全球变化的多平台EOS ( Earth Observation Satellites)的一个重要组成部分，具有以下优点：三个波段(L, C, X)，多极化(于L波段，四种极化方式；于c, x波段，两种极化方式)，可变分辨率，可变测绘带宽(30－500km )，可变入射角(150-500)，长工作寿命(15年)等，EOS SAR代表着未来星载合成孔径雷达的发展方向。

2.1.1 合成孔径雷达发展历程表

1951年6月美国古德依尔宇航公司的威利首先提出最初的频率分析的方法改善雷达的角分辨力，他将其称为多谱勒波束锐化。与此同时，伊里诺斯大学控制系统实验室的一个研究小组采用相干机载侧视面雷达数据，研究运动目标检测技术。

1952年，C. W. Shervin第一次提出了采用相位校正的全聚焦阵列概念，另外他还提出了运动补偿概念。正是这些新思想最终导致了X－波段相干雷达的研制。

1953年获得第一幅SAR图像。

1957年美国密歇根大学雷达和光学实验室研制的SAR系统获得第一张全聚焦的SAR图像。

1958年，美国密执安大学(University of Michigan)的雷达和光学实验室在L. J. Cutrona的领导下，用他们研制的雷达进行飞行试验，用光学相关器件将相干雷达视频信号变成了高分辨的图像。

在1967年Greenberg首先提出在卫星上安装SAR的设想。由于卫星飞行高度高测绘带宽，可以大面积成像等优点，科学家开始着手进行航天飞机、卫星等作为载体的空载SAR的研究，并取得了巨大进展。

直到60年代末、70年代初，美国宇航局NASA主持了一些民用SAR系统的研制，主要研究单位是密西根环境研究所(Environmental Research Institute of

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Michigan, ERIM)和喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)。

20世纪70年代美国密歇根环境研究所（ERMI）和国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）研制出1.25GHz和9GHz多极化合成孔径雷达。

1972年JPL进行了L波段星载SAR的机载校飞。

1975年，NASA将SAR作为Seasat任务的一部分。由于SAR在Seasat任务中的突出表现，使得星载SAR得到高度重视，成为合成孔径雷达的一个重要发展方向。

1978年5月美国宇航局(NASA)成功地发射了全球第一颗装载了空间合成孔径雷达的人造地球卫星(Seasat-a) ，对地球表面1亿平方公里的面积进行了测绘。 Seasat卫星的高度约800公里，工作波段为L波段，测绘带宽为100公里。Seasat卫星具有很大的全球覆盖率，转发了不同地形特征的SAR数据，获得了大量过去未曾有过的信息，引起了科学家们的极大重视。标志着星载SAR己成功进入了太空时代。

1981年11月12日美国“哥伦比亚”号航天飞机搭载SIR-A顺利升空。雷达影像上成功观测到撒哈拉沙漠的地下古河道，显示了SAR具有穿透地表的能力，引起国际科技界的震动。

1984年10月5日美国进行了“挑战者”号航天飞机搭载SIR-B的实验。 SIR-A和SIR-B都源于SEASAT-A，都工作于L波段。其中SIR-A于1981年11月发射，轨道高度为252公里，分辨率为37米，而SIR-B于1984年7月发射，轨道高度为250-326公里，倾角为570，测绘带宽为50公里，分辨率为35米。与SIR-A的主要不同点在于SIR-B的波束俯视角可变，而且SIR-B可采用光学和数字两种方式记录和处理图像，比SEASAT的非实时数字处理的成像速度要快。

1987年7月原苏联发射的“COSMOS-1870”卫星上配备了一部分辨率为25米的S波段ALMAZ- ISAR系统。该雷达的特点是天线双侧视，运行时间长达2年，是第一部长期运行的空间合成孔径雷达。主要对人类无法进入的地区进行雷达成像测绘，监测海洋表面污染，鉴别海冰和对厚冰区的舰船进行导航等。

美国NASAIJPL实验室于1988年研制的AIR SAR，功能齐全，有P, L, C三个波段。具有全极化能力，能同时产生12个数据通道的分辨率为10×10米的SAR图像。

1988年12月2日，美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号将“长曲棍球（Lacrosse）”军事侦察卫星送入预定轨道，这是世界上第一颗高分辨率雷达成像卫星。它可以全天候、全天时监视前苏联装甲部队的活动，分辨率以达到1米左右。

1989年NASA开展了一项星球雷达任务——Magellan雷达观测金星计划，将SAR拓展到研究其他星球的重要工具之一。

德国宇航局于80年代中期开发机载合成孔径雷达，并于1988年和1989年先后研制成功线性极化C波段和X波段SAR系统，1990年又扩展到L波段。该雷达系统具有全极化方式，分辨率为2.4×4米，测绘带宽为4公里，投射角为200—270。

丹麦于1989年研制成功C波段机载合成孔径雷达，该系统具有灵活的性能指标，其分辨率、测绘带宽、和成像几何布局均可调节。测绘带宽分别为12、

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24、48公里，距离向和方位分辨率分别为2、4、8米，最大作用距离为80公里，该系统的性能指标接近于美国的J-STARS。

从九十年代起，对能够提供三维信息的干涉式SAR的研究引起了世界各国的格外关注，成为SAR技术发展的新热点。

1990年8月美国又成功地发射了“麦哲伦号”太空飞船，装备有SAR系统以用于对金星表面进行成像研究；同时在机载SAR方面，美国仍处于领先地位。在美国发展SAR技术的同时，前苏联、欧空局及日本也相继发射了星载SAR卫星，其中ERS-1和ERS-2就是欧空局成员国共同研制的，具有全系统校准能力，提高了图像质量。

1991年3月8日，NASA发射长曲棍球-2。

1991年3月31日COSMOS-1870的改进型ALMAZ-1由前苏联发射上天，搭载S波段SAR。

1991年7月1日，欧空局发射了ERS-1空间合成孔径雷达，运行3年，该雷达系统采用准极地轨道，平均高度为785公里。测绘带宽为100公里，分辨率为30米，工作于C波段，垂直极化方式，该系统的最大特点在于实现了平台姿态的动态控制。根据ERS-1的特性，可获得大量的星载SAR三维成像试验的数据，许多科学家利用ERS-1的数据进行三维SAR成像研究，得到了较为满意的结果。它可提供全球气候变化情况，并对近海水域和陆地进行观测。

1991年3月前苏联发射了ALMAZ- II合成孔径雷达，其轨道高度为300公里，投射角可变，范围为300—600 。双侧视，每侧的测绘带宽为350公里，分辨率为15—30米，工作于S波段，水平极化方式。

1992年2月，日本发射了JERS-A空间合成孔径雷达，L波段，运行2年，轨道高度为568公里，投射角为38.50。测绘带宽为75公里，分辨率为18×24米，工作于L波段，水平极化。

1993年9月，美国宇航局航天飞机成像雷达SIR-C/X-SAR发射成功，该雷达是全世界第一部多波段(L,C, X波段)、多极化、多投射角空间合成孔径雷达。轨道高度为250--325公里，投射角在170—630范围内可变，测绘带可在15 — 90公里范围内可变，分辨率为25米。其中SIR-C工作于L, C波段，有4种极化方式，X-SAR工作于X波段，只有一种(VV)极化方式。采用多波段工作可以研究地物对不同频率的响应，以此来区分和鉴别地物目标。

1994年NASA、DLR（德国空间局）和ASI（意大利空间局）共同进行了航天飞机成像雷达飞行任务SIR-C/X-SAR，分别在1994年4月9日到20日和9月30日到10月11日进行了两次飞行。SIR-C由NASA负责完成，是一部双频（L波段、C波段）全极化雷达。X-SAR由DLR和ASI共同建造，为单频X波段，单极化VV雷达。SIR-C/X-SAR首次实现了利用多频、多极化雷达信号从空中对地球进行观测，SIR-C图像数据有助于人们深入理解现象背后的物理机理，深入开展植被、土壤湿度、海洋动力学、火山活动、土壤侵蚀和沙化等多项科学研究工作。

1995年4月21日年ERS-2发射升空。

1995年11月4日加拿大成功发射了其第一颗资源调查卫星RADARSAT-1，轨道高度800公里，投射角为100—600。测绘带宽为45—500公里，分辨率为

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10—100米，工作于C波段，水平极化方式。该星为商业应用和科学研究提供全球冰情、海洋和地球资源数据。

1996年NASA开展了第二项星球雷达任务——观测土星的Cassini任务，用于开展观测Titan表面的物理状态、地形和组成成分等多项任务，进而推测其内部构造。

1997年10月24日，NASA发射长曲棍球-3。

2000年2月11日NASA和NIMA（美国国家测绘局）联合进行了为期11天的航天飞机地形测绘任务（SRTM）。采用60米长的可展开天线杆进行干涉测量。

2000年8月17日，NASA发射长曲棍球-4。

2002年3月1日，ESA发射Envisat卫星，搭载ASAR。 2005年4月30日，NASA发射长曲棍球-5。

2006年1月24日，日本发射ALOS，搭载PALSAR。

目前，一些发达国家正在筹划和研制新的可长期进行观测的各种技术先进的空间雷达卫星。如欧洲空间局预计发射的ASAR是到目前为止正在研制的最先进的星载SAR；美国下一个计划是发射SIR-D，预计2005年将研制成功，投入实用，它将是多频段(可能有4个)、多极化的星载成像雷达。目前合成孔径雷达分辨率己经达到0.lm 数量级。纵观国外空间SAR的发展过程，可以看出随着科学技术的不断进步，SAR的水平和功能也在不断提高。可以相信，科学家们将不断地挖掘SAR的技术潜力，为人类的需要服务。

2.1.2 世界各国的SAR系统

详情请参照研学论坛中“世界星载SAR发展综述.rar”。

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2.2 我国的发展概况

目前，SAR发展水平的高低己经成为衡量一个国家军事力量与综合国力水平的标志之一，其发展受到各国越来越多的重视。根据我国的迫切需要和国际上SAR技术发展趋势，我国还安排了高分辨率机载SAR系统、部署了SAR定标技术、SAR干涉技术等一系列前沿课题和相关的应用研究。

