賈新宇，路來君

(吉林大學地球科學學院，長春130061)

合成孔徑雷達技術研究綜述

賈新宇，路來君

(吉林大學地球科學學院，長春130061)

為發(fā)揮合成孔徑雷達(SAR:Synthetic Aperture Radar)對深部地質目標精確探測與快速解析的優(yōu)勢，進一步提高地面目標識別的分辯率，在討論基本原理及其數(shù)據(jù)解析方法的基礎上，對SAR技術的偏振測定法、干涉測量法和差分干涉法進行了分析;給出了超帶寬SAR應用的有利與不利條件;總結了該項技術的應用范圍及技術規(guī)范，為SAR在數(shù)字地質科學以及地球信息科學中的應用提供理論基礎及技術指導。

合成孔徑雷達;偏振測定法;干涉測量法;差分干涉法;超帶寬SAR

0 引 言

對地觀測及大數(shù)據(jù)融合分析是目前地球系統(tǒng)科學及地球信息科學研究中的熱點問題，有關對地目標觀測尤其是深部目標探測屬于熱點與難點問題。在這類技術中，起源于20世紀中后期的合成孔徑雷達技術(SAR:Synthetic Aperture Radar)是目前對地觀測領域中一項高新技術，其應用前景十分廣闊。由于地理及地質空間實體分布的復雜性與多樣性，使對地觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多元異構特點，造成對地觀測數(shù)據(jù)信息的多解性與疊加性，因此，地面目標的模式識別研究逐漸成為地球信息科學研究中的重要內容［1］。20世紀80年代以來，航空遙感技術在地面目標識別中取得了一定的突破，但限于遙感發(fā)射光譜的局限性，使地物目標識別精度不盡如意，其主要原因是遙感信息的穿透能力不強，加之地面目標的混成特性，對地觀測數(shù)據(jù)信息的模糊性與多解性始終存在，深部地學目標的探測更為困難［2］。在這種條件下，SAR的出現(xiàn)在一定程度上彌補了上述不足［3］。

早在20世紀70年代，美國就先后發(fā)射了名為Seasat-A、Sir-A、Sir-B［4］的SAR衛(wèi)星。歐空局也在20世紀末發(fā)射了工作在C頻段的SAR衛(wèi)星ENVISAT、ERS-1/2。而且，意大利的Cosmo-Skymed與德國的TerraSAR-X的空間分辨率也達到了1 m［5］。我國于2006年發(fā)射了名為“HJ-1C”的星載SAR系統(tǒng)，工作在S頻段，其掃描分辨率達到了20 m，條帶分辨率為5 m。

所謂合成孔徑雷達是指通過星載和機載移動平臺安裝單天線或多天線組成的一定發(fā)射波長的雷達系統(tǒng)，向地面固定目標發(fā)射雷達波譜［6］，通過吸收反射波譜的合成解算，理論上使地面目標識別孔徑得以倍增放大，從而大大提高地面目標識別的分辨率［7］。應用該技術可在相對較大的區(qū)域組建多個固定的天線系統(tǒng)，在大地測量、地理地質制圖和軍事航海等方面有著廣泛應用，尤其在對地觀測、地質空間大數(shù)據(jù)融合處理分析中具有極高的技術應用價值。筆者依照SAR系統(tǒng)的原理與特性，闡述SAR原始數(shù)據(jù)的處理，分析了SAR的幾種常用算法，并對SAR幾種技術手段進行對比，對其適用條件進行簡要評價。

1 SAR原始數(shù)據(jù)處理

1.1 合成解算原理

在合成孔徑雷達系統(tǒng)中，將接收天線安置在飛行器上;如果探測區(qū)域比較平坦，在不同距離上的不同點的回波時間將被清楚地分辨出來。由于單個小天線的解譯能力非常有限，并且擴大天線尺寸無論在飛行器的負荷還是成本上都是不可取的。

ZHUANG等［8］提出了快速BP(Back Projection)算法對飛行器接收的脈沖信號進行合成解算，即飛行器在不同地點對接收不同回波的幅值和相位進行合成，其天線的等效長度比普通天線長數(shù)十倍之多，大大提高了對反射波的接收能力。然而，這一系列的解算過程需要非常多的計算資源。在技術不發(fā)達的早期，探測完成后通常在地面基站通過傅里葉變換實現(xiàn)。如今的高性能計算機可使SAR在飛行器上實時處理，進而繪制出雷達反射成像圖。但文獻［8］所提出的合成解算當面臨大量幅值相位數(shù)據(jù)時，無法做到快速運算，因此，接收數(shù)據(jù)的實時性無法得到保證。

