雷达遥感的发展及应用

摘要：本文主要介绍雷达遥感的基础知识，原理，极化与干涉SAR的技术发展及各类SAR数据在不同行业的应用。

Abstract: This paper introduces the basics, theory, polarization and interference SAR technology development and various SAR data applications in different industries of radar remote sensing .

关键词：雷达；SAR；InSAR；D-InSAR；极化干涉雷达（Pol-InSAR）

Key words: radar; SAR; InSAR; D-InSAR; polarization interferometry radar（Pol-InSAR）

中图分类号：TP73 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）36-0202-01

1雷达遥感原理

1.1 雷达的定义

雷达是对目标进行检测和定位的电磁设备。

1.2 雷达工作的基本原理

基于目标均反射或散射电磁波，雷达利用回波信号的时间特性探测目标的距离，利用回波信号的多普勒特性探测目标的速度，利用天线波束的方向性探测目标的角度，利用信号带宽特性或相位历史分别探测目标高分辨率距离或角度信息。

1.3 为什么要采用侧视的工作方式

雷达在“距离”向上有一个视觉，所以必须在旁边进行观测。如果垂直照射地面，那么总会有两个点具有相同的距离，轨迹的每一边各有一个，于是图像自身就会折叠，轨迹右边的点和相应左边的点就会混在一起。

1.4 电磁波极化特征及其表征

极化的定义：电磁波的电场特性被称为极化(Polarization)，它与所选择的空间坐标系是无的。通常，在垂直于传播方向的平面内的电场矢量的轨迹为一椭圆，即电磁波为椭圆极化的，在特殊情况下，表征为线极化和圆极化。极化是各种矢量波共有的一种性质。对于各种矢量波来用一个场矢量来描述空间某一个固定点所观测到的矢量自旋随时间变化的特征。

1.5 目标特性参数

几何特性：粗糙度，几何形态，方向方位，点目标，面散射，体散射。

介电特性：主要与含水量相关，也与含盐量有关。

1.6 几何特性

视角、入射角、俯角，局部入射角；

视线向、斜距（近距、远距）、距离向分辨率，地距、方位向、方位向分辨率；

透射收缩、顶底位移、阴影。

1.7 成像模式

Stripmap（条带式）：随着平台的移动，天线的指向保持不变。天线基本上均匀扫过地面，得到的图像也是不间隔的，该模式对于地面的一个条带进行成像，条带的长度仅取决于平台移动的速度，方位向的分辨率由天线的长度决定。

Spotlight（聚束式）：通过扩大感兴趣区域的天线照射波速角度，可以提高条带模式的分辨率。这一点可以通过控制天线波束指向，使其随着雷达飞过照射区而逐渐向后调整来实现。一次只能对地面的一个有限圆域进行成像。

Scan(扫描模式)：在一个合成孔径时间内，天线会沿着距离向进行多次扫描。通过这种方式，牺牲了方位向分辨率（或方位向视数）而获得了宽的测绘带宽。

2极化与干涉SAR的技术发展

2.1 SAR的概念

合成孑L径雷达（Synthetic aperture radar）是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含两方面的含义：即高的方位向分辨率，足够高的距离向分辨率。

2.2 InSAR的几何原理

由于入射角的差异使得两幅SAR图像不是完全重合，对它们进行配准处理后，配准后的图像对进行复共AVE相乘就得到了复干涉纹图(interferogram)。

2.3 常规D-InSAR测量技术

对于多数的重复轨道干涉测量来说，轨道并是完全重合，因此干涉相位信号同时包含地形信息和视线向位移信息。将去除地形信息得到目标运动速度或变形量的方法称为“SAR差分干涉测量”（DinSAR）。

2.4 极化干涉雷达(Pol-InSAR)

传统干涉SAR测量除了用于获取高精度的DEM和探测地表形变外，另外一个重要的应用就是获取与自然散射机理有关的物理参数。但是，三个因素限制了传统的单频、单极化干涉SAR在这个领域的应用：很难解决哪怕是用最简单的散射模型表示的反演问题，因为数据所能提供的独立参数太少；对干涉条纹图的正确解释有很大的困难，因为难以确定有效散射中心的位置；传统干涉SAR测量无法消除一个分辨率单元内由于散射中心高度差引起的谱去相干。

3SAR的应用

DinSAR可监测陆地表面和冰雪表面的微小（毫米级到厘米级）形变，监测的时间间隔从几天到几年，可以获取全球的、高精度、高可靠性的地表变化变化信息，能够有效益测地面沉降、火山活动、地震。

极化SAR的应用。基于不同的极化获取不同的地物特性，极化SAR可应用于农业、海冰、森林、水文等方面。如农业方面：作物估产、水文方面：土壤水分评估、积雪制图。

极化干涉SAR（Pol-InSAR）的应用：基于极化干涉SAR的优点可用于森林树高估计、植被覆盖区的DEM生成、地表土地类型分类。

4总结

雷达数据能够弥补光学影像在时间和空间上的局限。作为辅助数据源，雷达数据能够提供光学影像所不能比拟的空间特性，其所提供的地物纹理和形态信息能够更好地反映地物相关布局特性。可广泛应用于测绘及制图、农业、林业、地质、海洋。国际星载SAR发射计划重视林业相关应用；日本的ALOS PALSAR，系统接收存档SAR数据，目标是为全球碳循环研究做贡献；美国未来卫星发射计划DESDynel，InSAR+VCL，主要目标之一也是森林生物量探测；欧洲空间。

未来首选卫星发射计划BIOMASS；德国TerraSAR-X Tandem计划，干涉测量有利于森林参数定提取。极化、极化干涉、高空间和多频应用技术是未来的发展方向。

参考文献：

[1]曾清平.雷达极化技术与极化信息应用[Z].

[2]廖明生，林珲.雷达干涉测量――原理与信号处理基础[Z].