70年代中期，中国科学院电子学研究所率先开展了SAR技术的研究。1979年取得突破，研制成功了机载SAR原理样机，获得我国第一批雷达图像。目前机载SAR系统已成为我国民用遥感的有效工具，近年来多次在我国洪涝监测中发挥了重要作用。自80年代末，国家863计划部署了发展SAR及相关技术的一系列课题，其中中国雷达卫星一号列为863计划重大项目，由中科院电子所、电子科技大学、航天总公司五院和北京航空航天大学联合攻关，将于最近发射升空。中国科学院空间科学与应用研究中心开展了微波遥感系统与机理、空间微波遥感技术与遥感器、遥感信息的传输和相关应用技术研究。先后建立了陆基、机载及星载主动、被动微波遥感器。主要包括:雷达高度计、微波散射计和辐射计。并己应用于地质、农业、海洋等领域研究中。另外，电子科技集团公司第14所，38所以及航天607所等单位在开展机载，星载SAR的成像以及信号处理方面的研究。

2.2.1 我国SAR研究历程表

1976年开始了SAR的研究工作；

1979年电子所成功地研制出机载SAR模样机，并获得我国第一幅合成孔径雷达图像，图象的距离分辨率为180米，方位分辨率为30米，采用光学记录、光学成像；

1980年12月，第二台改进SAR系统进行了实验，发射峰值功率提高到10KW，采用了脉冲压缩技术，并增加了天线稳定伺服平台和运动补偿电路，分辨率提高到15×15米；

1983年成功研制出单通道、单极化(HH)和单侧视机载SAR系统，采用声表面波器件进行距离向脉冲展宽与压缩，并增加了地速补偿与惯导系统。首次实现连续大面积成象；

1986年进而实现了机载SAR回波信号的非实时数字成像处理； 1987年，我国“863”计划正式提出了星载SAR的研究任务，这标志着我国在空间成像领域迈出了具有重大意义的一步。

1987年电子所研制成功多条带、多极化机载合成孔径雷达系统，雷达工作在X波段，可以从HH、VV、HV、VH四种极化形式中任选一种工作，具有双侧视功能，图象分辨率为10米×10米，采用光学记录、光学成像。

1990年成功研制出“机载SAR实时数据传输系统”；

1994年成功研制出X波段、多极化、多通道、数字成像处理分辨率为10米的机载SAR系统及其“机载SAR实时数字成像处理器”系统，系统吞吐量在载机最大飞行速度时达到1帧/3min，每帧图像35km×35km。并获得我国第一批机载SAR实时数字成像处理图像；

2000年成功研制出2.5米分辨率机载SAR及其实时数字成像处理器系统，它标志着我国机载SAR及其数字成像处理技术应用研究己达到目前国际同类产

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品的先进水平。

在机载SAR方面，我国于1979年9月获得了第一张机载SAR图像，该雷达系统工作在X波段，飞行高度为6000—7000米，测绘带宽为9公里，最大作用距离为24公里，分辨率为180×30米，没有采用脉冲压缩技术。 在星载SAR方面，1987年我国“863”计划正式提出了星载SAR的研究任务，这标志着我国在空间成像领域迈出了重要一步。中科院电子所自1988年就开始了相关的总体设计和论证工作；1990年完成了单极化星载SAR系统可行性论证；1993年完成了“星载SAR工程样机方案”，1995年通过了样机设计评审；1997年完成了工程样机的研制，5×5米分辨率，数字记录，数字成像。经过多年的努力，电子科技大学雷达成像实验室在SAR成像算法，SAR平台运动补偿，SAR运动目标监测和SAR成像并行算法研究等方面取得了很大发展。

干涉合成孔径雷达(INSAR:Interferometric SAR)技术，也就是三维SAR成像处理技术则是国际上近年兴起的一种高新技术，是SAR领域的研究热点之一。

目前，正在开展双频、多极化机载SAR和星载SAR的研制工作。 下图为我国自行研制的SAR系统拍摄的图像。

2.2.2 国内各单位的研究现状

2.2.2.1 电子科技大学

电子科技大学雷达成像研究室近几年一直在进行星载InSAR三维成像的研

究，并承担了国防科工委的“9609”工程项目中的“三维SAR成像处理技术研究”。

电子科技大学与电子部第38研究所在“八五”期间共同承担了重点军事预研项目“机载远程战场侦察雷达关键技术”的课题，电子科技大学主要负责信号处理的任务，并于1995年研制成功全数字机载SAR实时信号处理机。该研究成果于1995年11月参加了“八五科技成果展”，并于1996年3月通过了电子工业部主持的鉴定。

2.2.2.2 中科院电子所

70年代后期，中国科学院电子研究所开展了机载SAR的研究工作，在1983

年得到了光学处理的地形图像，并在后来的工作中对机载SAR系统和信号处理作了进一步改进和改善。另外，航天工业总公司607所、电子科技集团公司第14所、电子科技集团公司第38所研制的机载SAR也获得了初步成功。

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近年来中国科学院电子研究所和航天工业总公司分别组织力量正在从事星载SAR系统的研究和研制；国内的一些高校和研究所也一直在开展星载SAR的信号处理方面的研究，并取得了一批研究成果。

自80年代末，国家863计划部署了发展SAR及相关技术的一系列课题，其中“星载SAR模样机研制”列为863计划重大项目，安排中科院电子所为总体单位，航天总公司五院504所、501所和电子部14所参加，承担大型有源天线研制工作。1998年夏顺利通过了验收，在经过星载SAR关键技术攻关后，最近中国雷达卫星一号已批准列入型号任务。自“八五”“九五”以来，根据国家的迫切需要和国际上SAR技术发展趋势，我国还安排了雷达及其SAR成像处理技术相配套的工程任务，其中包括机载高分辨雷达系统，部署了SAR定标技术、SAR干涉技术等一系列前沿课题和相关的应用研究。

2.2.2.3 国防科技大学

国防科学技术大学电子科学与工程学院承担了“十五”国防预研项目“无人机

载超宽带合成孔径雷达技术”，以穿透叶簇对隐蔽目标高分辨成像探测为应用背景。本课题来源于该项目中的子项目“SAR信息处理技术研究”，其内容涉及在所构建的信息处理平台上进行运动补偿、射频千扰抑制、成像、目标检测、图像校准等处理，同时具备为开展广泛的信息处理算法研究提供有效的计算环境。经过课题组不懈努力，现已构筑了性能优良的超宽带SAR信息处理系统，并己实用于机载超宽带SAR飞行试验中，信息处理效果良好。

2.2.2.4 西安电子科技大学

西安电子科技大学电子对抗研究所一直从事SAR与ISAR的信号处理研究，

实现并改进了各种数字成像算法。

3 合成孔径雷达的应用

SAR自五十年代问世以来，首先在军事侦察方面获得了广泛应用和发展。如在1991年海湾战争中，美国联合监视和目标攻击雷达系统(Joint-Stars)中的高分辨率机载SAR与“长曲棍球”(Lacrosse)星载SAR系统相配合，完全覆盖了海湾和地中海地区，有效地保障了战前的准备和战争爆发后战场情报的需要，在战争中始终处于主动地位。

星载合成孔径雷达是集航天技术、电子技术、信息技术等为一体的高科技装备，在现代战争中有极大的应用价值。星载合成孔径雷达特别是军用星载合成孔径雷达系统，具有很高的空间分辨率(1-3米，或更高)、很宽的可观测带宽(1000千米以上)和即时测绘带宽(50-100千米)等突出优点；它不会受到云雾和日照的限制。多颗合成孔径雷达卫星和光学卫星组网构成的图象情报获取系统，既可以对国军事目标进行长期的、大范围战略侦察和军事测绘，又可以根据未来战争的发展，对局部战场进行高分辨率、高重复性的战术侦察和打击效果评估等。例如在

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海湾战争中美国利用其“长曲棍球”雷达卫星，不仅能够侦察到伊军的装甲部队，而且可以侦察到隐蔽在树林中的机动导弹部队，并多次发现伊军隐藏在干沙地表下的重要军事设施。又例如在美国国家航天局、国家图象地图局、国防部，以及德国和意大利航天局共同支持下，2000年2月美国“奋进号”航天飞机上搭载的SIR-C/X合成孔径雷达利用相距60米的两部天线，精确地完成了全部地球表面的三维地形测绘。

合成孔径雷达在军事领域的主要应用：

① 战略应用—全天候全球战略侦察，全天候海洋军事动态监视，战略导弹终端要点防御的目标识别与拦截，战略导弹多弹头分导自动导引，轨道平台开口的识别与拦截，对战略地下军事设施的探测。

② 战术应用—全天候重点战区军事去态监视，大型坦克群的成像监视，反坦克雷场的探测。

③ 特种应用—强杂波背景下的目标识别，低空与超低空目标的探测与跟踪，精密测向与测高，隐形目标散射特性的静态和动态测量等。

在民用方面，由于SAR图像主要反映了目标物的两类特性，一是目标物的几何结构特性，即目标的表而粗糙度，几何结构，分布方向、方位；一是目标物的介电特性，与目标物的含水量有很大的相关性，因此，使合成孔径雷达在农业、林业、水文、地质、海洋、洪水检测、测绘、减灾防灾等很多方面都有广泛的应用。在地质和矿物质资源勘探方面。SAR用来普查地质结构，研究地质、岩石及矿物分布。在地形测绘和制图学方面，SAR可用来测绘大面积地形图，对常年被浓雾和云层覆盖的区域尤其有效。在海洋运用方面，它可用来研究大面积海浪特性、海洋冰分布、海洋污染，测绘海洋图，监视海藻生长等。在水资源方面，它可用来测定土壤湿度，估定降雨量，研究湖泊冰覆盖、地面雪覆盖等情况。在农业和林业，它可用于鉴别农作物，研究农作物生长状态，估计农业产量，研究自然植被分布、森林覆盖、森林生长状态，估计森林灾情等。在天文学方面，SAR已获取近70%的金星(Venus)表面图象，相信它将成为研究象金星和土卫六(Titan)这样常年被云层覆盖的星体的有效工具。总之，SAR在发展国民经济、科学研究和军事技术等方面起到了极为重要的作用。

