SAR 成像技术在高分三号卫星的应用

王向春

（厦门精图信息技术有限公司，福建 厦门361008）

1 概述

SAR 即合成孔径雷达，有聚焦和非聚焦两种，聚焦SAR 的分辨率高，适合应用在大面积和远距离的影像采集，但是其设备结构复杂且研发难度高；非聚焦SAR 的分辨率与其波长和目标距离成正比例关系，设备结构相对简单。自上世纪八十年代，国内外就已经对SAR 成像技术进行研究，2000年后随着多个国家的SAR 卫星升空后，国内外涌现出SAR 成像的多种新型技术和方法。

我国高分三号卫星在2016年升空，是首颗分辨率达到1m 的SAR 卫星。因为SAR 具备不受光照和恶劣天气影响的优势，多被用作地表灾害监测用途。高分辨使得影像中可获取的地表目标物体的结构和形状特征数据会更多，但是对于多次散射和叠影的影像，可获取的数据精度仍难有待提高[1-2]。国外学者提出将压缩感知理论应用在合成孔径雷达成像技术中，通过论证分析获知该方法应用下影像分辨率获得显著提升[3]。作者团队所在的厦门精图信息技术有限公司，从2009年开始，就参与了多个国家发改委卫星产业化重大专项，技术内容涵盖了卫星遥感、卫星导航、卫星通信等多个方面。

2 SAR 信号模型

SAR 信号由距离信号和方位信号组成，在SAR 距离信号的距离脉冲为：

式子（1）中Tr为脉冲时间，Kr为距离向调频，f0为中心频率，τ 为参考原点。反射波能量为地面反射系统δr和距离脉冲的乘积，如式子（2）所示：

假设目标距离雷达距离为R0，空气散射系数为σ0，幅度为A，那么式子（2）中的δr=A×（τ-（2R0÷c）），其中c为光速，（2R0÷c）为信号延迟，所以该目标的接收信号为：

式子（3）中Ø 为信号相位改变，由于SAR 天线在方位上没有加权，所以方向信号可以近似为sinc 函数：

式子（4）中θ 为测距平面与视线夹角，βbw=0.886θλ÷Lα，Lα为方位天线长度。雷达波束在发射和返回过程中，接收信号强度为式子（4）的平方获得，方位时间η 的函数为：

式子（5）中θ 与方位时间的关系为sinθ=-（Vη÷Rη），那么监测目标的接收信号：

式子（7）中复常数A0=Aexp（jθ）。

SAR 利用天线和监测目标之间的相对移动，将合成孔径原理应用在雷达成像设备设计中，解决高分辨率中天线与波长之间的矛盾，在遥感影像获取应用中具有巨大潜力。

3 SAR 成像方法

SAR 的成像参考坐标系分为x 轴的方位向，y 轴的地距，z 轴的高度向，另外还包括层析向s 和斜距向r，如图1 所示。SAR 复数影像中的每个像素都是散射信号沿高程的积分[4]。

图1 SAR 成像坐标原理图

与传感器斜距相同的多个地表监测目标，形成像素的复数观测值，在建筑物密集且高度相似的城市中尤为常见。因为当前SAR 的分辨率已经达到米级，假如通过SAR 层析成像，那么高程向的分辨率即可获得求解。利用相同轨道并且从相近位置点进行采集的影像，通过SAR层析技术将不同的散射体进行分离。

在SAR 复数影像的数据库中，第n个像素的复数值为：

式子（8）中[-δmax，δmax]为信号分布范围，ξn为空间采样间隔，由ξn=-2bn÷（λ·r）计算获得，经过L 次离散采样，那么式子（8）离散为：

式子（9）中G 为第N个像素的复数观测值，K 为N×L 阶矩阵，γ 为离散采样，ε 为噪声。式子（9）的计算方法可以用频谱估算法，将信号获取算法应用到SAR 成像领域。

4 SAR 成像应用

经过了十多年的快速发展，我国已经形成了国产高分辨率观测体系，包括高分一号、高分二号、高分三号雷达卫星、高分四号静止轨道卫星、高分五号高光谱卫星、高分六号、高分七号、环境系列卫星、天绘卫星、实践九号、资源系列卫星、高景一号卫星等[5]，其中高分三号卫星应用了SAR 成像技术。

高分三号卫星的SAR 具有十二种成像模式，不仅涵盖了条带和扫描功能，并且在全球观测、聚束、波浪和高低入射角等多种模式的切换，具备一星多用的效果。高分三号卫星的空间分辨率从1米到500米，是C 频段分辨率最高的卫星系统。高分三号卫星的SAR 幅宽从10 公里到650公里，能够承担大范围普查的任务，陆地上的街道及海洋中的船舰，均能够在影像中清晰的分辨。由于SAR 的特殊成像优势，高分三号卫星在获取影像时不受恶劣天气的影响，成为高分专项工程中执行全天候全天时观测任务的核心卫星，为防灾减灾和水利气象等多个领域的工程提供基础观测数据。（图2）

图2 SAR 影像示例图

5 结束语

高分辨率和高识别能力是当前SAR 成像技术的热点和趋势，SAR 在地表目标监测影像分析中的多维特征解析方面具有独到的优势。建立合适的SAR 信号模型可以使影像获得精细分析，并作为未来影像自动解析的基础。通过SAR 成像技术在高分三号卫星上的应用，可获知多影重叠是SAR 影像分析的难点。构建高分辨率SAR散射模型，有利于明确SAR 目标散射特征的形成机制。未来借助多角度视向和光学遥感数据，可以进一步改善SAR 成像效果，推动高分系列卫星在目标监测中的应用。