合成孔径雷达概念
合成孔径雷达原
信号处理算法
信号处理算法是合成孔径雷达的核心部分，包括 脉冲压缩、动目标检测、多普勒频率分析等。
这些算法能够提取出目标的位置、速度、形状等 信息，为后续的图像生成提供数据基础。
信号处理算法需要经过优化和改进，以提高雷达 的性能和降低计算复杂度。
应用领域
军事侦察
合成孔径雷达广泛应用于军事侦 察领域，用于获取敌方情报和监 测战场态势。
遥感监测
在环境监测、资源调查、气象观 测等领域，合成孔径雷达可用于 获取地面、海洋、气象等信息。
无人机与卫星
无人机和卫星上搭载的合成孔径 雷达可以用于地形测绘、导航定 位、灾害救援等领域。
02 合成孔径雷达系统组成
民用领域
除了军事领域，合成孔径雷达在民用领域也有广泛的应用前景。例如，在环境保护、气象观测、农业 监测、地质勘查和灾害救援等领域，合成孔径雷达可以发挥重要作用。随着技术的普及和成本的降低 ，合成孔径雷达有望在未来成为民用领域的重要工具之一。
06 合成孔径雷达应用案例
军事侦察
侦察范围
合成孔径雷达能够实现大范围、高分辨率的侦察，为军事行动提 供实时、准确的情报信息。
技术发展趋势
硬件小型化
随着微电子技术和制造工艺的进步，合成孔径雷达的硬件设备逐渐小型化，使得雷达系统更加便携和灵活，有利于广 泛应用。
信号处理智能化
随着人工智能和机器学习技术的发展，合成孔径雷达的信号处理逐渐向智能化方向发展。通过深度学习和神经网络等 算法的应用，提高雷达图像的分辨率和目标识别的准确性。
系统控制与监视
数据处理系统还负责整个雷达系统的控制和监视， 确保系统的稳定运行和性能优化。
合成孔径雷达概述(SAR)
合成孔径雷达概述1合成孔径雷达简介 (2)1.1 合成孔径雷达的概念 (2)1.2 合成孔径雷达的分类 (3)1.3 合成孔径雷达(SAR)的特点 (4)2合成孔径雷达的发展历史 (5)2.1 国外合成孔径雷达的发展历程及现状 (5)2.1.1 合成孔径雷达发展历程表 (6)2.1.2 世界各国的SAR系统 (9)2.2 我国的发展概况 (11)2.2.1 我国SAR研究历程表 (11)2.2.2 国内各单位的研究现状 (12)2.2.2.1 电子科技大学 (12)2.2.2.2 中科院电子所 (12)2.2.2.3 国防科技大学 (13)2.2.2.4 西安电子科技大学 (13)3 合成孔径雷达的应用 (13)4 合成孔径雷达的发展趋势 (14)4.1 多参数SAR系统 (15)4.2 聚束SAR (15)4.3极化干涉SAR（POLINSAR） (16)4.4合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar） (16)4.5 小型化成为星载合成孔径雷达发展的主要趋势 (17)4.6 性能技术指标不断提高 (17)4.7 多功能、多模式是未来星载SAR的主要特征 (18)4.8 雷达与可见光卫星的多星组网是主要的使用模式 (18)4.9 分布SAR成为一种很有发展潜力的星载合成孔径雷达 (18)4.10 星载合成孔径雷达的干扰与反干扰成为电子战的重要内容 (19)4.11 军用和民用卫星的界线越来越不明显 (19)5 与SAR相关技术的研究动态 (20)5.1 国内外SAR图像相干斑抑制的研究现状 (20)5.2 合成孔径雷达干扰技术的现状和发展 (20)5.3 SAR图像目标检测与识别 (22)5.4 恒虚警技术的研究现状与发展动向 (25)5.5 SAR图像变化检测方法 (27)5.6 干涉合成孔径雷达 (31)5.7 机载合成孔径雷达技术发展动态 (33)5.8 SAR图像地理编码技术的发展状况 (35)5.9 星载SAR天线方向图在轨测试的发展状况 (37)5.10 逆合成孔径雷达的发展动态 (38)5.11 干涉合成孔径雷达的发展简史与应用 (38)合成孔径雷达概述1合成孔径雷达简介合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。
第3章 合成孔径原理
一、SAR概念
ERS–1/2 SAR Antenna L: 10 m D: 1 m Altitude: 785 km, sun-synchronous orbit Ground Velocity: 6.6 km/s Look Angle: Right 17-23 (20.355 mid-swath) Slant Range: 845 km (mid-swath) Frequency: C-Band(5.3GHz, 5.6 cm) Footprint : 100 km x 5 km
奥地利，比利时，加拿大， 丹麦，法国，芬兰， 德国， 意大利，挪威，西班牙， 瑞典，瑞士，荷兰和英国
二、成像雷达的发展与现状
有效载荷：2050公斤 设计寿命：5年--10年 星上仪器数量 10 轨道： 太阳同步 轨道高度：800公里 轨道倾角 98° 单圈时间 101分钟 重复周期 35天 ENVISAT卫星－ASAR
一、SAR概念
ERS–1/2 SAR
Sampling Rate: 18.96 MHz Pulse duration: 37.1 s Sampling Duration: 300 s (5616 samples) PRF: 1700 Hz Data Rate: 105 Mb/s(5bit/sample)
二、成像雷达的发展与现状