4 合成孔径雷达的发展趋势

随着科学技术的发展，SAR技术正朝着能够为人们提供更广、更丰富的目标信息的方向发展。未来SAR技术发展的趋势主要有：高分辨率和超高分辨率成像；多波段，多极化，可变视角和多模式；能够产生目标三维图像的干涉SAR；动目标成像；实时SAR成像处理器。其中追求更高分辨率成像是SAR技术发展的核心。

2000年2月，美国奋进号航大飞机顺利地实现了全球范围内的高精度三维成像，在全世界引起了小小的震动。当前一些发达国家正在筹划和研制新的可长期进行观测的各种技术先进的空间雷达卫星。如欧洲空间局预计发射的ASAR是到目前为止正在研制的最先进的星载SAR；美国下一个计划是发射Sir一D，它将是多频段(可能有4个)、多极化的星载成像雷达。另外，美国目前正在进行“发现者二号”天基雷达的研究。

纵观国外空间SAR的发展过程，随着需求的扩增和科学技术的发展，合成

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孔径雷达技术主要向以下几个方向发展：

（1）未来的星载SAR将越来越多地使用多频段、多极化、可变视角和可变波束的有源相控阵天线，且向着柔性可展开的轻型薄膜天线方向发展；

（2）未来的星载SAR将进一步向着超高分辨率和多模式工作方向发展； （3）干涉式合成孔径雷达技术将获得进一步的发展； （4）动目标检测与动目标成像技术将取得新的突破；

（5）星载SAR的小型化技术和星座对地观测技术将受到更大的重视； （6）星载SAR的校准技术，特别是极化雷达、ScanSAR和InSAR校准技术将受到更大的重视和发展；

（7）实时信号处理和先进的成像技术； （8）小卫星SAR和无人机SAR等。 1996年3月，在德国的克尼希斯温特召开了第一次欧洲合成孔径雷达(USAR)会议。欧洲合成孔径雷达会议反映了合成孔径雷达技术当前发展的趋势，其中心问题是图象生成及评估。而现在，有朝着干涉测量合成孔径雷达方向发展的强劲趋势目前动目标检测和成象的兴趣正在迅速上升。美国已经投入巨额资金到新一代成像雷达的研制中，预计2005年将研制成功，投入实用。

4.1 多参数SAR系统

SAR不同的极化方式能使被探测的地物具有不同的电磁响应，即具有不同的后向散射特性，地物层次变化对比亦不相同。因此，采用多极化方式，可以显著改善信号和图像的详细性和可靠性，再加上在不同频段和不同的视角下对地观测，就可以完整地定量分析地面目标的雷达散射特性。正是如此，多参数SAR系统必将会越来越受到重视。

4.2 聚束SAR

聚束式工作模式，是指在SAR飞行过程中，通过调整天线波束的指向，使波束始终“聚焦”照射在同一目标区域。由于实行了“聚束”手段，增加了SAR在方位向的合成孔径时间，等效地增加了合成孔径的长度，根据SAR方位向的理论极限分辨率约为天线方位向尺寸的一半，由此可以提高SAR方位向的分辨率。显然，SAR以聚束模式工作时不能形成连续的地面观测带，但它获得的高方位分辨率在许多应用场合是非常有价值的。因此，聚束SAR技术应当得到重视。美国密执安环境研究所（ERIM）与空军共同开发的聚束SAR数据采集系统，可以在几百米到几千米区域范围，获得距离和方位分辨率均达到1 m的高分辨率图像。ERIM与海军联合开发的P-3A SAR系统，方位分辨率达0.66 m。美国Norden公司研制的APG-76（V）雷达以聚束照射模式工作时，方位分辨率可以达到0.3 m。SAR实现聚束模式工作，需要解决几项关键技术：天线波束控制、运动补偿和高分辨率成像处理算法等。

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4.3 极化干涉SAR（POLINSAR）

极化干涉SAR（Polarimetric SAR Interferometry）通过极化和干涉信息的有效组合，可以同时提取观测对象的空间三维结构特征信息和散射信息，为微波定量遥感、 高精度数字高程信息和观测对象细微形变信息的提取提供了可能性。POLINSAR系统研制、数据处理技术和应用研究己成为国外SAR技术研究的热点。

1997年德国DLR的E-SAR机载L/P波段重复轨道全极化系统、1998年NASA/JPL TOPSAR和AIRSAR机载C波段单轨道极化干涉系统分别都得到了几组相干的全极化数据。最近，日本的JPiSAR机载X/L波段全极化、X波段垂直轨迹单轨道干涉系统也收集到了相应的数据。

2000年2月的SRTM计划是1994年NASA JPL实验室的SIR-C/X-SAR任务的延续，首次在航天飞机上实现了L、C波段双天线单航迹的全极化干涉。这次任务还对部分地区进行了重复航迹的观测，获取了全球80％陆地覆盖的高精度全极化干涉数据。这些相同获得的大量全极化干涉数据，大大地推动了极化SAR干涉技术的研究。

经过几年的研究，POLINSAR数据处理算法、图像特征提取和地物分类算法正逐步被研究人员实现、测试并证实，并分别于2003年和2005年举行了全球范围的POLINSAR研讨会。POLINSAR可应用于地表植被高度估计、高精度DEM提取、地物分类和参数反演、区域变化检测以及探地等方面。

4.4 合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar）

激光雷达作为一种高灵敏度雷达，不仅能探测和跟踪目标、获得目标方位、速度信息及普通雷达不能得到的其他信息，而且还能完成普通雷达不能完成的任务，如探测隐身飞机、潜艇、生化战剂等，因此它被广泛应用于航空遥感、大气监测、卫星探测、军事侦察等方面。但激光雷达也有波束窄、不适于大面积搜索等缺点，因此研究新体制的激光雷达具有很重要的意义。

利用激光器作辐射源的SAL使用了合成孔径技术，而且由于工作频率远高于微波，对于相对运动速度相同的目标可产生更大的多普勒频移。因此不仅克服了普通激光雷达波束窄、搜索目标困难等缺点，而且能够提供比SAR更高的方位分辨率，适合大面积的地表成像。

Northrop Grumman公司在2006年8月成功设计并建造了全世界第一个SAL系统，并对它进行了演示。试验证明，该雷达可以提供高分辨率的、接近摄影质量的战术图像。

通过对飞机运动过程中连续采集到的数据进行数字信号处理，从而建造一个合成孔径的新技术战胜了传统光学成像系统分辨率的限制，尤其是入瞳孔径的衍射限制。合成孔径比激光雷达接收器的物理孔径更大，大大提高了图像的分辨率。

该系统是合成孔径激光雷达战术成像（SALTI）计划第一阶段的产物，SALTI计划是由美国防部高级研究计划局资助的，目的在于将雷达图像采集和处理技术应用到光学波长范围，Raytheon和Northrop Grumman公司是这一计划的主要承担者。

可以拍摄战术图像的SAL将常规SAR在白天和夜晚都能拍摄远距离图像的

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特点，与高分辨率光学图像的可判读性以及可以利用三维图像的性能相结合，因此可有效满足远程战场感知的需要。

研究人员于3月31日－4月3日在爱德华兹空军基地进行了相关试验。第一幅空基SAL图像是由Raytheon公司使用光纤激光器得到的，随后NG公司利用CO2气体激光器也成功得到了SAL图像。

4.5 小型化成为星载合成孔径雷达发展的主要趋势

随着战场环境的13益变化，大卫星逐步暴露出一些明显的弊端，主要体现于造价高昂、维护不便、应急发射困难、战术保障和快速反应能力有限等等。随着航天技术的发展，特别是轻型天线技术、集成电路技术和固态电子器件技术等的发展大大降低了卫星的重量和体积，使性能高、体积小、重量轻和成本低的小星载合成孔径雷达卫星研制成为可能。集成电路和固态电子器件降低了中央电子设备的重量和体积，以可展开折叠网状天线技术和轻型相控阵天线技术为主的轻型天线技术发展大大降低了天线的重量，大幅度降低了卫星有效载荷的重量，从而降低了卫星整体和需带燃料的重量；另一方面高效率太阳能技术和电池技术的发展也相对降低了能源系统的重量，小卫星系统及其组网技术的发展改变了卫星的工作及使用模式，缩短了卫星系统有效载荷的工作时间，从而也减小了对能源系统的要求，进一步降低了卫星的重量和体积。与大卫星相比，小卫星的战场生存能力和快速反应能力要强得多，并已经发挥了一些作用。SAR卫星应用的效费比明显提高，SAR卫星的研制费用大幅降低，SAR卫星在军事和经济上的应用越来越重要，越来越普及，研制SAR卫星的国家越来越多，天基SAR已经不再是少数大国的专利。

4.6 性能技术指标不断提高

高性能指标的图像始终是系统设计和研制的最终目的，高分辨率的SAR图像在军事上具有极其重要的应用价值，追求更高的分辨率一直是研制部门和用户努力的方向。更高的分辨率意味着更精确的目标分辨和识别能力、更准确的情报，更精确的地形数据。对军事用户来讲，总希望得到更高分辨率的SAR图像。近几年来，小SAR卫星的发展非常迅速，各国纷纷开展小卫星项目的研究，但并没有 放弃获得更高分辨率的研制工作。美国在大力规划和发展小SAR卫星的同时，一直在提高SAR的图像分辨率，“长曲棍球l”、“长曲棍球3”和“长曲棍球5”卫星的SAR图像分辨率就分别上了2个台阶，分辨率分别达到1 m、0．5 m和0．3 m。 除了分辨率指标外，其他的图像质量指标也同样重要。SAR卫星的图像质量指标在不断提高，SAR图像的目标定位精度越来越高。从SAR图像的定位原理讲，SAR图像的定位精度可做到与卫星的轨道精度在同一量级；定位精度与卫星姿态无关，从这一点讲，SAR卫星图像的定位精度优于可见光传感器卫星图像的定位精度。随着SAR图像在目标识别和民用应用越来越广，对SAR图像的定量遥感要求也越来越高，如今对SAR图像不仅要求有高的空间分辨率，也要求有高的辐射精度。

