合成孔徑雷達( SAR) 是一種高分辨率成像雷達，可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學照相的高分辨雷達圖像。利用雷達與目標的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用數據處理的方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達，也稱綜合孔徑雷達。合成孔徑雷達通常裝在飛機或衛星上，分為機載和星載兩種。本文主要對合成孔徑雷達的發展歷史進行介紹，不過多介紹其組成原理。

合成孔徑雷達

合成孔徑雷達的產生

1951年6月美國古德依爾宇航公司的威利首先提出最初的頻率分析的方法改善雷達的角分辨力，他將其稱為多譜勒波束銳化。機載脈沖多普勒雷達利用多普勒效應通過信號處理提高方位分辨力的工作模式。與此同時，伊里諾斯大學控制系統實驗室的一個研究小組采用相干機載側視面雷達數據，研究運動目標檢測技術。1952年，C. W. Shervin第一次提出了采用相位校正的全聚焦陣列概念，另外他還提出了運動補償概念。那么什么是運動補償呢？

雷達采集信號傳入成像系統，成像系統向運動補償系統發送申請信號,運動補償系統通過對申請信號進行精確授時而獲得雷達成像數據的起止時間信息,實現運動補償系統和成像系統之間的同步,在雷達成像數據截止時刻將相應的運動補償數據提供給成像系統,實現實時運動補償,以提高成像的質量。正是這些新思想最終促進了合成孔徑雷達的發展。最終于1953年獲得第一幅SAR圖像，1957年美國密歇根大學雷達和光學實驗室研制的SAR系統獲得第一張全聚焦的SAR圖像。

（圖像對比）

（我國第一副SAR圖像）

SAR是主動式側視雷達系統，且成像幾何屬于斜距投影類型。因此SAR圖像與光學圖像在成像機理、幾何特征、輻射特征等方面都有較大的區別。第一，目前高分辨 SAR 系統的分辨率已經可以達到厘米級，能夠清晰的對大型戰術目標如坦克、裝甲車等進行清晰的成像，有效的幫助軍事人員對目標進行判讀；第二，SAR 使用主動微波成像，有一定的穿透作用，能夠有效探測各種偽裝下目標；第三，SAR 具有全天時全天候的工作特點，適合在各種惡劣的戰場條件下完成偵查任務。

合成孔徑雷達的發展

1958年，美國密執安大學(University of Michigan)的雷達和光學實驗室在L. J. Cutrona的領導下，用他們研制的雷達進行飛行試驗，用光學相關器件將相干雷達視頻信號變成了高分辨的圖像。20世紀60年代，合成孔徑成像技術由于受到技術水平的限制，SAR仍采用光學處理，但在處理方法上提出了一種新的極坐標存儲格式。該方法可以有效地減緩由于回波信號在距離維的移動超過距離分辨單元造成的問題。在1967年Greenberg首先提出在衛星上安裝SAR的設想。由于衛星飛行高度高測繪帶寬，可以大面積成像等優點，科學家開始著手進行航天飛機、衛星等作為載體的空載SAR的研究，并取得了巨大進展。直到60年代末、70年代初，美國宇航局NASA主持了一些民用SAR系統的研制，主要研究單位是密西根環境研究所(Environmental Research Institute of Michigan, ERIM)和噴氣動力實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)。20世紀70年代美國密歇根環境研究所（ERMI）和國家航空航天局噴氣推進實驗室（JPL）研制出1.25GHz和9GHz多極化合成孔徑雷達。1972年JPL進行了L波段星載SAR的機載校飛。1975年，NASA將SAR作為Seasat任務的一部分。由于SAR在Seasat任務中的突出表現，使得星載SAR得到高度重視，成為合成孔徑雷達的一個重要發展方向。

1978年5月美國宇航局(NASA)成功地發射了全球第一顆裝載了空間合成孔徑雷達的人造地球衛星(Seasat-a) ，對地球表面1億平方公里的面積進行了測繪。Seasat衛星的高度約800公里，工作波段為L波段，測繪帶寬為100公里。Seasat衛星具有很大的全球覆蓋率，轉發了不同地形特征的SAR數據，獲得了大量過去未曾有過的信息，引起了科學家們的極大重視。標志著星載SAR己成功進入了太空時代。從此之后世界各國均接連向太空發射不同的搭載合成孔徑雷達的航天器。

