合成孔徑雷達(dá)技術(shù)研究綜述

賈新宇，路來(lái)君

(吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130061)

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)研究綜述

賈新宇，路來(lái)君

(吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春130061)

為發(fā)揮合成孔徑雷達(dá)(SAR:Synthetic Aperture Radar)對(duì)深部地質(zhì)目標(biāo)精確探測(cè)與快速解析的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高地面目標(biāo)識(shí)別的分辯率，在討論基本原理及其數(shù)據(jù)解析方法的基礎(chǔ)上，對(duì)SAR技術(shù)的偏振測(cè)定法、干涉測(cè)量法和差分干涉法進(jìn)行了分析;給出了超帶寬SAR應(yīng)用的有利與不利條件;總結(jié)了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍及技術(shù)規(guī)范，為SAR在數(shù)字地質(zhì)科學(xué)以及地球信息科學(xué)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)指導(dǎo)。

合成孔徑雷達(dá);偏振測(cè)定法;干涉測(cè)量法;差分干涉法;超帶寬SAR

0 引 言

對(duì)地觀測(cè)及大數(shù)據(jù)融合分析是目前地球系統(tǒng)科學(xué)及地球信息科學(xué)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題，有關(guān)對(duì)地目標(biāo)觀測(cè)尤其是深部目標(biāo)探測(cè)屬于熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。在這類(lèi)技術(shù)中，起源于20世紀(jì)中后期的合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(SAR:Synthetic Aperture Radar)是目前對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域中一項(xiàng)高新技術(shù)，其應(yīng)用前景十分廣闊。由于地理及地質(zhì)空間實(shí)體分布的復(fù)雜性與多樣性，使對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多元異構(gòu)特點(diǎn)，造成對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)信息的多解性與疊加性，因此，地面目標(biāo)的模式識(shí)別研究逐漸成為地球信息科學(xué)研究中的重要內(nèi)容［1］。20世紀(jì)80年代以來(lái)，航空遙感技術(shù)在地面目標(biāo)識(shí)別中取得了一定的突破，但限于遙感發(fā)射光譜的局限性，使地物目標(biāo)識(shí)別精度不盡如意，其主要原因是遙感信息的穿透能力不強(qiáng)，加之地面目標(biāo)的混成特性，對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)信息的模糊性與多解性始終存在，深部地學(xué)目標(biāo)的探測(cè)更為困難［2］。在這種條件下，SAR的出現(xiàn)在一定程度上彌補(bǔ)了上述不足［3］。

早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)就先后發(fā)射了名為Seasat-A、Sir-A、Sir-B［4］的SAR衛(wèi)星。歐空局也在20世紀(jì)末發(fā)射了工作在C頻段的SAR衛(wèi)星ENVISAT、ERS-1/2。而且，意大利的Cosmo-Skymed與德國(guó)的TerraSAR-X的空間分辨率也達(dá)到了1 m［5］。我國(guó)于2006年發(fā)射了名為“HJ-1C”的星載SAR系統(tǒng)，工作在S頻段，其掃描分辨率達(dá)到了20 m，條帶分辨率為5 m。

所謂合成孔徑雷達(dá)是指通過(guò)星載和機(jī)載移動(dòng)平臺(tái)安裝單天線或多天線組成的一定發(fā)射波長(zhǎng)的雷達(dá)系統(tǒng)，向地面固定目標(biāo)發(fā)射雷達(dá)波譜［6］，通過(guò)吸收反射波譜的合成解算，理論上使地面目標(biāo)識(shí)別孔徑得以倍增放大，從而大大提高地面目標(biāo)識(shí)別的分辨率［7］。應(yīng)用該技術(shù)可在相對(duì)較大的區(qū)域組建多個(gè)固定的天線系統(tǒng)，在大地測(cè)量、地理地質(zhì)制圖和軍事航海等方面有著廣泛應(yīng)用，尤其在對(duì)地觀測(cè)、地質(zhì)空間大數(shù)據(jù)融合處理分析中具有極高的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。筆者依照SAR系統(tǒng)的原理與特性，闡述SAR原始數(shù)據(jù)的處理，分析了SAR的幾種常用算法，并對(duì)SAR幾種技術(shù)手段進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其適用條件進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)價(jià)。

1 SAR原始數(shù)據(jù)處理

1.1 合成解算原理

在合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)中，將接收天線安置在飛行器上;如果探測(cè)區(qū)域比較平坦，在不同距離上的不同點(diǎn)的回波時(shí)間將被清楚地分辨出來(lái)。由于單個(gè)小天線的解譯能力非常有限，并且擴(kuò)大天線尺寸無(wú)論在飛行器的負(fù)荷還是成本上都是不可取的。