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4.7 多功能、多模式是未来星载SAR的主要特征

l978年美国发射的载有SAR的海洋卫星(Seasat—A)为L波段、固定入射角，单一的HH极化，现在在轨或正研制的SAR卫星(或其他航天平台的SAR)很少仅固定入射角和单一极化。今天的天基SAR，特别是星载SAR正向着多模式、多频、多极化和可变视角波束，并具有地面运动目标显示和地面高程测量功能方向发展。多模式成像主要有条带、扫描(scanSAR)和聚束(spotlight)3种工作模式。扫描scanSAR)

工作模式要求波束在距离向的快速扫描，一般采用电扫描的方式。通过改变雷达收发的极化方式，可获得HH、VV、HV和VH(H为水平极化，V为垂直极化)不同极化的图像。不同频率下目标的散射特性不同，同时获取目标的多频信息，有助于目标分类与识别。欧洲的Terra—SAR就是X与L 2个频段，L频段的穿透性强。天基星载合成孔径雷达可通过立体像对方式或干涉SAR(InSAR)的方式获得地面的高程信息。美国航天飞机STRM项目在ll d左右获得了全球80 陆地的高程数据，高程精度在几米的量级。利用相位中心重置等方法可获得地面目标运动的信息，从而实现地面运动目标显示，快速提供地面运动目标的信息，这一特点在军事上具有极其重大应用价值，可大大提高获取地面运动目标情报的时效性。

4.8 雷达与可见光卫星的多星组网是主要的使用模式

采取星座或星队侦察方式可有效提高时间分辨率，多星组网提高侦察情报的时效性，既提高时间分辨率，将航天侦察的“盲区”降至最低。与可见光卫星配合使用弥补可见光成像受气候条件限制的不足，并发挥SAR具有一定的穿透能力，揭露伪装的特点，使各种侦察卫星优势互补。美国在伊拉克战争中就利用3颗“锁眼”可见光侦察卫星和2颗长曲棍球雷达成像侦察卫星组成的航天侦察网。美国人形象地将所有在轨的“锁眼”和“长曲棍球”成像侦察卫星统称为“卫星舰队”(satellite fleet)。

德国的SAR-Lupe项目是一个由5颗小SAR卫星组成的军事专用卫星系统，COSMOSkyMed是意大利航天局的一个低轨道、军民两用地球观测星座，由4颗用X波段工作的小星载合成孔径雷达成像卫星组成。根据意大利和法国在2001年1月底签署的ORFEO联合地球观测协议，意大利的COSMO—SkyMed雷达成像星座和法国的“昴星团”光学成像星座将共同组成ORFEO军民两用高分辨率地球观测系统，两国将共享该系统的图像数据，而且两国国防部将在制定卫星成像任务计划方面享有优先权。按协议规定，意大利还取得了法国“太阳神2”军事侦察卫星和SPOT一5民用资源卫星的图像数据使用权。依靠单颗卫星获取情报其时效性差，获取动态情报的能力十分有限。随着航天技术的不断进步和雷达卫星的小型化，其成本将大幅度降低，雷达卫星与可见光卫星多星组网获取动态情报将成为一种主要的应用模式。

4.9 分布SAR成为一种很有发展潜力的星载合成孔径雷达

分布SAR并不是简单的卫星组网，它是利用2颗或多颗轨道具有相互关系的

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卫星配合工作，一颗卫星发射多颗卫星接收，或多颗卫星发射多颗卫星接收，实现单颗卫星不能实现的功能，或获得单颗卫星不能达到的技术指标。如实现干涉SAR成像、地面运动目标显示、增加成像带宽、提高SAR图像分辨率等。

目前，加拿大和德国均已计划发射2颗分布式SAR(TanDEM)以实现高精度InSAR测量。

4.10 星载合成孔径雷达的干扰与反干扰成为电子战的重要内

容

星载合成孔径雷达成像卫星作为军事侦察卫星系统必然会受到人为的电磁干扰影响，所以，研究军事侦察卫星系统的抗干扰能力，对提高星载合成孔径雷达的生存能力和增强其受干扰时的应用效果等具有重大的实用价值，深人研究SAR的抗干扰技术具有深远的战略意义。美国空军早已注意到星载合成孔径雷达在日趋密集和复杂的电磁干扰环境下能否有效工作的问题，已经开始研制能够对付目前和未来威胁的抗干扰技术。星载合成孔径雷达的干扰与反干扰已成为电子战的重要内容。前者通过使用电磁干扰使对方的星载合成孔径雷达不能正常工作或者性能降低，后者采用抗干扰技术保证在电子对抗环境下己方星载合成孔径雷达正常工作。对星载合成孔径雷达实施干扰，大致可分为：对有效载荷的干扰、数传链路的干扰和对卫星平台的干扰(包括对遥测遥控的干扰)。根据星载合成孔径雷达的特点，探讨星载合成孔径雷达系统可采取的抗干扰措施，根据现有星载合成孔径雷达系统的一般结构，可在星上或地面采取不同的抗干扰措施。一般来讲，抗干扰就是利用干扰信号和有用信号的不同特性，将干扰信号去除或降低，同时保留有用信号。通常可根据信号的频率特性、空间特性、时间特性、极化特性、编码特性等将干扰信号和有用信号区分开来，将干扰信号抑制掉。

4.11 军用和民用卫星的界线越来越不明显

星载合成孔径雷达在商业民用和军事侦察上都具有比较大的应用价值，ERS-1／2和Radarsat-1等都是以民用为主的星载合成孔径雷达，而美国的“长曲棍球”雷达卫星、德国的SAR-Lupe雷达卫星则是军用侦察卫星，商业民用和军事侦察应用对雷达卫星的技术指标的要求侧重有所不同。一般来讲，商业民用要求雷达卫星具有宽的测绘带宽和高精度的辐射定标，并具有中等分辨率的图像(一般低于5 m)；军事侦察在强调测绘带宽的同时，更强调高分辨率，分辨率一直是军事侦察最关键的技术指标，军用侦察卫星的图像分辨率一般应优于1 m，相关国家在提高分辨率方面投人了大量的人力物力，不断改进分辨率指标。随着卫星技术的提高，工作模式增多，卫星的功能和技术指标也不断提高，有些卫星虽然是商业民用卫星，也具有较大的军事应用价值，如加拿大的Radarsat-2卫星，精细模式达到了3 m分辨率，具有一定的军事侦察能力。

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5 与SAR相关技术的研究动态

5.1 国内外SAR图像相干斑抑制的研究现状

SAR能够有效揭示地貌结构和地面伪装，但相干斑噪声严重影响了其进一步应用，许多学者研究了抑制相干斑噪声方法，Victor S. Frost等人针对合成孔径雷达图像提出了一种抑制噪声方法，D.T.Kuan等人推导了抑制加性噪声和乘性噪声的滤波器，Jong-Sen Lee提出了适合加性和乘性噪声的滤波器，Armand Lopes根据SAR图像的统计分布特点，提出了MAP(最大后验概率)滤波器。上述这些传统SAR相干斑噪声抑制方法适合于均匀区域的情况，实际上SAR图像包含的地物种类不止一种，近年提出的修正Lee滤波器和增强Frost滤波器适合平稳和非平稳SAR图像区域的处理，还有增强MAP(最大后验概率)方法等。其它一些通用去噪方法如维纳滤波器，卡尔曼滤波器等，以及D. L. Doholo等提出的抑制高斯噪声的小波变换软阈值方法也能够较好地运用于SAR噪声抑制。小波变换能够抑制噪声，其关键问题是小波域的门限如何选取，这方面己有许多学者进行了研究。

关于极化SAR相干斑的抑制，国际上从八十年代中期，己广泛开展了利用极化信息抑制SAR图像相干斑的研究，以达到有效提高图像辐射分辨力和提高极化SAR的应用功效。到九十年代初，已有不少利用极化信息的相干斑抑制算法公开发表，代表性的算法有：1) Zebker等的全功率(span)法，就是将各个极化通道的强度图像直接进行非相干的相加，该方法可得到一定的相干斑抑制效果，并且在视觉上也有较为明显的改进；2 ) Lee等的最优加权(Optimal weighting)法，该方法实际上是span图像的推广，它对各个极化通道强度图像数据进行一定权值的线性组合，并采用最小均方误差准则来约束权值的取值，从而达到减少相干斑的目的，这两个算法的缺点都是只利用了各个极化通道的幅度信息，而没有利用相位信息，因此相干斑的抑制效果有限；3) Novak等的极化白化滤波(Polarimetric Whitening Filter-PWF)法，Gozo和Lopes的最小均方差(Minimum mean square error-MMSE) 法，和电子科技大学刘国庆等在PWF基础上提出的多视极化白化滤波(Multi一look polarimetric whitening filter-MPWF)法等。这些算法对均匀场景都有较好的效果，但尚需解决极化信息保护、纹理结构特征保护和场景自适应性三大问题。

国内在极化SAR方面的研究尚处于起步阶段。自1993年初到1995年底，电子科技大学同意大利的空间技术研究机构Alenia在极化SAR领域开展了合作，刘国庆副教授在这期间被派到Alenia具体从事这一方面合作研究。其中一部分工作就是研究极化SAR图像的相干斑抑制问题，提出了多视极化白化滤波(MPWF)法，从理论上对均匀和非均匀场景的相干斑抑制效果进行了分析。

5.2 合成孔径雷达干扰技术的现状和发展

合成孔径雷达是一种二维相关雷达。雷达的成像处理系统通过对接收的原始雷达回波进行二维相关处理，对于相关的后向散射回波具有很高的处理增益，通

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常星载合成孔径雷达的处理增益达到60-70dB，甚至更高。针对合成孔径雷达实施有源电子干扰，可以采取相干干扰、部分相干干扰、非相干干扰的方式；干扰对抗系统可以安装在地面、飞机、卫星等平台上。不同的干扰方式产生不同的干扰效果，有不同的适用性。

星载合成孔径雷达通常飞行在几百公里之上，地面干扰系统的作用距离一般在一千公里以上。经过初步研究，在综合考虑了干扰系统的干扰功率、干扰系统复杂性、干扰效果、干扰作用范围，以及干扰信号被滤除和干扰平台遭受反辐射武器打击可能性等多种因素后，可以把对星载合成孔径雷达的干扰归结为两种主要方案，即：以地面平台中小功率相干干扰系统实施欺骗干扰，或以伴星平台小功率非相干干扰系统实施压制干扰。

