合成孔径雷达（SAR）作为一种新兴的遥感观测技术，其主要优势在于各种天气条件下，穿过云层和烟雾，甚至是夜晚都可以生成高分辨的图像。无论是Sentinel-1，还是RadarSat和TerraSAR上，都可以看到这项技术的影子。

Sentinel-1是欧洲航天局哥白尼计划中的地球观测卫星，由两颗组成，载有C波段合成孔径雷达。

RadarSat由加拿大航天局研制，1996年正式开始工作的商业对地观测卫星，工作在C波段（5.3GHz），HH极化方式，7种波束模式，25种成像方式。

TerraSAR，德国宇航中心与EADSAstrium及Infoterra公司共同开发的军民两用雷达侦查卫星。工作在X波段（9.65GHz），具备多极化、多入射角特性。

这篇文章中，将不会涉及任何公式，希望通过简单的实例应用可以让读者读SAR成像有更好的理解。

Basic - 具备蝙蝠一般能力的SAR

当蝙蝠在洞穴中飞行的时候，一般会产生50-120dB的声波，利用回波蝙蝠就可以确定出距离位置。同样的原理也适用于SAR，卫星向地球发出微波脉冲，卫星会根据回波进行成像。

通常，合成孔径雷达是侧视观测的，也就是说观测的时候它并不是完全的正向下，而是存在着一定的角度，至于这样做的好处后面会提到。

对于可以穿过云层和烟雾的合成孔径雷达而言，较长的波长可以更好的穿透云层抵达地表，例如，L波段（~24cm）雷达比C波段（~6cm）和X波段（~3cm）的波长更长。

Basic - 合成孔径雷达散射的类型

雷达侧视使得其可以作用于不同的地形，这里对合成孔径雷达三种主要的散射类型进行介绍，表面散射，漫散射和双回波散射。

表面散射一般来自于道路或者水面，这种类型的散射，雷达发射出去的脉冲只有很少的一部分能量被返回，后面例子中关于这种散射一般都是黑色像素，其值也大都小于-20dB。

粗糙表面引起的漫散射，如农田耕地和植被等，这种散射的值一般都小于-20dB，且大多都为灰色像素。

一些常见的建筑物和其他人造物体会发生双回波散射，这种类型的散射一般为-10dB的白色像素。

SAR成像图解

到这里，我们已经对合成孔径雷达有了一定的了解，下面的这幅来自RadarSat-2的SAR成像图中包含了我们前面讲到的几种不同的散射类型。

这幅例图中，红色箭头所指的这条东西流向的河流即为表面散射，其具备的能量较低，为暗黑色。橘黄色箭头所指的亮白色部分则为双回波散射，这种散射可以体现出一些主要城市特征，虽然在这幅图中还不能确定这个物体是什么，但是其经过双回波散射后的能量值大于-10dB。而黑色箭头所指的大部分区域都是粗糙的漫散射，这些区域可能是农田，植被或者草地等。

合成孔径雷达的应用实例

那么该如何将这些SAR的概念应用于实际生活中呢？除了在遥感应用外，SAR在环境，安全和军事方面也有很多应用。

在一些搜索与营救任务中，天气条件往往比较恶劣，特别是在森林火灾发生的情况下，烟雾会阻碍环境的可见度。而SAR则不会受到这些因素的影响，救援人员可以利用他寻找地面上的求救人员，具体点，就是寻找地面上的双回波散射，在一些泛洪的地方，可以对表面散射这样类型的散射进行观测。

另外，近些年来合成孔径雷达干涉测量（InSAR）发展也十分迅速，研究人员们利用InSAR进行基于相位差异的地表形变监测等。

如图中所示的，SAR是基于后向散射的地面特性的体现，这也就是为什么海洋中的油体泄漏的时候会使用SAR去监测海面，另外，可以利用SAR成像结果中的双回波散射区域搜寻一只失联在北极的船只。

除此之外，微波雷达对于介电常数的特性十分敏感，科学家们利用这一特点使用合成孔径雷达去研究土壤湿度。在农业上，农民可以利用这一技术来了解土壤中几厘米厚土壤的湿度。研究人员们也可以利用Touzi分解技术去绘制湿地地图。

在技术上更深入一点

极化是指SAR天线电磁波振动的矢量方向，也就是发出雷达波的方向，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）或者垂直极化（V）。

当电磁波从目标出散射时，电磁波的极化状态会发生变化，当传感器接收到回波时，它测量到的是目标极化变化的程度。它可以是H极化，也可以是V极化，或者同时是H极化和V极化。

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

我们可以利用类似Freeman-Durden这样的分解技术获得SAR成像中的表面散射、双回波散射和体散射等构成。

最后

如果没有雷达方面的相关经验，这些成像图片看起来可能就是一堆并不漂亮的像素点。而且一般的雷达成像是存在噪声的，需要一定的平滑处理。但是通过一些分解方法和一点SAR概念的理解，SAR成像就成了一个极具价值的工具。

别忘了，还有一些开源遥感软件，比如Sentinel-1 toolbox等，可以帮助你分析和可视化SAR成像。