ZHUANG等［8］提出了快速BP(Back Projection)算法對(duì)飛行器接收的脈沖信號(hào)進(jìn)行合成解算，即飛行器在不同地點(diǎn)對(duì)接收不同回波的幅值和相位進(jìn)行合成，其天線的等效長(zhǎng)度比普通天線長(zhǎng)數(shù)十倍之多，大大提高了對(duì)反射波的接收能力。然而，這一系列的解算過(guò)程需要非常多的計(jì)算資源。在技術(shù)不發(fā)達(dá)的早期，探測(cè)完成后通常在地面基站通過(guò)傅里葉變換實(shí)現(xiàn)。如今的高性能計(jì)算機(jī)可使SAR在飛行器上實(shí)時(shí)處理，進(jìn)而繪制出雷達(dá)反射成像圖。但文獻(xiàn)［8］所提出的合成解算當(dāng)面臨大量幅值相位數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)法做到快速運(yùn)算，因此，接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性無(wú)法得到保證。

李德仁等［9］提出在簡(jiǎn)單地形環(huán)境下，SAR系統(tǒng)采取舍棄相位信息，保留幅值信息(地表信息)的方案。并且SAR圖像的分辨率很大程度上取決于射頻信號(hào)使用的帶寬，在較小程度上取決于系統(tǒng)的精確度和后續(xù)處理的特殊技術(shù)。早期衛(wèi)星只能提供十米級(jí)的分辨率。最近，航空系統(tǒng)可提供達(dá)數(shù)十厘米級(jí)的分辨率，超高帶寬的系統(tǒng)可提供數(shù)毫米級(jí)的分辨率，并且在實(shí)驗(yàn)室中的太赫茲(1012Hz)SAR能提供亞毫米級(jí)的分辨率［10］。但文獻(xiàn)［9］并沒(méi)有詳細(xì)給出高分辨率SAR系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，所以還需進(jìn)一步研究與討論。

ZHANG等［11］應(yīng)用成熟的高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)將全息技術(shù)應(yīng)用到SAR系統(tǒng)中。這一技術(shù)很好地填補(bǔ)了文獻(xiàn)［9］遺留的問(wèn)題。文獻(xiàn)［11］提出一級(jí)全息干涉模型，由模擬雷達(dá)數(shù)據(jù)(1∶1 000 000，0.6 mm雷達(dá))產(chǎn)生;然后同級(jí)別(0.6 mm)的激光穿過(guò)全息圖在一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生投影。但應(yīng)用于SAR系統(tǒng)的全息技術(shù)不僅要求高精密探測(cè)儀器，而且對(duì)技術(shù)人員的全息技術(shù)的掌握程度也有很高的要求，應(yīng)用起來(lái)尚需時(shí)日。

綜上所述，對(duì)飛行器在不同位置接收的回波進(jìn)行合成解算，可實(shí)現(xiàn)天線接收能力的放大。文獻(xiàn)［8］給出了這一基本原理，但在計(jì)算資源不夠充裕的條件下，需要采取舍棄相位信息，保留幅值信息的方案［9］，文獻(xiàn)［11］提出了全息干涉技術(shù)，產(chǎn)生更精確、更高分辨率的雷達(dá)系統(tǒng)。很好地解決了圖像分辨率不高的問(wèn)題。因此，針對(duì)不同環(huán)境采取不同的SAR合成解算技術(shù)是一大重點(diǎn)，全息技術(shù)的應(yīng)用將是研究的主要方向。

1.2 預(yù)處理

由于合成解算得到的原始數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行下一步計(jì)算，必須把原始數(shù)據(jù)組織成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