其中最引起轟動的是1981年11月12日美國“哥倫比亞”號航天飛機，其搭載SIR-A雷達影像上成功觀測到撒哈拉沙漠的地下古河道，顯示了SAR具有穿透地表的能力，引起國際科技界的震動。隨著不斷的發展歐美發達國家已經實現了多頻段(可能有4個)、多極化的星載成像雷達。目前合成孔徑雷達分辨率己經達到0.lm 數量級，并且可以進行長期觀測。

（哥倫比亞”號）

合成孔徑雷達的發展趨勢

物理實體優化

為了使星載合成孔徑雷達獲得更大的發展和廣泛的應用．必須降低合成孔徑雷達的體 積、重量、功耗和成本．實現合成孔徑雷達的天線、電子設備的小型化。有了小型化、低 成本合成孔徑雷達的基礎，才有可能采用多顆SAR衛星組成衛星星座，提高星載合成孔 徑雷達的時間分辨率。美國已經提出一個稱為“監視、目標指引和偵察衛星星座”的小衛星戰術偵察系統方案，采用37顆衛星組網，重訪周期只有8 min。

SAR的干擾、抗干擾

合成孔徑雷達的對抗由兩方面組成：合成孑L徑雷達干擾；合成孔徑雷達抗干擾。SAR的干擾和抗干擾技術的基礎是SAR的信號處理，目前尚處于前期研究階段。隨著SAR在軍事用途中發揮作用的加強，對SAR的干擾和抗干擾的研究會得到更多的重視。

超寬帶合成孔徑雷達

超寬帶合成孔徑雷達(UWB SAR)可實現高分辨力成像，近年來得到了迅速發展。林肯實驗室研制的UHF SAR頻帶為200～400 MHz，研制該雷達是為檢測在掩體內或埋地不深的物體。雷達重頻為200 MHz，水平極化，在1995年10月的試驗中，該雷達能明顯探測到隱蔽在掩體內的軍用車輛。海灣戰爭以來，美研制FoPEN SAR和GPEN等超寬帶系統，并于1992年前后進行系統實驗，取得了一系列的成果，驗證了UHF／VHF UWB SAR良好的穿透力和精細成像的能力，促進了超寬帶合成孔徑雷達技術的發展。

定標技術

SAR定標的根本目標就是確定SAR圖像中的灰度值與地物后向散射系數的精確關系。隨著SAR技術的發展，定標技術已成為新一代SAR系統必不可少的組成部分，廣泛應用于機載SAR和星載SAR以生產SAR的精密定量產品。SAR定標技術是實現SAR對地定量觀測的關鍵技術。

我國的發展狀況

我國星載 SAR 的研制工作起步于上世紀九十年代初，先后進 行了“863”項目和“星載 SAR 海洋應用研究”等課題的研究。同時，中國科學院電子學研究所、中國電子科技集團公司第 38 研究所和中國空間技術研究院等多家單位也在積極進行 SAR 系統的研制。這些工作極大地推動了我國星載 SAR 衛星遙感的發展。天繪-2 號衛星于 2019 年 4 月 30 日成功發射，是 我國首個基于干涉合成孔徑雷達技術的微波測繪衛星系統 。該系統工作于 X 頻段，處于 500 km 的 太陽同步軌道，由兩顆對等的衛星組成，采用異軌 道面衛星編隊、一發雙收雷達收發模式的技術體 制，可以快速測制全球數字表面模型和雷達正射影 像。天繪-2 號在國際上首次采用雙頻成像技術解 決干涉相位絕對模糊問題，徹底擺脫了對地面控制數據的依賴。