李德仁等［9］提出在簡單地形環(huán)境下，SAR系統(tǒng)采取舍棄相位信息，保留幅值信息(地表信息)的方案。并且SAR圖像的分辨率很大程度上取決于射頻信號使用的帶寬，在較小程度上取決于系統(tǒng)的精確度和后續(xù)處理的特殊技術。早期衛(wèi)星只能提供十米級的分辨率。最近，航空系統(tǒng)可提供達數(shù)十厘米級的分辨率，超高帶寬的系統(tǒng)可提供數(shù)毫米級的分辨率，并且在實驗室中的太赫茲(1012Hz)SAR能提供亞毫米級的分辨率［10］。但文獻［9］并沒有詳細給出高分辨率SAR系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，所以還需進一步研究與討論。

ZHANG等［11］應用成熟的高性能計算機技術將全息技術應用到SAR系統(tǒng)中。這一技術很好地填補了文獻［9］遺留的問題。文獻［11］提出一級全息干涉模型，由模擬雷達數(shù)據(jù)(1∶1 000 000，0.6 mm雷達)產(chǎn)生;然后同級別(0.6 mm)的激光穿過全息圖在一個區(qū)域產(chǎn)生投影。但應用于SAR系統(tǒng)的全息技術不僅要求高精密探測儀器，而且對技術人員的全息技術的掌握程度也有很高的要求，應用起來尚需時日。

綜上所述，對飛行器在不同位置接收的回波進行合成解算，可實現(xiàn)天線接收能力的放大。文獻［8］給出了這一基本原理，但在計算資源不夠充裕的條件下，需要采取舍棄相位信息，保留幅值信息的方案［9］，文獻［11］提出了全息干涉技術，產(chǎn)生更精確、更高分辨率的雷達系統(tǒng)。很好地解決了圖像分辨率不高的問題。因此，針對不同環(huán)境采取不同的SAR合成解算技術是一大重點，全息技術的應用將是研究的主要方向。

1.2 預處理

由于合成解算得到的原始數(shù)據(jù)無法進行下一步計算，必須把原始數(shù)據(jù)組織成計算機可識別的數(shù)據(jù)結構，因此需要對原始數(shù)據(jù)進行預處理。

李兵等［12］在對SAR系統(tǒng)進行預處理時，建立了三維元素概率模型:首先定義一個三維向量空間，向量中每個元素是一個三維元素，用來表示反射面在空間上某個位置的概率。預先給每個三維像素賦零值，再對每個捕捉到的波形和三維元素進行迭代處理。對于一個給定的波形和三維像素，即可計算出三維像素的位置與天線的距離;在圖像上則表現(xiàn)為波形上的延時。在給定波形位置的樣本值就疊加到三維像素的值中，這代表了某物體在該點產(chǎn)生回波的概率。王盛利等［13］指出如果波形的相位不能準確測出，而只獲取波形的幅值，波形也可被融入到三維元素中。如果波形的極化性和相位可精確獲取，這些值可加入到更多更復雜的三維像素中。三維像素疊加全部波形后，SAR初值處理基本完成。但文獻［12］沒有給出具體的去噪處理，得到的初值無法應用到進一步的計算中。文獻［13］給出的預處理方法雖然可快速獲取初值，但獲取的數(shù)據(jù)過于簡單，無法滿足高精度計算的要求。

范洪輝等［14］提出篩選三維元素的方法，即將那些低于幅度閾值的三維元素忽略掉。需要注意的是，閾值等級的選擇至少要比任一個信號波的峰值能量高，否則波峰將會呈現(xiàn)為錯誤的球面或橢球面。因此，為了檢測目標物體的一個點，至少需要有兩個不同的天線所接收的回波。超出閾值標準的三維像素在二維和三維圖上都可觀察到。

綜上所述，SAR雷達系統(tǒng)的預處理主要是基于三維元素概率模型，即統(tǒng)計目標在各個位置出現(xiàn)的概率。然而，在處理SAR初值時，文獻［12］和文獻［13］所給出的方法在去噪處理與高精度測量均存在一定的缺陷。雖然文獻［14］給出了篩選三維元素法去噪處理方法，對概率波進行進一步的處理，即去掉低于幅度閾值的三維元素，但其執(zhí)行效率還有待提高。因此，解算數(shù)據(jù)的預處理技術不僅要注重對原始數(shù)據(jù)的去噪處理，還要在運算速度上有所提高。