合成孔径雷达干扰对抗系统的有效性和作战威力，直接取决于研制干扰系统之前对对方军用合成孔径雷达基本运行方式和数据资料的掌握程度。例如为了设计研制相干欺骗干扰系统，必须准确地掌握对方雷达的工作频率、频带宽度、脉内结构、发射功率、重复频率、天线方向图及飞行轨道等参数；为了设计研制抵近伴星压制干扰系统，同样需要充分掌握对方星载雷达的飞行轨道、工作频率、频带宽度、发射功率、重复频率、天线方向图、极化方式及侧视方向等。 许多合成孔径雷达完全是用于战争和军事目的，其关键的技术特征和数据资料是非常保密的。仅仅依据从网络等途径获得的未经证实的数据，来选择对抗方案并设计干扰对抗系统是不恰当的。我们只能够通过长期艰苦的侦察、积累、分析和证实，才有可能比较准确地获得其主要技术资料，并在此基础上设计研制出有效的合成孔径雷达对抗武器系统。

关于合成孔径雷达的电子战问题国内外都在进行广泛的研究，提出了多种干扰方法，包括有源欺骗干扰、散射干扰、部分相干干扰等等，并且也进行了合成孔径雷达干扰试验。国外对合成孔径电子战的研究见诸文献的很少，从仅有的一些文献中可以看到，其对噪声压制干扰、转发干扰有研究，另外对于抗干扰措施也有研究，主要是打乱脉间常规关系和使用分布式小卫星。

雷达干扰技术的应用和研究经历了巨大的变化和发展，其重要性也日益突出。第二次世界大战中的诺曼底登陆战役，英美联军通过雷达侦察完全掌握了德军在此战区40多部雷达的上作频率、性能和配置，然后进行大规模的火力轰炸，制造假的进攻方向，又进行了连续不断的干扰，使对方雷达完全陷于瘫痪，根本不能提供任何有用的信息，此次参战的武器设备损失率不到0. 3%；同样在越南战争中，美国综合采用了多种雷达干扰措施来掩护和保护其战区的武器设备；在后来的海湾战争中，以美国为首的多国部队又凭借高科技的优势，对伊军的整个战区进行了连续不断的电子侦察和强大的电子干扰。在伊拉克战争中，美国的SAR成像雷达获取了敌方大量的地面部署情报，包括发射架、飞机、装甲车、火炮、集结点、掩体、补给线和退却路线等等，精确分辨伊拉克地面的车辆装备，大大提高了打击精确度。由此可见，SAR干扰技术在军事领域中的应用十分关键。

SAR在现代战争中有着如此重要的作用，因此，破坏和削弱SAR的作战能力，研究对抗SAR的策略，有着非常重要的意义。西方发达国家很早就开始了对SAR的干扰技术研究，并有相关的专著；国内在这方面的研究还刚刚起步。国内对SAR现有的干扰技术，压制干扰有噪声干扰和距离调频率失配脉间去相干法等，欺骗干扰有虚假图像干扰、弹射式干扰等。

目前，我国有关部门对合成孔径雷达干扰对抗的问题格外重视，已经对国家

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空间安全与防御及空间电子对抗等进行了积极的规划和部署。国内对其干扰方法的研究，还处于刚开始阶段，在国内己经开展对其干扰研究的单位还比较少，主要有电子第29所、西安电子科技大学电子对抗教研室等，在这方面需要做很多的工作。国内对SAR干扰技术还处于研究和计算机仿真阶段。随着大功率器件的成功研制，可以提供足够的干扰功率，大大降低SAR的信噪比，从而破坏其成像功能。数字储频技术的上程应用，可以对SAR的幅度和相位特性进行高保真的复制。高速DSP（数字信号处理）的发展，可以实时模拟SAR运行参数、波束宽度及扫描方式，进而实现对幅度、相位的调制和对多普勒变化规律的预测，为我们对SAR进行相参干扰提供了技术保证。因此，对SAR的有效干扰不仅是可能的，也是可行的。

然而，由于国防军事保密的原因，目前国外对SAR系统干扰技术的研究未见有公开的报道；国内一些高校和研究所也一直处于理论研究和技术尝试阶段，取得了一些成果，但是还不够成熟，所以也很少见有公开报道。因此，我们必须针对SAR系统的特点和成像原理，尽快研究一套比较成熟有效的干扰技术和方法，同时积极开展反干扰技术的研究，提高SAR系统的反干扰能力。 目前对合成孔径雷达的电子战研究中主要存在下列问题：对合成孔径雷达的信号侦察研究较少，这不利于对合成孔径雷达信号特征库的建立；没有对各种干扰方法的长处与短处进行适当分析，仅强调各种干扰方法的个性，没有提及共性，对相干干扰与非相干干扰的关系的认识不够恰当；很少有合成孔径雷达反干扰措施的研究。

5.3 SAR图像目标检测与识别

美国MIT的Lincoln实验室自90年代以来，在SAR图像处理方面也作了大量的工作，他们综合利用高分辨力多极化SAR图像的多种特征进行目标的自动识别。Lincoln实验室的ATR有三个主要部分：检测、识别、分类。在检测过程中采用双参数CFAR(恒虚警率)基于局部统计分布参数选择候选目标区域。在识别过程中，一个目标大小的匹配滤波器精确地确定候选目标的位置和方向，然后通过计算识别特征(包含纹理、大小、对比度和极化特征等)来进一步除掉杂波。在分类过程中，利用二维模式匹配算法除掉部分可能的假目标，并提取目标的各种分布特征，最后综合利用这些特征参数，进行目标的分类和识别，确定目标类型(如坦克和榴弹炮)。

美国Carnegie Mellon大学的研究人员在对目标的识别过程中，重点分析了检测概率和虚警概率，通过大量的试验他们得出没有任何一种识别方法能够同时获得高的检测概率和低的虚警概率。在他们的识别算法中特别强调了识别算法对不同目标的适应程度不同的特点，具体应用中应根据需要研究采用不同的算法，其提供了将形态变换法和小波变换法相结合的检测思想。

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俄亥俄州立大学深入分析和研究的SAR图像的散射特征，通过建立散射模型提出了一批可用于目标识别的特征参数，运用最大似然估计和Cramer_ Rao限及简化模型推倒出了一些特征提取算法。

美国大学的研究工作者在进行目标的自动识别过程中，首先根据所要识别的不同目标类型在SAR图像中寻找感兴趣区域，对感兴趣区域进行必要的滤波后和光学图像进行特征级融合，利用不同类型图像数据的互补性有效的检测识别出特定的目标。

法国的研究人员在线性目标的识别中利用不同时段的合成孔径雷达(SAR)图像数据信息。在具体处理过程中首先对同一地区各时段的图像数据分别进行方向滤波以滤除噪声和不需要的图像信息并保留具有线性特征的有用信息，而后利用形态学变换方法对线性目标进行检测识别。最后将各时段的图像数据的处理结果进行复合，从而得到有实际意义的线性目标。具体过程如下：

挪威的Anne提出通过SAR图像自动检测海上溢漏的石油痕迹。该过程包括检测SAR图像海洋中的黑斑并计算每一黑斑的特征，将黑斑分类为石油溢漏痕迹或类似石油溢漏痕迹的海洋自然现象。分类的规则是通过综合统计模型而实现的，并具有先验知识:轮船和油田周围石油痕迹存在的可能性较大。该算法经过84组数据的测试，94%的石油痕迹和99%的类似石油痕迹被正确区分。其过

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程如下所示：

法国Florence Tupin在对SAR图像进行道路网的提取时，采用了两步算法。第一步是局部检测，用于从SAR图像中提取线性特征。在该步中采用了两个线性检测器，并对其结果进行了融合。第二步是全局进行的。通过定义马尔可夫场来从第一步得到的线性特征中判断真正的道路。该算法的主要步骤如下：

Paul C. Smits利用共生矩阵对高分辨力图像进行纹理分析，以实现数据更新。美国的Leen-Kiat Soh通过数据挖掘来对自然景物进行分类。其主要过程有：首先通过一个动态局部闽值得到最初的分类，接下来对闽值图像进行谱分析、空间和纹理分析，最后以这些特征为特性进行被称为概念聚类的机器学习，从而达到图像分类的自动化。

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所有的变化检测方法都要求对多时相图象进行精确配准，如果不能得到较高的图象配准精度，则在整个场景内将有大量的变化区域，这种情况是由图象错位造成的。但是目前还没有对高配准精度给出一个确切数字值。Jensen使用机载遥感图象数据进行实验，指出2.26个象素的图象配准精度是临界点。El-Raey建议图象配准误差小于2个象素是比较合理的精度。Milne A.K.建议图象配准误差为1个象素或者更少较为合适。但是很少有关于图象配准精度对变化检测错误率影响的研究。

（2）门限值的选择

大多数变化检测技术要求选择一个门限值，以决定是否发生变化。现在主要有两种选择门限的方法：一种是交互式方法，解译员调整门限值直到结果满意时为止。第二种方法是使用一些统计测量量，如一个类均值的标准差。 （3）辐射校正

一些变化检测技术要求进行辐射校正。使用遥感图象数据进行变化检测的前提是由感兴趣的目标变化引起的辐射值的改变要比由一些随机因素引起的辐射值变化要大。这些随机因素包括大气条件、照射角和土壤湿度等。如果变化检测技术对这些因素比较敏感，则就需要考虑进行辐射校正。不同时相或传感器的图象数据可以参考确定没有发生变化的区域进行辐射校正，辐射校正一般采用图象回归法或直方图变换技术。 （4）精度评估

在变化检测研究中通常都没有进行精度评估。少数研究中进行了精度评估，但是这些精度评估方法是不相同的。 （5）随机因素的联合影响

不同的变化检测技术对不同因素的敏感性是不同的，这些因素的影响有时是联合起作用的。例如：对于配准精度为0.2个象素的图象系列最好的变化检测技术对于配准精度为1个象素的图象系列可能不是最好的。对于提出的问题和随机因素的影响通常需要单独考虑和对待。 5.3 变化检测技术的评估与比较