識別偽裝和穿透掩蓋物的能力，但其圖像確不夠只管，解譯十分困難。

（1）SAR圖像整體特點

1、SAR圖像是斜距圖像，方位向和距離向分辨率不一致（距離向分辨率較高，例如2m*3m），斜距圖像上近距離被壓縮（光學圖像是遠距離被壓縮）。

2、SAR圖像特有的幾何特點（如透視、收縮、倒置、盲區、斜距顯示的圖像近距離壓縮等）加大了SAR圖像解譯難度。

3、SAR圖像固有的相干斑噪聲使得目標邊緣模糊、清晰度下降，也造成SAR圖像解譯采用完全不同的方法。

4、俯仰角度和方位角變化時，SAR圖像會表現出較大的差異。需要結合具體的觀測參數對SAR圖像進行判讀。

5、存在多次反射效應、虛假現象、多普勒頻移等。以上使得SAR圖像解譯非常困難。

（2）斜距投影-近距被壓縮

在距離向上，離SAR越近，變形就越大，這跟光學遙感圖像剛好相反。距離向分為兩種投影∶·斜距（Slant range）∶ 雷達到目標的距離方向，雷達探測斜距方向的回波信號。

·地距（Ground range）∶ 將斜距投影到地球表面，是地面物體間的真實距離。

地面上相同大小的地塊，A/B/C在斜距和地距的投影，A距離雷達較近，在斜距圖像上卻被壓縮了，這種失真就是近距壓縮。

雷達圖像距離壓縮規律

1、距離壓縮是斜距成像的雷達影像在距離向呈圖像壓縮的幾何失真現象;

2、由于距離向目標當地入射角處處不相等，所以在距離向目標分辨率處處不同;

3、靠近星下點的目標成像壓縮現象嚴重，遠離星下點的目標壓縮現象較輕微;

4、如果對山地成像，即便地距顯示也不能保證圖像無幾何形變。換言之，山地必有幾何形變。

隨著距離的增加，在地形坡度為常數時入射角也會相應變大

透視收縮也稱"前縮"，起伏地形的雷達影像山坡長度的按比例計算后總比實際長度要短。主要是面向雷達波束的斜面投影到斜距平面時斜面的壓縮，歸根結底還是距離壓縮現象。

當雷達波束到斜坡的頂部、中部和底部的斜距分別為R、Ry、和Rg，由于R產>Rw>RB，雷達波束先照射到坡底，然后才照射到坡頂，坡底先成像，坡頂后成像，該斜坡的斜距顯示在圖像上的距離為△R，△R，顯然小于實際坡長L。因此，斜坡的長度在圖像上被縮短了。

斜坡面與雷達入射方向正交（局部入射角為0）時，透視收縮最嚴重。如圖所示，Rr=Rw=Rg，坡頂，坡腰和坡底成像為同一點。

圖像上前坡總是比后坡距離壓縮明顯，透視收縮表明較大的回波面積集中體現在較小的圖像區域，在強度圖像上，前坡比后坡明亮。根據透視收縮現象可以判斷雷達觀測方向和坡高等信息。

SAR主要工作模式

5.1 成像與強度應用

影像成像與強度應用是SAR影像的基本工作模式，單幅SAR影像數據主要是應用于地物分類以及目標識別，強度特征則是SAR影像最主要的特征之一，基于SAR強度影像可以提取地物信息。SAR可以根據物體的物理化學性質差異，辨別各種地形、地貌特征，對于地質領域的填圖以及地震帶的確認工作有較大幫助。在目標識別上，SAR 可進行海上的船舶監測和識別、溢油探測、陸地車輛等移動目標監測。地面慢速運動目標的檢測與成像也是SAR衛星影像的國防之一。通過建筑物的疊掩和陰影，SAR可以對建筑物的三維信息進行提取，并在一些突發地災后對建筑損毀狀況、滑坡、堰塞湖等進行受災前后的對比評估。SAR還可以結合高程數據進行精確的坐標定位。

條帶成像（StripMap SAR）：條帶成像工作模式是指隨著SAR衛星的移動，天線保持相對固定的方向與位置。天線通過相對均勻的速度掃過地面，信號傳輸速率等于脈沖重復頻率（PRF），以此得到不間斷的圖像和較高的方位角分辨率。該模式的成像結果會呈現條帶狀，條帶的長度取決于雷達移動的距離，方位向分辨率由天線長度決定。