SAR 的发展 8) 1988年和91年，使用大力神号航天飞机发射了军用 的“长曲棍球”(Lacrosse)雷达卫星。 分辨率高达1m，公开资料很少 9) 1991年和95年，欧洲空间局分别成功发射了 ERS-1和ERS-2，2000年发射了Envisat卫星 10) 1995年加拿大发射了RadarSat-1卫星，工作模式 最多，波束方式最多的雷达卫星。分辨率8m。
合成孔径雷达
合成孔径雷达合成孔径雷达就是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达，也称综合孔径雷达。
合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。
所得到的高方位分辨力相当于一个大孔径天线所能提供的方位分辨力。
合成孔径雷达可分为聚焦型和非聚焦型两类。
用在飞机上或空间飞行器上可有几种不同的工作模式,最常见的是正侧视模式,称为合成孔径侧视雷达；此外还有斜视模式、多普勒波束锐化模式和定点照射模式等。
如果雷达保持相对静止，使目标运动成像,则成为逆合成孔径雷达，也称距离-多普勒成像系统。
合成孔径雷达在军事侦察、测绘、火控、制导，以及环境遥感和资源勘探等方面有广泛用途。
合成孔径的概念始于50年代初期。
当时，美国有些科学家想突破经典分辨力的限制，提出了一些新的设想：利用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高分辨力；用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得高分辨力。
50年代末，美国研制成第一批可供军事侦察用的机载高分辨力合成孔径雷达。
60年代中期，随着遥感技术的发展，军用合成孔径雷达技术推广到民用方面，成为环境遥感的有力工具。
70年代后期，卫星载合成孔径雷达和数字成像技术取得进展。
美国于1978年发射的“海洋卫星”A号和80年代初发射的航天飞机都试验了合成孔径雷达的效果，证明了雷达图像的优越性。
合成孔径雷达工作时按一定的重复频率发、收脉冲，真实天线依次占一虚构线阵天线单元位置。
把这些单元天线接收信号的振幅与相对发射信号的相位叠加起来，便合成一个等效合成孔径天线的接收信号。
若直接把各单元信号矢量相加，则得到非聚焦合成孔径天线信号。
在信号相加之前进行相位校正，使各单元信号同相相加，得到聚焦合成孔径天线信号。
地物的反射波由合成线阵天线接收，与发射载波作相干解调，并按不同距离单元记录在照片上，然后用相干光照射照片便聚焦成像。
这一过程与全息照相相似，差别只是合成线阵天线是一维的，合成孔径雷达只在方位上与全息照相相似，故合成孔径雷达又可称为准微波全息设备。
合成孔径雷达(SAR)
3 合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）
则对任意位置y，在整个孔径时间内积分可 以得到目标在所有y位置上的信号包络. 当对雷达 载体沿直线飞行产生的二次相位误差不补偿时：
4 x 4 v t 1 (t ) 2R 2R
2
2 2 s
这时的积分处理称非聚焦处理, 否则称为聚焦 处理。
设发射信号为：
S (t ) exp( jt )
则接收信号为：
Sr (t ) exp( j (t ))
0
其中:
2r 2 R0 ( X 0 X p ) c c cR0
2
9.2 SAR回波信号特性（信号模型）
则接收信号为：
2 R0 ( X 0 X p ) Sr (t ) exp( j[t ]) c cR0
2 0
e e
4 R0 j j 0 j t
2 ( X 0 X p )2
e
R0
该信号的相位为：
1 2 3
9.2 SAR回波信号特性（信号模型）
发射信号的线性相位：
1 t
2
4 R0
与距离有关的常数相位：
雷达平台运动产生的二次相位：
x R
R
2TD vs sin
4 合成孔径原理(频率分析方法)
当φ=90 度, 多普勒滤波器的时间常数为:
TD
最终的方位分辨率为:
R
vs D
D x 2
5
SAR 基本参数
Lmax
最大聚焦合成孔径长度:
R
D
天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长度 SAR 聚焦分辨率:
合成孔径雷达概念
(From GlobeSAR program, CCRS)
Decomposition of Multiple Imaging （多次成像分解示意图）
1
3
2
4
舒宁 等 1997
Synthesis of Multiple Imaging（合成）
Objects experience illumination over a time interval
By tracing the frequency shifts and thus synthesising the corresponding echoes, the azimuth resolution can be sharpened (SAR focusing technique) （根据多普勒频移，合成相应的回波，改善方位分辨率， 称为SAR成像或聚焦过程）
, and taking considerat ion the round Inserting D R D into R trip, we get the renewed azimuth resolution D/2 R