大多数文献中的应用都是解决特定区域的特定问题，仅使用一种变化检测技术。大多数应用中都没有给出检测精度评估，基本的原因是缺少地面真实数据。目前只有少数的研究工作是关于变化检测技术的比较研究方面的，并且其中的大多数研究都没有充足的定量分析支持他们的结论。

现在还难以看到关于任何一种变化检测技术的定量评估的报道，但是经常有关于每一种变化检测技术的优点和缺点的评论。El-Raey M., S.M.Nasr and M.M.EI-Hattab研究发现图象差值法、图象比值法不能区分侵蚀区域和淤积区域，主分量分析方法能够区分这两个区域，但没有给出任何定量的或定性的比较结果。

Nelson研究发现植被索引差值法是优于图象差值法和图象比值法，但是Banner A.V, and T.Lynham发现植被索引差值法的精度比多时相图象直接分类法的精度低。

Singh A.总结了关于森林变化自动检测方法客观评估的一些从前工作，比较了单变量图象差值法、图象比值法、植被索引差值法、图象回归法、主分量分析法、分类结果比较法和多时相图象直接分类法等变化检测方法。研究了一些局部空间处理技术如图象平滑，背景提取、边缘增强等。测试不同的门限值以便于找到能给出最高变化分类精度的一个值。得到以下的结论：

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1)使用Landsat MSS波段2图象数据，图象回归法能够给出最高的精度。 2)图象比值法和图象差值法给出次高的分类精度。

3)各种各样的局部空间处理技术不能提高变化识别的精度。 4)分类结果比较法的精度最低。

Fung T and E.LeDrew研究了图象差值法、图象比值法、和主分量分析法三种变化检测技术并得出结论：主分量分析法得到最好的结果，同时注意到一些特殊的变化类型使用其他技术能得到更高的精度。Jiaju L.也发现主分量分析法是优于图象差值法与图象比值法。

另一方面，Stow D.A., D.Collins and D.Mckinsey等人研究发现图象比值法识别变化的精度比主分量分析法高。Muchoney D.M. and B.N.Haack研究发现图象差值法比主分量分析法的精度高，但这两种方法都是优于分类结果比较法与多时相图象直接分类法。

Martin L.R.G经过研究并得出结论，分类结果比较法得到的变化检测结果精度比多时相图象直接分类法和主分量分析法高。

由以上结论可以看出，变化检测方法的比较研究结果有很大的冲突，甚至有定量精度估计支持的结论之间也存在冲突。目前还没有一个通用的最优变化检测方法，即使对于特定的应用哪一种变化检测技术是最好的也不是肯定的。除非进行了大量的、数字量化的精度评估，否则不能断定对于一个特定应用哪一种变化检测技术是最好的。不同的应用应选择不同的变化检测方法。在一个给定条件下最适合的方法依赖于指定的应用(应用的环境类型、感兴趣的目标)和要求的细节数量。

门限选取及图象配准对于变化检测也是很重要的一个方面。虽然目前变化检测技术还有很多工作要做，但变化检测技术是辅助人工分析的一个有利工具。

5.6 干涉合成孔径雷达

6.1 引言

精确的三维地形数据在军事、地学、资源管理等领域内有非常重要的用途。传统的立体摄影测量技术易受诸如光照条件、测量精度等因素的影响，其应用受到限制。干涉合成孔径雷达是在合成孔径雷达(SAR)的基础上发展起来的，具有全天时、全天候获取大面积数字高程图像的特点，比立体摄影测量优越。 干涉SAR不仅可以提取地面的高度信息，还可以用于地球测绘的多个方面，可用于对地震、火山和冰川等变化的监测，土地资源的分类，也可用于对其它行星地形高度的探测。随着研究的深入，其成像精度也越来越高。目前，干涉SAR己成为SAR领域的研究热点之一。 6.2 干涉SAR的发展历史

传统的合成孔径雷达能够得到高分辨率的二维地形图像，而利用两部天线的干涉SAR技术将SAR的测量拓展到三维空间。这一技术是由美国宇航局(NASA)的Graham于1974年首先提出的，最早用于金星测量和月球观察。1978年SEASAT卫星在空间飞行100天，首次从空间获取地球表面雷达干涉测量数据，为开展空间雷达干涉测量技术应用研究提供了可能。

1986年，美国喷气推进实验室(JPL)的Zebker和Goldstein等人在理论和实践上对干涉SAR进行了完善和发展，成功地研制了航空雷达干涉测量仪，并采用数字信号处理技术将获得的数据进行立体测图，取得了10米以下的高程测量

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精度。

1988年Gabriel等人给出SIR—B干涉处理得到的图像，并强调了图像配准的问题，同年，Goldstein等人提出一种相位展开技术，计算干涉图上任意两点之间的相位差。此后，世界很多国家的科研人员都加入到干涉SAR的研究行列里来，在系统设计和算法处理上都取得了较显著的科研成果。

自1991年欧洲空间局(ESA)发射ERS—1卫星之后，星载干涉SAR的研究得到了快速的发展。Li等人深入研究了高程测量误差，提出基线去相关的概念，Rodriguez等人研究了干涉SAR信号特性、干涉相位最优估计以及系统优化等问题；Zebker等人深入研究了去相关问题，并于1994年发表了利用ERS-1进行重复轨道SAR数据进行干涉成像的结果；Moreira等人于1995年发表了SIR-C/XSAR数据对意大利西西里岛Etna火山地区的干涉成像结果。当日本于1992年发射JERS-l，ESA于1995年发射ERS-2和加拿大于1995年发射RADARSAT卫星，为全球提供了丰富的干涉SAR数据之后，雷达干涉测量技术已从纯理论研究进入实用研究。

在机载干涉SAR方面，美国NASA于1991年采用配置GPS的机载SAR进行测图实验，达到2-5米的高程精度，远优于传统方式的20米精度。1993年，美国陆军测绘工程中心TEC和高级研究工程局ARPA用Convair580飞机成功地进行了干涉试验，开创了获取数字地形高程SAR系统的实用先例。德国Dornier公司研制的DO-SAR ATLAS-X干涉SAR系统采用X波段、机载双天线模式，用于高精度地形图的绘制。其水平分辨率可达到1. 2m×1. 2m，高程分辨率可达到0. 5m×0. 5m。 1995年，Madsen等人评估了由TOPSAR干涉系统得到的地形数据，并用他们较完整的处理系统进行了处理，整个系统均方误差为2米。德国Christian Wimmer等人于2000年利用AeS—1机载双天线系统对德国Wadden海岸附近区域进行地形测量，干涉测量精度达到了5厘米，实现了超高精度的DEM测量。

目前干涉SAR应用最成功的例子是美国航天飞机“奋进号”于2000年2月11日到22日利用SIR-C和X-SAR对全球的地形测绘，测绘面积为4600平方公里 (约占地表总面积的80%)，经处理可制成数字高程模型和三维地形图。此次飞行所取得的测绘成果，覆盖面大、精度高、有统一的基准，不但在民用方面应用广泛，而且在军事活动中也具有重要价值，因此引起了各国的广泛关注。 6.3 干涉SAR技术的应用

从干涉SAR技术的发展和应用来看，它正在逐步显现出其应用的潜力，引起了各国科研人员的广泛重视。干涉SAR在地学和军事领域有着十分宽阔的应用前景，主要表现在以下六个方面：

（1）数字高程图DEM的获取及优化 这是干涉SAR最直接的应用，利用雷达的全天候性以及对云雾的穿透性能，干涉SAR可以快速准确地获得全世界的数字高程图，这其中的某些地区是传统的立体航拍所不能拍摄的。从这个意义上讲，干涉SAR技术是迈向数字地球构想的重要一步。

利用干涉SAR获得的DEM可以对原有的低精度数字高程图进行优化。对干涉SAR获得的高精度DEM进行地理编码，可以与从测绘部门获得的低精度DEM进行数据融合，这一方面使整体的高程精度得以提高，又可以弥补由于遮挡或雷达阴影造成的干涉SAR无法反演某些地区高程的缺陷。

（2）地图绘制

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包括全球地形图制图、区域制图、水文制图、极地冰盖制图和地图更新等。传统方法进行地形图绘制费时费力，高程精度不高，即便是在北美和西欧等发达国家，目前的高分辨率数字地形数据的精度误差也有几十米。利用SAR干涉技术可以解决这一问题。现在国外SAR干涉技术在平坦地区己经可以取得2米左右的高程精度，地形起伏较大的地区，高程精度为5米左右，基本满足实际需要。

（3）城市建筑三维透视图的形成

机载干涉SAR低空飞行能够获得城市地区的超高精度DEM，利用原有的SAR图像或航空图片作为纹理，可以形成城市的三维透视图。这种三维图像具有非常好的视觉效果，可以用于目标的识别或其他军事目的。

（4）地表变化检测

利用干涉SAR获得的DEM本身就能发现地表的变化，如泥石流的沉积、三角洲的演变，大沙丘的移动等。

差分干涉技术利用多次干涉的结果进行差分，在去除地形的影响后，可以以雷达波长量级来测量微弱的地表物理运动。1993年Massonnet等利用ERS-1相隔几个月的数据研究了地震后的地表变化情况，并在1994年对相隔14个月得到的数据处理成功。1995年Massonnet等对火山表面变形进行了测量，能够为将来火山的活动提供线索，这种不需要地面控制来监测火山活动的技术将成为检测地表变化的发展方向之一。

干涉SAR还可以更深入地应用于土地动力学的其他方面，如火山学、气候地貌学、沙漠地形和土壤迁移、海岸过程和侵蚀、灾害风险估计和自然灾害监测(如地震、滑坡)等。这些地表物理运动有可能是断层地区的隆起和弯曲、地震引起的残余位移、地块的沉降等，对于它们的观测可以为地震、火山爆发、山体滑坡等灾害的发生做出事先预报，减小灾害给人们生命财产带来的损失。

（5）冰川流动检测

美国JPL实验室的Goldstein等人利用ERS-1卫星干涉跟踪南极地区的冰川移动。这颗卫星在6天内先后两次通过该地区，而且路径基本在同一位置上，所获得的干涉相位图像结果直接反映了冰的移动，第一次实现了直接从空中获得地面目标的运动速度。 （6）陆地覆盖分类

