SAR 成像技術在高分三號衛星的應用

王向春

（廈門精圖信息技術有限公司，福建 廈門361008）

1 概述

SAR 即合成孔徑雷達，有聚焦和非聚焦兩種，聚焦SAR 的分辨率高，適合應用在大面積和遠距離的影像采集，但是其設備結構復雜且研發難度高；非聚焦SAR 的分辨率與其波長和目標距離成正比例關系，設備結構相對簡單。自上世紀八十年代，國內外就已經對SAR 成像技術進行研究，2000年后隨著多個國家的SAR 衛星升空后，國內外涌現出SAR 成像的多種新型技術和方法。

我國高分三號衛星在2016年升空，是首顆分辨率達到1m 的SAR 衛星。因為SAR 具備不受光照和惡劣天氣影響的優勢，多被用作地表災害監測用途。高分辨使得影像中可獲取的地表目標物體的結構和形狀特征數據會更多，但是對于多次散射和疊影的影像，可獲取的數據精度仍難有待提高[1-2]。國外學者提出將壓縮感知理論應用在合成孔徑雷達成像技術中，通過論證分析獲知該方法應用下影像分辨率獲得顯著提升[3]。作者團隊所在的廈門精圖信息技術有限公司，從2009年開始，就參與了多個國家發改委衛星產業化重大專項，技術內容涵蓋了衛星遙感、衛星導航、衛星通信等多個方面。

2 SAR 信號模型

SAR 信號由距離信號和方位信號組成，在SAR 距離信號的距離脈沖為：

式子（1）中Tr為脈沖時間，Kr為距離向調頻，f0為中心頻率，τ 為參考原點。反射波能量為地面反射系統δr和距離脈沖的乘積，如式子（2）所示：

假設目標距離雷達距離為R0，空氣散射系數為σ0，幅度為A，那么式子（2）中的δr=A×（τ-（2R0÷c）），其中c為光速，（2R0÷c）為信號延遲，所以該目標的接收信號為：

式子（3）中? 為信號相位改變，由于SAR 天線在方位上沒有加權，所以方向信號可以近似為sinc 函數：

式子（4）中θ 為測距平面與視線夾角，βbw=0.886θλ÷Lα，Lα為方位天線長度。雷達波束在發射和返回過程中，接收信號強度為式子（4）的平方獲得，方位時間η 的函數為：

式子（5）中θ 與方位時間的關系為sinθ=-（Vη÷Rη），那么監測目標的接收信號：

式子（7）中復常數A0=Aexp（jθ）。

SAR 利用天線和監測目標之間的相對移動，將合成孔徑原理應用在雷達成像設備設計中，解決高分辨率中天線與波長之間的矛盾，在遙感影像獲取應用中具有巨大潛力。

3 SAR 成像方法

SAR 的成像參考坐標系分為x 軸的方位向，y 軸的地距，z 軸的高度向，另外還包括層析向s 和斜距向r，如圖1 所示。SAR 復數影像中的每個像素都是散射信號沿高程的積分[4]。

圖1 SAR 成像坐標原理圖

與傳感器斜距相同的多個地表監測目標，形成像素的復數觀測值，在建筑物密集且高度相似的城市中尤為常見。因為當前SAR 的分辨率已經達到米級，假如通過SAR 層析成像，那么高程向的分辨率即可獲得求解。利用相同軌道并且從相近位置點進行采集的影像，通過SAR層析技術將不同的散射體進行分離。

在SAR 復數影像的數據庫中，第n個像素的復數值為：

式子（8）中[-δmax，δmax]為信號分布范圍，ξn為空間采樣間隔，由ξn=-2bn÷（λ·r）計算獲得，經過L 次離散采樣，那么式子（8）離散為：

式子（9）中G 為第N個像素的復數觀測值，K 為N×L 階矩陣，γ 為離散采樣，ε 為噪聲。式子（9）的計算方法可以用頻譜估算法，將信號獲取算法應用到SAR 成像領域。

4 SAR 成像應用

經過了十多年的快速發展，我國已經形成了國產高分辨率觀測體系，包括高分一號、高分二號、高分三號雷達衛星、高分四號靜止軌道衛星、高分五號高光譜衛星、高分六號、高分七號、環境系列衛星、天繪衛星、實踐九號、資源系列衛星、高景一號衛星等[5]，其中高分三號衛星應用了SAR 成像技術。

高分三號衛星的SAR 具有十二種成像模式，不僅涵蓋了條帶和掃描功能，并且在全球觀測、聚束、波浪和高低入射角等多種模式的切換，具備一星多用的效果。高分三號衛星的空間分辨率從1米到500米，是C 頻段分辨率最高的衛星系統。高分三號衛星的SAR 幅寬從10 公里到650公里，能夠承擔大范圍普查的任務，陸地上的街道及海洋中的船艦，均能夠在影像中清晰的分辨。由于SAR 的特殊成像優勢，高分三號衛星在獲取影像時不受惡劣天氣的影響，成為高分專項工程中執行全天候全天時觀測任務的核心衛星，為防災減災和水利氣象等多個領域的工程提供基礎觀測數據。（圖2）

圖2 SAR 影像示例圖

5 結束語

高分辨率和高識別能力是當前SAR 成像技術的熱點和趨勢，SAR 在地表目標監測影像分析中的多維特征解析方面具有獨到的優勢。建立合適的SAR 信號模型可以使影像獲得精細分析，并作為未來影像自動解析的基礎。通過SAR 成像技術在高分三號衛星上的應用，可獲知多影重疊是SAR 影像分析的難點。構建高分辨率SAR散射模型，有利于明確SAR 目標散射特征的形成機制。未來借助多角度視向和光學遙感數據，可以進一步改善SAR 成像效果，推動高分系列衛星在目標監測中的應用。