Example: ERS-1/-2 SAR Resolution
Using range compression method:
c 3 108 Rr 20 m 6 2BR sin q 2 15.5510 sin(30 )
Azimuth Resolution（方位分辨率）
Azimuth resolution of
real aperture radar 真实孔径雷达的方位 向分辨率
Antenna length: L=10 m Typical range: R H sat / cos 23 853 km Ground range resolution:
合成孔径雷达成像原理
合成孔径雷达成像原理合成孔径雷达成像原理：1.什么是合成孔径雷达成像原理合成孔径雷达成像原理（Synthetic Aperture Radar Imaging Principle, SAR）是一种利用雷达波的时间延迟和方位变化来绘制距离低的地表和海洋以及地表以下结构的高空视觉成像技术。
SAR可以利用天空中的大型雷达天线，在宽波束角度范围内，以较高的分辨率观测大范围，并收集目标表面的反射型数据，从而生成高分辨率的图像。
2.合成孔径雷达成像原理的工作原理合成孔径雷达成像工作原理：SAR通过利用雷达信号的时间延迟和方位变化特性产生三维立体成像，具有通过黑暗和雾霾等自然环境条件下实现远距离搜索能力的能力。
其工作原理是在搜索模式下，当搜索卫星移动时，雷达发射一个固定射程和脉冲宽度的信号，在接收卫星接收反射回来的信号后，将它们不断地积累，并在特定角度上重新组合，通过特定的运算方式，从接收的延迟和方位信息中提取出最终的立体成像信息。
3.合成孔径雷达成像技术的优势（1）合成孔径雷达成像技术有效规避地形引起的多普勒距离差，可以获得极高的空间分辨率，从而使用户能够观测到精细物体。
（2）成像效果通常比正常的视觉监测方式更好，例如采用毫米波实现的极高分辨率。
（3）雷达信号非常稳定，因此可以在恶劣的气象条件下，如夜间、降雨、沙尘天气和视线有阻断，进行智能监控。
（4）合成孔径雷达具有良好的无损评估能力，可以直接观测广泛特征，如植被、水体状况、根系活动等，以进行环境指示和监测。
4.合成孔径雷达成像技术的应用（1）用于地理学应用领域：主要用于测量和映射地表特征，改善地形图以及研究地形引起的物理变化，海底特征映射，土地利用，岩溶地貌和植被的反射特性，全球变化检测等。
（2）用于航特：可以用于无人机指导，航行安全等工作，在水色监测中，可以检测海洋的水深，使用户的航行更加安全、可靠。
（3）用于监控：可以识别和定位已知的移动目标，并将移动目标的信息当成可视化的图像，以识别和定位未知的移动目标，进行导航、监测和预警，实现全天候智能监控功能。
合成孔径雷达成像技术及应用
合成孔径雷达成像技术及应用合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）是一种基于雷达技术的成像方法。
它利用了雷达回波信号的相位差异来合成一个大型的接收器孔径，从而提高雷达的分辨率和成像质量。
合成孔径雷达成像技术在军事、航空航天、地质勘探、环境监测等领域有着广泛的应用。
合成孔径雷达技术的基本原理是利用雷达发射信号与目标反射回来的信号之间的相对运动，通过对多个回波信号进行叠加处理，实现高分辨率的成像。
相对于传统雷达，合成孔径雷达不需要像传统雷达一样依赖于电磁波的波束扫描来进行探测，而是通过在距离和方位方面进行序列化的接收，使接收孔径长度远大于发射孔径长度，从而实现较高分辨率的成像。
合成孔径雷达成像的核心技术是信号处理和图像重建。
信号处理主要包括多普勒补偿、距离校正、视角效应校正等步骤。
多普勒补偿用于消除目标回波信号因相对速度引起的频率偏移，距离校正用于纠正由于平台高度变化引起的距离偏差，视角效应校正用于补偿因角度变化所引起的干涉效应。
经过信号处理后，可以得到目标回波信号的相位信息和强度信息。
在图像重建中，采用了一种被称为反向合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar，简称ISAR）的技术。
ISAR通过将雷达回波信号变换到频域，然后应用逆变换恢复成时域信号，从而实现图像的重建。
ISAR技术主要依赖于高分辨率的目标运动，通过目标在回波信号中的频率调制提供有关目标的细节信息。
通过对多个回波信号进行叠加和相位编码，可以获得高分辨率的目标图像。
合成孔径雷达成像技术具有许多优点。
首先，它可以实现在任意天气条件下对地面目标进行成像，不受光线、云层等地气条件的影响。
其次，合成孔径雷达可以产生高分辨率的成像结果，对于目标进行细节分析和精确定位具有重要意义。
此外，合成孔径雷达还可以实现夜间成像和全天候监测，具有广泛的应用前景。
合成孔径雷达成像技术在军事领域有着重要的应用。
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(Courtesy: CCRS)
(Courtesy: CCRS)
For ERS-1/2, a 10m antenna is used to synthesize a nearly 5 km antenna. About 1000 radar images are used to get one SAR image.