干涉SAR技术还可以用于陆地的覆盖分类，这是因为两次飞行形成的干涉图还提供了雷达回波信号中除幅度外的相位信息，这些信息可以作为覆盖分类的依据。利用干涉图的信噪比，即相关系数的大小可以明显判别裸地和植被覆盖地区。1993年Askne和Hagberg处理了ERS-1在瑞典北部地区的数据，得到了相关系数图，从图中可以得到被测地区的地表属性、散射系数和两次观测时间间隔内的变化，并得出较长基线适合于地表分类的结论。

随着干涉SAR技术的不断发展，干涉SAR技术可以广泛应用于DEM测量及地球测绘的多个方面，更高层次的应用比如海岸带变形、土地覆盖及沙漠化、森林砍伐过程和洪涝预报等都可以用这一技术快速准确地监测。

5.7 机载合成孔径雷达技术发展动态

7.1 美国的GRUMMAN E-8A J-STARS

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该系统是美国陆空军联合研制的战场侦察攻击雷达系统，可提供全昼夜远距离战场监视和飞机战斗攻击控制。该系统能在恶劣气象条件下从高空监视距前沿200公里范围内敌方纵深地带，侦察远距离固定集结装甲，包括第二梯队装甲车和坦克。J-STARS实际上是一种陆空军采用的机载反坦克雷达系统，它把侦察到的数据经处理后通过数据网传到指挥部，再由低空飞机或导弹直接攻击目标。J-STARS用波音707-320改装的C-18作为平台，包括一部合成孔径雷达，可探测地面低速目标。J-STARS是目前世界上最先进的机载对地侦察雷达系统，可能使得未来地面战争发生革命性的变化。据报道，该系统在海湾战争中战功卓著，仅1991年1月22日出动一个架次就成功测定一个向科威特运动的伊拉克坦克师，一举摧毁60辆坦克。

7.2 德国DLR—多波段/多极化机载合成孔径雷达

德国DLR(宇航局)于80年代中期开始发展C波段机载合成孔径雷达，其最终目的是扩展为实用的多波段/多极化合成孔径雷达系统。德意联合研制的航天飞机载X-SAR推动了机载DLR合成孔径雷达系统。1990年由进一步扩展到L波段，1991年开展C波段的多极化研究。DLR系统L, C, X波段的斜距均为2. 5米，而方位分辨力(四视)分别为4. 2米，2. 2米，采用66ps量化。 7.3 意大利遥控机载毫米波合成孔径雷达

这是无人驾驶机载8毫米波段合成孔径雷达，用于战场侦察，具有双侧视和低速目标检测功能，可采取灵活机动的多种侦察模式。飞机飞行高度1500－10000米，作用距离9－20公里，测绘带宽5公里，距离和方位分辨力均为5米，独立视数为5，距离压缩比为180，天线面积1×0.24米2。目前，该系统仍处于试验阶段。

7.4 荷兰PHAR S－C波段机载合成孔径雷达

它是相控阵合成孔径雷达，具有很高的辐射精度和校准能力。采用双极化有源相控阵微带天线，飞行高度6000米，作用距离6－13. 7公里，距离分辨力4. 8米，方位分辨力1米(单视)和6米(4－6视)。系统研制期为1991－1994年。 7.5 丹麦技术大学TUD的C波段机载合成孔径雷达

始于1986年1月，1989年11、 12月试飞。分辨力、测绘带宽和成像布局均可调节。距离分辨力和方位分辨力2米(单视)，测绘带宽12－48米，最大作用距离80公里，采用VV垂直线极化，8bps量化。试飞时装在丹麦皇家空军的Gulfstream G-3飞机上，最大高度13720米，额定飞行空速240米/秒。上述指标说明，这是一部很先进的雷达，其性能接近于美国的J-STARS。初次试飞后，又致力于机上实时成像处理机和显示系统的研制，该实时处理机具有产生测绘带全分辨力单视图像能力，原计划于1992年初完成。此外，还同时研制双极化微带天线，并正过渡到全极化系统。 7.6 美国宇航局前视合成孔径雷达

原名微波全息雷达(MHR)，由宇航局兰利研究中心负责研制。其最大特点在于前视，其视野在飞行器正前下方，这是一般侧视合成孔径雷达所不能达到的。MHR是采用合成孔径与相控阵相结合的途径实现前视成像的，切航行角度分辨力由相控阵提供；沿航向角度分辩力则由每个天线阵元所形成的合成孔径提供。MHR曾用C-131飞机试飞，相控阵长度30米，切航向分辨力20米，沿航向分辨力2米。MHR前视与红外和可见光成像系统一致，从而可获自厘米波至毫米波，甚至可见光的全谱域图像，在军事上有重要价值，即使只利用MHR本身前视性能，在对地强击和空战中也将发挥关键作用。MHR的另一特点是采用双频

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工作，使系统具有测绘斜距等离线的能力，在显示画面上叠加有间隔为30米的斜距等高线。MHR还可用于宇宙飞船和卫星，己证实选用8毫米，2厘米和3厘米波段是可行的。

7.7 加拿大Intera研制的X－波段合成孔径雷达

采用水平线极化，工作频率为9. 38GHz，多视(7)角分辨力为6米，距离带宽可变，分15、30MHz两档，原始数据量化比特为6 bps。 7.8 法国CNES的X－波段合成孔径雷达 采用双极化工作，单视角分辨力可达3米，载机选用波音公司的B-17G,原始数据量化比特为4bps。

7.9 中国的X－波段机载合成孔径雷达

由中国科学院电子所于1984－1987年研制成功，适用于多种用作遥感飞行的飞机，具有多个测绘带宽、测绘波束入射角可变，作用距离较大，填补了我国合成孔径雷达系统的空白，该系统主要用作科学研究和民用遥感。

电子科技大学自七十年代末，建立了国内第一个雷达系统及微波成像研究室，己开展用于“轰七”和歼击机的聚束式Spotlight和侧视SAR研究，自1986年以来，担任“863”高科技计划星载SAR的研究任务，进行并完成了星载SAR成像处理及实时运动补偿研究，研究结果己成功地用于Seasat原始数据成像。 可见，国内合成孔径雷达成像与国外先进技术相比，还比较落后，特别是在实时信号处理方面差距更大，本论文就是在SAR的实时处理方面作一探讨和尝试。

5.8 SAR图像地理编码技术的发展状况

地理编码是SAR图像后处理的一个重要过程，它将SAR原始图像投影到制定的地图坐标系上，并对SAR原始图像上的几何畸变进行校正，进而得到无几何畸变的标准地理编码图像。在此过程中，地理编码可以把来源于不同信息源的遥感图像投影到国际标准地理参考系上，以便能为用户提供通用产品，编码后的图像能够与同一参考系上的其他地理图件进行配准。

为了满足SAR图象的这些需要，地理编码处理的目标有两个：

（1）地理编码最直接的目标就是校正SAR原始图象上的几何失真，确保即使在复杂地形中，编码后的SAR图象也具有较高的地理准确性。

（2）随着地理信息系统的日益广泛使用，地理编码的第二个目标就是将几何校正后的雷达图象进行地图投影，为其他地理应用、地形应用和卫星数据应用提供一致的参考标准。

地理编码技术最早出现于遥感的其它应用领域。随着SAR技术的兴起和成熟，以及SAR数据应用的日益广泛，对SAR图象进行地理编码的要求就提出来了。

从六十年代开始，国外开始进行SAR图象地理编码研究。1972年，美国的Werner正式提出了SAR图象地理编码的基本概念。因此，SAR图象地理编码技术在七、八十年代得到了迅猛发展。但在1978年以前，地理编码技术停留在用GCP（Ground Control Point）进行遥感图象几何校正的水平上。因为当时传感器的波段是可见光和红外波段。1978年后，随着SEASAT的发射，由于SAR图象成像机理与传统的传感器成像方式不同，开始有更多的人研究用DEM进行SAR图象的精校正。

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八十年代以来，地理编码技术从理论上和技术上都日趋成熟。虽然九十年代以来，国外仍然有一些人在进行相关研究，但一直没有重大的理论和技术突破。目前的地理编码研究工作主要集中在利用DEM模型(Digital Elevation Model)进行几何精校正。如美国已建立了全国1:25万的DEM (60KM×60KM区域内约有20亿个高程数据)，部分州建立了1:10万甚至1:5万的DEM。随着ERS1和JERS1的成功发射，国际上针对SAR图象的处理系统日趋完善，如加拿大MDA的GSAR系统、意大利ACS公司的“SAR制图系统”，德国PAFs系统等。其中“SAR制图系统”(针对ERS 1和SEASAT数据)和PAFs系统(针对ERS-1和SAR-C数据)都有很强的地理编码功能，而且都是在DEM支持下做地理编码，对SAR图象进行精校正和定位。

国内目前由于SAR图象来源有限，又没有自己的SAR卫星，SAR图象的地理编码工作都是在没有精确测轨参数和准确姿态参数条件下进行的，对图象进行斜地变换和地图投影仍然属于粗校正，产品中含有测轨误差、姿态误差、成像误差等。

国外比较成功而又典型的SAR图象地理编码技术，利用其地理编码过程中的重要参数来源进行分类，主要有下面三种：

(1)利用仿真SAR图象的地理编码。在实际的具体实现过程中，地理编码又分为两种不同的方法。一种是通过在SAR仿真图象上寻找地面控制点(Ground Control Point)来完成地理编码工作。如Naraghi在1982年进行的地理编码工作。另一种是利用DEM模型，反射函数和卫星的一些辅助数据来模拟一个SAR图象，从而生成一个DEM－寻址的数据文件，并为SAR仿真图象上的每一个象素点计算其在地图坐标系上的精确位置；最后通过将SAR实际图象与SAR仿真图象进行匹配，利用重采样技术，得到标准地理编码图象。