2 SAR幾種常見算法

2.1 偏振測定法

雷達波會產(chǎn)生偏振，不同物質反射不同強度的雷達波。但是，異構性的物質，如草地，經(jīng)常反射不同強度的偏振波，而且這些物質的偏振波的頻率特性也會產(chǎn)生變化。通過發(fā)射偏振混合波并用天線接收異構物質反射的一種特定偏振波，由草地等異構物質產(chǎn)生的不同圖像可收集到統(tǒng)一序列的脈沖中。Stumpfe等［15］利用3種RX-TX偏振光(HH-pol，VV-pol，VH-pol)合成SAR雷達圖像。然而對圖像結果顏色的描述需對一些已知物質進行深入探測。偏振測光法的新發(fā)展包括使用一些物體表面(草地或沙地)的隨機偏振回波的變化，對比統(tǒng)一位置不同點的兩張圖，以判斷光學系統(tǒng)察覺不到的信息。

Skriver等［16］在研究植物對SAR雷達波的偏振情況時提出了旋光法，其優(yōu)勢重點表現(xiàn)在:1)確定最穩(wěn)定的極化參數(shù)，最大限度地提高對植物類型的識別，同時盡量減少干擾的影響;2)利用旋光法強大的分類方法和測試方法對重要數(shù)據(jù)集進行識別;3)利用旋光法的時效性和通用性評估未來的SAR系統(tǒng)。

綜上所述，文獻［15］利用3種RX-TX偏振光合成的SAR雷達圖像可有效識別光學系統(tǒng)無法察覺到的信息。文獻［16］旋光法的提出不僅可提高目標體的識別率，而且在提高探測精度、識別重要數(shù)據(jù)等方面也有很強大的功能。因此，偏振測定法在SAR雷達圖像繪制和對目標體的識別方面具有重要意義。

2.2 干涉測量法與差分干涉法

干涉測量法的特點是在保留相位數(shù)據(jù)條件下，提取相位信息。如果存在兩個非常相似的地物觀測目標，則可對兩孔徑進行合成。這種技術叫做干涉合成孔徑雷達技術。

如果同時獲取兩個樣本，則雷達回波的相位信息就會包含在接收的信息中。喬書波等［17］提出將相位信息和距離信息相結合的方法，可在三維圖像上清楚地表達出SAR雷達信息。根據(jù)SAR獲取的反射率信息可提取某區(qū)域的高程信息，從而繪制出三維高程圖。在加拿大中部，機載SAR可借助干涉測量技術繪制分辨率為5 m、誤差為5 m的數(shù)字高程圖［18］。在繪制地表圖時，同時用到了干涉技術，以更全面地描述地面真實信息。

如果兩個樣本信息非同時獲取，可能是在同一個區(qū)域飛過兩架不同的飛機，則會出現(xiàn)兩個相移源:地形高度和地形運動。如果地形觀測之間有位移，則會返回一個不同的相位。這意味著，如果地形偏移幾厘米，在結果圖像上會顯示出來。

然而面臨復雜地形環(huán)境，簡單的干涉測量法無法做到快速而準確的測量，于是引入了差分干涉測量法(D-InSAR)。差分干涉測量需要至少兩個數(shù)字高程圖。數(shù)字高程圖可通過GPS技術測量生成，或只要兩次圖像獲取的時間足夠短，也可用干涉測量法獲取。原則上，3幅具有相似幾何獲取方式的地面圖像就足以進行差分干涉測量。測量地面運動的原理很簡單，從最初的兩幅圖像生成一個干涉圖，這也被稱為參考干涉圖或地形干涉圖。喬書波等［19］給出了3個圖像的D-InSAR技術應用，也叫做三通法，即從參考干涉圖中減去后者來顯示出差分條紋，以表示地形移動。在差分干涉圖上仍然以差分條紋形式表示干涉圖上一個點代替另一個點變化的結果。在差分干涉圖上，每個條紋和一個SAR波長成正比。地表的位移可被衛(wèi)星察覺為路徑差異性的增加。由于信號從SAR天線發(fā)射到目標再返回，所測量的位移即為兩倍波長的單位;這意味著差分干涉中，條紋的相位從-π到π循環(huán)出現(xiàn)，或是一個波長對應的SAR天線只有一半波長的相對位移。

劉國林等［20］對邊坡穩(wěn)定性進行分析，在山體滑坡、泥石流等自然災害中都可以使用D-InSAR技術。該技術的進一步進展是通過衛(wèi)星的上升和下降獲得差分干涉條紋，進而估測地面的3D形態(tài)。這方面的研究已經(jīng)表明，地面的移動與基于GPS的測量是可以實現(xiàn)的［21］。然而D-InSAR技術在濕度、氣壓等復雜大氣條件下會產(chǎn)生傳輸?shù)难舆t性，而且在小范圍坡度較大的陡峭山區(qū)會存在探測盲區(qū)，這也是亟待解決的問題［22］。