掃描成像（Scan SAR）：掃描模式與條帶模式的不同在于，在一個工作周期內，天線波束會沿著距離向進行多次掃描。這種方式犧牲了方位向分辨率，但覆蓋區域比聚束和條帶模式要大得多。然而，由于方位向的帶寬降低，方位角分辨率遠低于條帶成像模式。

聚束成像（SpotLight SAR）：聚束模式主要針對特定用戶較感興趣的范圍，通過擴大天線照射波束角寬，使目標在波束內保持更長時間，從而提高條帶模式的分辨率。實現原理是在SAR衛星飛行過程中，將天線波束指向向后調整，在短時間內模擬出一個較寬的天線波束。但衛星在太空軌道中一直保持相對運動，天線波束向后的調整范圍有限，因此只能在有限區域成像。同時，由于天線波束在結束特定區域觀察后需要回調向前，因此聚束模式無法做到連續采集影像，無法保證影響到連續性。聚束模式犧牲了影像的覆蓋范圍，但針對特定興趣目標可以提供更高方位角分辨率的影像。聚束模式的產品也是幾種工作模式中最貴的一種。

5.2 干涉（InSAR）

如果只有單幅SAR衛星影像，那么用戶沒辦法知道地面物體到SAR衛星之間的距離。為了獲取更多的信息，干涉測量（InSAR）成為了SAR技術最重要的分支之一。其原理在于對同一目標進行兩次以上的觀測，并進行相干處理，利用干涉相位反演，測量出地表的微小移動或地面高程信息。InSAR初期主要利用相位高程信息進行數字高程模型（DEM）的生成和制圖。隨著技術的演進，InSAR應用擴展到了地面沉降監測、地震形變場反演、山體滑坡、火山活動監測、監測建筑物和橋梁等基礎設施的穩定性方面，可以捕捉到毫米至厘米級的地表形變信息。

InSAR是SAR最重要技術路徑之一。如果不能做InSAR，相當于失去了SAR衛星影像一半的信息。眾所周知，衛星在太空中一直圍繞著地球在運動。然而如果要進行InSAR測量，必須保證影像多次拍攝的位置和角度不能相差太遠，其所對應的就是基線、共同頻譜和天線傾斜角度。拍攝兩張SAR影像的時間周期內，衛星的位置必須被控制在一個范圍，通常需要在數百米內。同時，天線的姿態和角度必須相同，才能產生共同頻譜。因此，軌道控制是SAR衛星實現InSAR最重要的方式。InSAR的定量化精準度與系統的敏感度密切相關。行業內檢驗一顆SAR衛星的質量，會將其是否能做InSAR處理作為核心的考核指標。

軌道控制需要消耗能源，攜帶能源的數量直接取決于衛星的體積。因此，過往InSAR技術只有國家級別的研究機構和大型航天器才能實現，例如1230kg的TerrSAR-X和2200kg的哨兵一號。當芬蘭小衛星企業ICEYE在2020年5月發布兩張干涉圖樣張時，業內普遍感到震驚。ICEYE的小衛星重量不到100kg，如果能以如此小的衛星重量，通過18天的重訪周期實現InSAR，對小衛星行業的發展將具有跨時代的意義。但從業者認為，ICEYE目前發布的是高頻監視圖像，并非InSAR模式，小衛星的InSAR數據獲取能力尚不成熟。當前，行業內也在密切中國的民營小衛星企業，哪一家能解決小衛星姿軌控問題，率先推出穩定的InSAR服務。

InSAR技術雖然作為SAR應用領域的重要分支，但其本質是為其他行業提供信息和服務。因此，要將InSAR技術落地成具體的服務，還需要深入了解地球物理、土木、工程、油氣、地質災害等行業的知識，才能將InSAR的測量結果轉化成其他行業所需的關鍵信息。InSAR有兩個方面主要特長，一個是在廣域空間背景下普查識別正在變形的疑似災害體，另一個是中長時間尺度對已確認為災害隱患的目標進行重復連續監測。然而，受限于相位測量的局限性，InSAR依然難以達不到地面GNSS觀測手段的高效性，也做不到短時間內的預警，因此仍需要其他觀測手段進行輔助。

5.3 極化(Pol-SAR)