(2)从SAR图象中抽取地面控制点(GCP)的地理编码。这种方法在遥感几何校正领域出现得最早，而且由于它的方便灵活和高效率的特性，至今仍然具有很高的实用价值。GCP可以通过很多途径获得。起初可以来自光学图象传感器数据和其它遥感数据，而后逐渐出现了直接由DEM模型自动生成GCP的方法。这种方法的困难之处在于识别和定位SAR图象上的地面控制点。识别和定位地面控制点的方法通常有手动、半自动和自动等几种。近来由于对SAR图象实时处理的需要，人们更倾向于使用地面控制点自动定位法。这方面的工作，国外开展得很广泛。1979年的Wong，1981年的Kiremdj ian和1984年的Yao，利用特征边匹配(edge-matching)算法进行GCP定位和识别。Novak于1980年提出了基于自适应阈值的目标识别的GCP定位方法。Ehlers于1982年利用数字图象相关函数进行GCP的定位。正是由于这些GCP的自动识别和定位算法的研究和出现，使利用GCP进行定位的方法至今仍然具有很高的理论和实用价值。 (3)利用卫星瞬时数据和SAR处理参数的地理编码。由于有些地区的SAR图象难于在其上识别和定位GCP，人们研究了利用卫星瞬时数据和SAR处理参数的地理编码方法。其中，J.C.Curlander提出的基于地球模型方程、SAR多普勒方程和SAR距离方程的SAR图象象素定位的方法在理论上实现了重大突破。虽然他最后实现的地理编码系统的精度不高，只有100-150米，并且系统的应用范围也仅限于平坦地区，但他的理论成为后人的基础。如Meier等人的工作就是在此算法的基础上进行修改和完善，使其不仅能够对山区等起伏大的地区适用，且精度也达到了35米。

目前，国内星载SAR图象地理编码的工作虽然起步己经很久，但在可以产

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生产品的，实用的星载SAR图象地理编码系统方面出现得并不多。相关系统有1995年中科院电子所星载合成孔径雷达数据处理中心的地理编码系统等。

5.9 星载SAR天线方向图在轨测试的发展状况

要使得SAR能够定量地测量地物目标的特征量，必需对SAR进行定标。所谓合成孔径雷达定标指的是对合成孔径雷达系统的最终产品一雷达图象中的每个像素的数据所代表的实际目标雷达截面积进行标定。此雷达截面积除以分辨单元面积即为散射系数。合成孔径雷达定标技术是实现合成孔径雷达对地定量观测的关键技术，未经定标的合成孔径雷达不具备对地定量观测的功能。

目前先后投入应用的星载SAR有SCASAT、 SIR-A、SIR-B、ERS-1/2、 SIR-C、JERS-1、RADARSAT。随着星载SAR在实际应用中的运行，国际上相应地开展了星载SAR天线方向图在轨测试方法研究，并相应地进行了SAR定标实验和天线方向图在轨测试工作。

1986年M.C.Dobson, F.'I'.Ulaby等人研究了用标准反射器(经过精确标定的角反射器)进行天线方向图在轨测量方法，并进行了SIR-B天线方向图在轨测量实验。

1986年P. Seifert, H. Lentz, M. Zink和F. Heel等人在Oberpfaffenhofen定标实验场用接收机测量了机载SAR: DC-8 SAR/E-SAR的天线方向图。

1988年R. K. Moor和M. Hemmat采用了美国伊利诺斯州的农场，南美洲的亚马逊热带雨林和加拿大的森林测量了SIR-B的距离向天线方向图。

1991年P. Seif'ert, M. Zink和H. Lentz用20多个地面接收机测量了ERS-1的天线方向图。

1995年Anthony Freeman和M. Alves等人利用地面接收机和亚马逊热带雨林测量了SIR-C/X-SAR的天线方向图。

1997年Yujun Fang和Richard K. Moore利用亚马逊热带雨林测量了SIR-C/X-SAR的距离向方向图。

1997年T.I.Lukowski, R. K. Hawkins等人采用亚马逊热带雨林测量了RADARSAT的距离向方向图。

还有其他的一些学者和科研人员进行了大量类似的实验和方法研究。由以上这些研究可见，星载SAR在轨道上运行时，其天线方向图确实发生了变化，不同程度地偏离了发射前地面测量值和理论计算值。由此可见对星载SAR天线方向图进行在轨测试的必要性。

星载SAR天线方向图在轨测量方一法有三种：第一种是标准反射器测量法，即将一定数量的经过精确标定的标准反射器(通常是角反射器)按距离向排列于定标场地中，一根据星载SAR从波束扫过此定标场地所得的雷达图象中所有标准反射器的强度来测量天线方向图。第二种是用均匀的面目标(通常用亚马逊热带雨林)的星载SAR图象测量天线方向图。第三种是直接用地面接收机(一般用多个)来测量天线方向图。到目前为止，比较成熟和常用的测量方法是第二和第三种方法，测量的精度可以达到0.2dB－0.3dB。

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5.10 逆合成孔径雷达的发展动态

逆合成孔径雷达是相对合成孔径雷达而言的，工作方式与SAR正好相反。工作时雷达不动，目标运动。它利用发射宽带信号来获得高的径向(即距离向)分辨率，利用雷达与目标的相对转动等效的极大孔径来获得高的方位向(或俯仰向)分辨率，从而获得高分辨的目标像。

逆合成孔径雷达与合成孔径雷达几乎是同步发展的，但是由于非合作目标运动补偿困难。最初对ISAR的研究主要是针对合作目标如天体等进行的：六十年代初，美国密歇根大学Willow Run实验室的Brown等人开展了对旋转目标成像的研究；六十年代末，宽带的线性调频信号及稳定的相参雷达技术已经成熟，使得利用相参雷达对转台上的缩比目标模型进行成像获得了成功。七十年代初，美国MIT林肯实验室首先获得了高质量的近地空间目标的ISAR图像，但是其目标轨道是可精确预测的。1978年，C.C.Chen等人利用地面雷达对直线和弯道飞行的目标(飞机)进行了成像研究，获得了令人鼓舞的成像结果并且对信号预处理、距离曲率、距离校准以及运动补偿等问题均作了分析和研究；美国海军实验室与德克萨斯仪器公司合作于八十年代初研制成功的ISAR技术可使机载雷达显示出海面上舰船的轮廓，由此，可用于识别其类型和进行分类。这种新型ISAR技术首次应用于新德克萨斯仪器公司制造的APS-137 (V)雷达中，这是作为海军Lockheed S-3A到S-3B升级的一部分。不仅如此，这种新型雷达还将装备到海军Lockheed P-3飞机上。许多国家都展开了逆合成孔径雷达成像技术的研究。现阶段，美、俄、英、法、德等主要发达国家己经掌握了ISAR技术并使之走向实用。

国内ISAR成像研究始于1988年，在国家高科技研究发展计划(863计划)的支持下进行的。国内有多家单位进行研究，主要有南京航空航天大学、国防科技大学、西安电子科技大学及哈尔滨工业大学，在硬件方面，航天部23所和哈尔滨工业大学联合研制成功实验逆合成孔径雷达，对运动补偿方法进行了深入的研究，比如恒定相位差消除法，改进的多普勒中心跟踪相位补偿方法，散射重心对准法，跌代强散射点法等，经过对实验ISAR外场数据成像验证取得良好效果。

国内的研究利用自行研制的试验ISAR录取了多批不同目标在不同飞行状态下的外场数据，促进了我国对ISAR成像技术的研究，取得了较大的进展，国内ISAR成像结果与国外公开发表的成像的结果相当，有些结果则明显好于国外的结果，这说明国内基本上掌握ISAR成像技术。然而，我国ISAR技术实用化方面与国际先进水平仍有较大的差距。

5.11 干涉合成孔径雷达的发展简史与应用

“InSAR”是一个嵌套式的英文缩写，即radio detection and ranging(radar，无线电探测与测距，简称雷达），synthetic aperture radar（SAR，合成孔径雷达），SAR interferometry（InSAR，合成孔径雷达干涉）。这正说明了InSAR的发展先后经历了“地面探测雷达－成像合成孔径雷达－合成孔径雷达干涉”的过程，同时也说明了InSAR 是合成孔径雷达遥感成像与电磁波干涉两大技术的融合。值得注意，雷达传感器主动发射具有固定波长的微波信号（1mm－1m 电磁波谱段），接收并记录目标反射信号（包含目标反射能量信息和反映距离的相位信息）。因微波信号可穿透云雨且白天黑夜均可工作，故雷达遥感可弥补可见光、近红外被

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动遥感的技术缺陷。

二次世界大战期间，地面雷达系统得到发展并主要用于恶劣环境下军事目标如飞机和轮船的探测。后来雷达系统装载到飞机上，发展成为真实孔径成像雷达系统（real synthetic radar），但其沿飞行方向（也称方位向）的影像分辨率很低，一般为数公里。1951年，美国人carl wiely首次发现多普勒频移现象能用来逻辑地合成一个更大的雷达孔径，可显著地改善RAR方位向分辨率，使之从公里级提高到米级，从而真正满足遥感观测的基本要求。进入上世纪60年代，第一个合成孔径雷达成像系统（SAR）诞生了。此后，机载/星载SAR系统相继问世。

长时间以来，人们仅仅利用SAR图像的强度（灰度）信息，而抛弃了SAR图像的相位信息。早期的雷达遥感大多基于单张SAR图像的灰度信息来进行地质调查、极地冰川、土地利用、植被和生态环境监测等。进入上世纪70年代，射电天文领域发展成熟的干涉技术被引入，将覆盖同一地区的两张SAR图像联合处理并提取对应像素的相位差（干涉相位）信息，以此恢复目标形状如数字高程模型的建立，从而导致了InSAR的诞生。1969年，Rodgers和Ingalls首次应用干涉技术对金星观测；1974年，美国NASA的graham首次提出使用雷达干涉对地球表面形状成图的构想。然而，接下来的十多年，InSAR技术没有得到实质性的发展。1986年，NASA的Zebker等首次发表了使用机载SAR系统对旧金山海湾地区生成数字高程模型的实验结果。

随后的技术扩展结果是差分雷达干涉，用以探测地球表面的微小形变。1989年，NASA的gabriel等首次提出卫星差分雷达干涉的观点并发表了对California某地区地面垂直位移观测的实验结果；1993年，法国CNES的massonnet等基于卫星差分雷达干涉成功地测量了1992 年California地震引起的显著地表位移。这些早期的研究结果，极大地鼓舞与推动InSAR技术的快速向前发展。近年来，国际上众多学者在InSAR的硬件系统优化、软件包的开发、算法优化与应用扩展等方面正展开深入而广泛的研究。

未完待续

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