綜上所述，干涉測量法保留了預處理所舍棄的相位信息，可精確地繪制出地形的數(shù)字高程圖。即使兩個對比樣本未能同時獲取，繪制的干涉圖像也可清楚地表達地形信息。文獻［17］給出了簡單地形下，采用干涉測量法得到的結果。但面臨多數(shù)復雜地形時，該方法無法很好地實現(xiàn)。而文獻［19］用三通法合成差分干涉圖，文獻［20］對邊坡穩(wěn)定性進行分析，這兩種方法可以應對各種復雜地形，但無法解決在復雜天氣下產(chǎn)生的傳輸延遲以及探測盲區(qū)問題。因此，干涉測量法可以應對復雜地形解析，通過辨析上升和下降的干涉條紋，可對山體滑坡、泥石流等災害進行預報。但是，在復雜地形下的傳輸延遲和探測盲區(qū)的問題還需要進一步研究。

3 SAR的幾種技術手段

3.1 單基站與多基站執(zhí)行

對于固定天線的SAR技術，需要用多個天線捕捉回波，也叫多基站執(zhí)行。捕捉點越多，獲取的目標信息越多、越可靠。在多基站執(zhí)行提出前，大多應用所謂的“單基站執(zhí)行”方案，即通過單天線捕捉反射波。劉國祥等［23］通過移動單個天線到不同的位置獲取多個捕獲回波的孔。其優(yōu)點是:容易放置到任何位置產(chǎn)生任何數(shù)量的波形。然而，“單基站執(zhí)行”的一大難題是:飛行器飛行過程中很難獲取天線的精確位置，導致測量精確度的下降。

同樣也可在不同位置放置多個固定的天線或將其結合起來獲取多個捕獲孔。黃鈺林等［24］提出了機載雙站的多基站執(zhí)行探測模式。其優(yōu)點是:在提高精度的同時，可獲取更多不同信息，并提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。對于多基站天線，有必要將單基站和多基站雷達技術結合起來，以獲得更高的處理速度和更精準的信息。然而值得注意的是:獲取的波形必須保持同一性。當使用多基站天線時，捕捉到回波波形的數(shù)量為。其中N是天線基站數(shù)目。

盡管文獻［23］提出的“單基站執(zhí)行”具有很強的靈活性，但無法保證高精度探測的要求。然而，文獻［24］提出的機載雙站多基站執(zhí)行方案可有效解決這個問題，而且可發(fā)展提高系統(tǒng)的抗干擾性。因此，隨著計算機技術的不斷革新，多基站執(zhí)行方案將是SAR系統(tǒng)的趨勢。

3.2 超帶寬SAR

傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)發(fā)射的電磁波頻率都是在一個很窄的范圍內。而在調制過程中，窄帶通道不允許快速變化。由于接收信號的變化反映了反射波的回波時間，在調制過程中無論是緩慢變化的信號還是快速變化的信號都不能表達雷達與目標的距離。

超帶寬代表了任何使用非常寬的帶寬的電磁波，同樣也是一種容許高速調制的解決模型。雖然目前還沒有設置帶寬值，即限定哪一種信號為“超帶寬”，但只要使用了比信號帶寬寬數(shù)倍的系統(tǒng)就被稱作超帶寬系統(tǒng)［25］。典型的超帶寬系統(tǒng)使用的帶寬是其中心頻率的1/3～2/3。如中心頻率為3 GHz的系統(tǒng)的帶寬大約1 GHz［26］。

提高信號帶寬的方法有很多，即有多種方法提高帶寬調制速度。蔣廷臣等［27］提出高帶寬脈沖伸縮法。高帶寬脈沖伸縮系統(tǒng)的帶寬可隨意伸展和壓縮，而且，基于脈沖伸縮法的超帶寬系統(tǒng)與“超帶寬雷達”有更大的關聯(lián)性?；诟邘捗}沖伸縮法的雷達系統(tǒng)傳輸?shù)氖嵌堂}沖電磁能，通常只有幾個波甚至更少。當然，短脈沖是快速變化的信號，因此擁有很寬的帶寬。該方法提供了更高的精準度和分辨率。

