合成孔径雷达(SAR)作为一种新型的遥感观测技术，其主要优点是可以在各种天气条件下，甚至在夜间，透过云层和烟雾生成高分辨率图像。在Sentinel-1、RadarSat和TerraSAR上都能看到这项技术的影子。

Sentinel-1是欧洲航天局哥白尼项目中的一颗地球观测卫星。它由两颗卫星组成，携带C波段合成孔径雷达。

加拿大航天局开发的商业地球观测卫星雷达卫星于1996年正式开始工作。它工作在C波段(5.3GHz)，HH极化模式，7种波束模式和25种成像模式。

TerraSAR是由德国航空航天中心、EADSAstrium和Infoterra公司联合研制的两用雷达侦察卫星。工作在X波段(9.65GHz)，具有多极化、多入射角的特点。

本文不涉及公式。希望读者通过简单的例子对SAR成像有更好的了解。

基本-具有一般蝙蝠能力的SAR

蝙蝠在洞穴中飞行时，通常会产生50-120分贝的声波，蝙蝠可以利用回声来确定距离位置。同样的原则也适用于搜索和救援。卫星向地球发射微波脉冲，卫星会根据回波成像。

通常合成孔径雷达是从侧面观察的，也就是说观察的时候不是完全向下，而是有一定的角度。至于这样做的好处，后面会提到。

对于可以穿透云和烟雾的合成孔径雷达(SAR)来说，更长的波长可以穿透云层更好地到达地表。例如，L波段(~ 24厘米)雷达的波长比C波段(~ 6厘米)和X波段(~ 3厘米)更长。

合成孔径雷达散射的基本类型

雷达侧视使其适用于不同的地形。这里介绍合成孔径雷达的三种主要散射类型:表面散射、漫散射和双回波散射。

表面散射一般来自道路或水面。这种散射，只有雷达发出的脉冲的一小部分能量被返回。在后面的例子中，散射通常是黑色像素，其值大多小于-20dB。

农田、植被等粗糙表面引起的散射一般小于-20dB，大部分是灰度像素。

一些常见的建筑物等人造物体会有双回波散射，这类散射一般是-10dB白像素。

SAR成像图

至此，我们对合成孔径雷达有了一定的了解。下面这张雷达卫星2号拍摄的SAR图像包含了我们之前提到的几种不同的散射类型。

在这幅图中，红色箭头所指的东西向河流是表面散射，能量较低，呈暗黑色。橙色箭头指示的亮白色部分是双回波散射，可以反映一些主要的城市特征。虽然不能确定这张图中的这个物体是什么，但是它经过双回波散射后的能量值大于-10dB。黑色箭头表示的区域多为粗糙的漫散射，可能是农田、植被或草地。

合成孔径雷达应用实例

那么如何将这些SAR概念应用到现实生活中呢？除了遥感应用之外，合成孔径雷达在环境、安全和军事方面也有许多应用。

在一些搜救任务中，天气条件往往很糟糕，尤其是在发生森林火灾的情况下，烟雾会阻碍环境的能见度。SAR不会受到这些因素的影响。救援人员可以用它来搜寻地面上的人。具体来说，就是搜索地面的双回波散射。在一些被淹没的地方，可以观察到表面散射。

此外，近年来，合成孔径雷达干涉测量(InSAR)的发展也非常迅速。研究人员使用InSAR基于相位差监测地表变形。

如图所示，SAR是基于后向散射的地面特性的体现，这也是为什么海洋中的石油泄漏时，SAR被用来监测海面的原因。此外，SAR成像结果中的双回波散射区域可用于搜索在北极失踪的船只。

除此之外，微波雷达对介电常数的特性非常敏感，科学家利用合成孔径雷达研究土壤湿度。在农业上，农民可以利用这项技术知道几厘米厚土壤的湿度。研究人员还可以使用Touzi分解技术来绘制湿地地图。

在技术上更深入。

极化是指SAR天线电磁波振动的矢量方向，也就是雷达波的方向，其中电场决定了波的极化方向。合成孔径雷达的天线可以发射水平极化(H)或垂直极化(V)。

当电磁波从目标散射时，电磁波的极化状态会发生变化。当传感器接收到回波时，它测量目标的极化变化程度。它可以是h偏振的，v偏振的，或者两者都是。

对于单极化，下面列出了典型的发射和接收极化状态。

HH – 水平发射，水平接收VV – 垂直发射，垂直接收HV – 水平发射，垂直接收VH – 垂直发射，水平接收

我们可以使用像Freeman-Durden这样的分解技术来获得SAR成像中的表面散射、双回波散射和体散射。

最后

如果没有雷达方面的相关经验，这些图像可能看起来像一堆不漂亮的像素。而且一般的雷达成像是有噪声的，需要做一些平滑处理。但是通过一些分解方法和对SAR概念的一点了解，SAR成像已经成为一个有价值的工具。

别忘了，还有一些开源的遥感软件，比如Sentinel-1工具箱，可以帮你分析和可视化SAR成像。