極化是電磁波的本質屬性之一，是除頻率、幅度、相位之外的又一維重要信息。當SAR衛星向地面發射信號時，同一目標在不同方向的電磁場振動下會產生不同的回波信號，這就是極化(Pol-SAR)。極化測量可以大大提高成像雷達對目標各種信息的獲取能力。不同地物對極化的響應能力不同，利用不同極化的電磁波對地物進行觀測，能夠得到更加豐富的地物信息。極化的方式主要就兩個，分別是水平極化（H）和垂直極化（V）。水平極化是指SAR衛星發射信號時，其無線電波的振動方向是水平方向。垂直極化是指SAR衛星發射信號時，其無線電波的振動方向是垂直方向。使用H和V線性極化的雷達系統可以具有常見的四個雙極化通道（HH、VV、HV、VH），分別表示發送和接收極化信號的方式。

全極化技術難度最高，要求同時發射H和V，也就是提供HH、HV、VH和VV四種極化方式。全極化SAR不僅可以提供四種極化的強度影像，還可以通過目標極化分解得到表征目標散射或幾何結構信息的極化特征，進一步增強地物信息提取能力。

雷達極化已經發展成為一種比較成熟的技術，在農業（分辨不同的農作物耕地）、森林（植被高度、衰減系數等生物量的估計、物種識別）、地質（地質結構描述）、水文（表面粗糙度和土壤濕度估計、雪濕度估計）、海冰監測（冰齡和厚度估計）和海洋學（波特性估計，熱和波前探測）等很大范圍內都得到廣泛的研究和應用。

全球民用雷達行業市場發展現狀

根據Grandview Research的數據顯示，全球雷達市場規模呈現逐年上升趨勢，到2020年全球雷達市場規模達到了314億美元左右，較2014年的253.8億美元上升了23.72%。根據Grandview Research的數據顯示，2020年全球軍用雷達的市場占比約為61.1%；因此前瞻根據Grandview Research的數據并按照全球軍民用市場的變化進行調整，從而測算出2014-2020年全球軍民用雷達市場規模。整體來看，全球雷達市場仍以軍用雷達為主，但民用雷達的市場份額正在逐漸侵占軍用雷達的市場份額。2020年，全球民用雷達的市場規模約為122億美元左右。

行業格局：北美地區引領全球民用雷達行業

由于北美和歐洲的雷達產業起步較早，發展較為迅速，兩個地區合計市場份額約占全球的60%。而亞太地區近年來發展迅速，在2019年的市場份額約為30%，已經超過了歐洲地區。

根據MarketsandMarkets的數據顯示，北美是全球民用雷達最大的區域市場，達到了40%；但亞洲地區是增速最快的地區，在未來5年內將不斷加近與北美的差距。

在全球方面，民用雷達行業主要由國際傳統民用雷達領先公司和國際新興民用雷達領先公司構成；其中，國際傳統民用雷達領先公司主要以美國雷神公司、意大利Selex ES公司、法國泰雷茲集團Thales等企業為龍頭，而國際新興民用雷達領先公司則是以美國Metawave公司、美國Uhnder公司、以色列Vayyar公司等為龍頭企業。

全球民用雷達主要企業競爭格局

亞太地區：已超過歐洲成為全球第二大市場

隨著發展中國家近年來的崛起，基建的建設、進出口貿易的火熱以及中小企業的蓬勃發展，民用雷達行業的發展將會處于一個高速發展階段；特別是投資回報率的攀升更加帶動了亞太地區民用雷達行業的快速發展。

根據Grandview Research的資料顯示，近年來亞太地區民用雷達市場快速發展，與北美地區的差距呈現逐漸變小的趨勢。根據MarketsandMarkets的數據，2019年亞太地區的民用雷達市場規模約占全球的30%左右；

前瞻根據亞太地區民用雷達市場的發展測算出2014-2020年亞太地區民用雷達市場規模。2020年，亞太地區民用雷達市場的市場規模約為37.7億美元左右。

根據Grandview Research的資料顯示，2020-2027年亞太地區將會CAGR5.6%的速度攀升。前瞻根據亞太地區民用雷達市場的發展預測出2021-2026年亞太地區民用雷達的市場規模，2026年亞太地區民用雷達市場規模約為52億美元左右。