然而，這種基于脈沖的超帶寬SAR的缺點是:對于高功率設備，傳輸?shù)哪┒穗y于設計［28］。特別在發(fā)射占空比極低且脈沖時間極短的情況下，內部電子元件必須在一瞬間施加極高的功率，以達到與傳統(tǒng)雷達相當?shù)钠骄β?。因此，基于脈沖的超帶寬SAR通常用于微瓦或毫瓦級別的元件中。經(jīng)常用于監(jiān)測小型、近端的目標區(qū)域［29］。

TANG等［30］給出分辨率為15 cm，帶寬為1 GHz，供電能量為1 m J的系統(tǒng)。由于E=Pτ，如果脈沖持續(xù)時間τ=1 ns，則P=1 MW。如此高的輸出功率普通發(fā)射雷達裝置無法實現(xiàn)。而若τ=0.1 ms，則P=100W，在降低脈沖壓縮率的同時雷達分辨率(見圖1)。其中c為電磁波速，B為信號帶寬。

綜上所述，超帶寬技術適應不同變化率的信號。文獻［27］提出的高帶寬脈沖伸縮法，可精準地捕捉快速變化的脈沖信號。然而，因為電子元件承受的瞬態(tài)功率遠超出其平均功率，這種方法對于傳輸末端要求過于苛刻，所以，超帶寬技術常用于微功耗近距離傳輸。文獻［30］給出了具體實例，得出超帶寬SAR末端傳輸采取微功耗設備的必要性。在這一情形下，超帶寬SAR技術面臨著重大的挑戰(zhàn)，同時也促進著超帶寬技術與雷達末端傳輸技術的進一步革新與發(fā)展。

圖1 兩種不同寬度脈沖所需發(fā)射功率Fig.1 Two different pulse widths desired transmitting power

4 結 語

合成孔徑雷達技術作為對地探測領域的一項先進技術具有極強的實用性;尤其在復雜與異構的地形條件下，SAR技術可實現(xiàn)高精度與快速的對地探測。而且隨著機器學習技術的發(fā)展，將SAR技術與機器學習技術相結合，可實現(xiàn)SAR系統(tǒng)的智能化與人性化。雖然合成孔徑雷達技術是一種在地質學中具有廣泛應用前景的高新技術，但仍存在若干問題:1)對SAR系統(tǒng)三維元素概率模型的優(yōu)化仍需時日; 2)如何搭建集靈活性與精確性于一體的SAR接收系統(tǒng);3)如何降低D-InSAR技術在復雜大氣環(huán)境下的延遲性以及減少探測陡峭地形下的盲區(qū);4)SAR系統(tǒng)的建立要考慮發(fā)射功率與帶寬的平衡性。

隨著SAR技術不斷的發(fā)展以及模型的優(yōu)化與創(chuàng)新，SAR技術研究的難度將越來越高，交叉學科的知識也是SAR科學工作者所必須掌握的。為了獲取更豐富、更清晰的雷達圖像數(shù)據(jù)，SAR系統(tǒng)所耗費的計算資源將會成倍增長;可以預言，隨著并行計算技術的普及，SAR數(shù)據(jù)獲取與解析速度將獲得極大的提高。同時，大功率雷達反饋技術也可在一定程度上提高SAR系統(tǒng)接收端平均功率，以達到遠距離探測的目標。

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(責任編輯:何桂華)

Survey on Synthetic Aperture Radar Technology

JIA Xinyu，LU Laijun

(College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China)

In order to give full play to the SAR(Synthetic Aperture Radar)on the deep geological target precise detection and rapid analytical advantage，to further improve the resolution of ground target recognition，based on discussing the basic principle and data analysismethod，polarization measuring，interferometry and differential interferometry for SAR technology are analyzed.The favorable and unfavorable conditions of ultra wideband SAR applications are summarized.The scope of application of this technology and the technical specification，provides a theoretical basis and technical guidance for the SAR in the digital geological science and applied in geo information science.

synthetic aperture radar(SAR);polarizationmeasuring;interferometry;differential interferometry; ultra-bandwidth SAR

TN951

A

1671-5896(2015)04-0373-07

2015-01-14

“973”國家重點基礎研究發(fā)展計劃基金資助項目(2015CB453000)

賈新宇(1989— )，男，沈陽人，吉林大學碩士研究生，主要從事數(shù)字地質科學研究，(Tel)86-18640245290(E-mail) jiaxinyu1989@163.com;路來君(1956— )，男，長春人，吉林大學教授，博士生導師，主要從事數(shù)字地質科學及地質大數(shù)據(jù)云計算研究，(Tel)86-18604403821(E-mail)lulj1956@163.com。