c 3 ×108 Rr = = = 20 m 6 o 2 BR sin θ 2 × 15.55 × 10 sin(30 )
Azimuth Resolution（方位分辨率）
Azimuth resolution of real aperture radar 真实孔径雷达的方位 向分辨率
Rβ = Rλ / D where R −Slant range λ − wavelength D − length of physical antenna Exam of ERS1/2： ple
Based on the principle of Doppler frequency shift caused by the relative movement between the antenna and the target（依据多普勒频移原理）
By tracing the frequency shifts and thus synthesising the corresponding echoes, the azimuth resolution can be sharpened (SAR focusing technique) （根据多普勒频移，合成相应的回波，改善方位分辨率， 称为SAR成像或聚焦过程）
Rλ = 853000 × 0.056 / 10 ≈ 5 km D D ′ Rβ = = 10 / 2 = 5 m 2 Rβ =
Real Aperture Radar
Synthetic Aperture Radar
(Crimea, Ukraine)
5x14 km pixels
Massonnet and Feigl, 1998
4x20 m pixels
~The End~
Thank you!
Renewed Azimuth Resolution (更新的方位分辨率)
Synthetic aperture radar（合成孔径雷达）
′ Rβ = Rλ / D′ where R − slant range
λ − wavelength
D′ − length of synthesize d antenna , generally D′ = Rβ = Rλ D
θ
D
R
Rβ
R ≈ 800 km , λ = 0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ056m , D =10m, ⇒ Rβ ~ 4.5 km !! !
SAR（合成孔径雷达）
Through the moving of antenna along a line, image a scene for a number of times。通过沿着一条直线移动天 times。 线，对同一地物多次成像 Synthesize the multiple imaging data of a scene to one image。 image。把同一地物的多次成像合成为一幅图像 Equivalent to “enlarge” the antenna, forming a very long antenna and thus improving the azimuth resolution 等效 于增大天线，形成一根很长的天线， 于增大天线，形成一根很长的天线，从而改善分辨率
D
τ p − length of pulse
θ
Range（距离） Range（距离）
Rr = cτ p /(2sin θ ) where c − velocity of light
R
τ p − length of pulse
Rr
Range Resolution （距离分辨率）
When using pulse compression technique 脉冲压缩技术
Sketch Map（示意图）
(From GlobeSAR program, CCRS)
Decomposition of Multiple Imaging （多次成像分解示意图）
1
3
2
4
舒宁 等 1997
Synthesis of Multiple Imaging（合成）
Objects experience illumination over a time interval Record and save the complete history of reflections （记录和保 存了完整回波信号） Permits reconstruction of the reflected signals （反射信号重建）
D
c Rr = 2 BR sin θ
θ
R
BR : Chirp bandwidth
Rr
Example: Pulse length = 0.1 milli-seconds, look angle = 30o R’r = 0.1 x 10-3 x 3 x 108/2 = 15 km Rr = R’r/sin(30o) = 30 km Using range compression method:
Azimuth resolution（方位向分辨率）
-- Azimuth resolution is determined by the beam width（波束宽度）；波束越短，分辨率越高.
Range Resolution（距离分辨率）
Slant range（斜距） range（斜距）
′ Rr = cτ p / 2 where c − velocity of light
Antenna length: L=10 m Typical range: R = Hsat / cos 23o = 853 km Ground range resolution:
c 3×108 Rr = = = 25 m 6 o 2BR sin θ 2×15.55×10 sin 23 ) (
Azimuth resolution:
第二章. Concept of SAR（合成 孔径雷达概念）
Radar Resolution（分辨率）
Range resolution（距离向分辨率）
--Range resolution is dependent on the length of the pulse(脉冲长度); 脉冲越短，分辨率越高。
′ Inserting D′ = Rλ D into Rβ , and taking considerat ion the round trip, we get the renewed azim resolution uth ′ Rβ = D/ 2
Example: ERS-1/-2 SAR Resolution