李兵等［12］在對(duì)SAR系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，建立了三維元素概率模型:首先定義一個(gè)三維向量空間，向量中每個(gè)元素是一個(gè)三維元素，用來(lái)表示反射面在空間上某個(gè)位置的概率。預(yù)先給每個(gè)三維像素賦零值，再對(duì)每個(gè)捕捉到的波形和三維元素進(jìn)行迭代處理。對(duì)于一個(gè)給定的波形和三維像素，即可計(jì)算出三維像素的位置與天線的距離;在圖像上則表現(xiàn)為波形上的延時(shí)。在給定波形位置的樣本值就疊加到三維像素的值中，這代表了某物體在該點(diǎn)產(chǎn)生回波的概率。王盛利等［13］指出如果波形的相位不能準(zhǔn)確測(cè)出，而只獲取波形的幅值，波形也可被融入到三維元素中。如果波形的極化性和相位可精確獲取，這些值可加入到更多更復(fù)雜的三維像素中。三維像素疊加全部波形后，SAR初值處理基本完成。但文獻(xiàn)［12］沒(méi)有給出具體的去噪處理，得到的初值無(wú)法應(yīng)用到進(jìn)一步的計(jì)算中。文獻(xiàn)［13］給出的預(yù)處理方法雖然可快速獲取初值，但獲取的數(shù)據(jù)過(guò)于簡(jiǎn)單，無(wú)法滿足高精度計(jì)算的要求。

范洪輝等［14］提出篩選三維元素的方法，即將那些低于幅度閾值的三維元素忽略掉。需要注意的是，閾值等級(jí)的選擇至少要比任一個(gè)信號(hào)波的峰值能量高，否則波峰將會(huì)呈現(xiàn)為錯(cuò)誤的球面或橢球面。因此，為了檢測(cè)目標(biāo)物體的一個(gè)點(diǎn)，至少需要有兩個(gè)不同的天線所接收的回波。超出閾值標(biāo)準(zhǔn)的三維像素在二維和三維圖上都可觀察到。

綜上所述，SAR雷達(dá)系統(tǒng)的預(yù)處理主要是基于三維元素概率模型，即統(tǒng)計(jì)目標(biāo)在各個(gè)位置出現(xiàn)的概率。然而，在處理SAR初值時(shí)，文獻(xiàn)［12］和文獻(xiàn)［13］所給出的方法在去噪處理與高精度測(cè)量均存在一定的缺陷。雖然文獻(xiàn)［14］給出了篩選三維元素法去噪處理方法，對(duì)概率波進(jìn)行進(jìn)一步的處理，即去掉低于幅度閾值的三維元素，但其執(zhí)行效率還有待提高。因此，解算數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)不僅要注重對(duì)原始數(shù)據(jù)的去噪處理，還要在運(yùn)算速度上有所提高。

2 SAR幾種常見(jiàn)算法

2.1 偏振測(cè)定法

雷達(dá)波會(huì)產(chǎn)生偏振，不同物質(zhì)反射不同強(qiáng)度的雷達(dá)波。但是，異構(gòu)性的物質(zhì)，如草地，經(jīng)常反射不同強(qiáng)度的偏振波，而且這些物質(zhì)的偏振波的頻率特性也會(huì)產(chǎn)生變化。通過(guò)發(fā)射偏振混合波并用天線接收異構(gòu)物質(zhì)反射的一種特定偏振波，由草地等異構(gòu)物質(zhì)產(chǎn)生的不同圖像可收集到統(tǒng)一序列的脈沖中。Stumpfe等［15］利用3種RX-TX偏振光(HH-pol，VV-pol，VH-pol)合成SAR雷達(dá)圖像。然而對(duì)圖像結(jié)果顏色的描述需對(duì)一些已知物質(zhì)進(jìn)行深入探測(cè)。偏振測(cè)光法的新發(fā)展包括使用一些物體表面(草地或沙地)的隨機(jī)偏振回波的變化，對(duì)比統(tǒng)一位置不同點(diǎn)的兩張圖，以判斷光學(xué)系統(tǒng)察覺(jué)不到的信息。

Skriver等［16］在研究植物對(duì)SAR雷達(dá)波的偏振情況時(shí)提出了旋光法，其優(yōu)勢(shì)重點(diǎn)表現(xiàn)在:1)確定最穩(wěn)定的極化參數(shù)，最大限度地提高對(duì)植物類(lèi)型的識(shí)別，同時(shí)盡量減少干擾的影響;2)利用旋光法強(qiáng)大的分類(lèi)方法和測(cè)試方法對(duì)重要數(shù)據(jù)集進(jìn)行識(shí)別;3)利用旋光法的時(shí)效性和通用性評(píng)估未來(lái)的SAR系統(tǒng)。

綜上所述，文獻(xiàn)［15］利用3種RX-TX偏振光合成的SAR雷達(dá)圖像可有效識(shí)別光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法察覺(jué)到的信息。文獻(xiàn)［16］旋光法的提出不僅可提高目標(biāo)體的識(shí)別率，而且在提高探測(cè)精度、識(shí)別重要數(shù)據(jù)等方面也有很強(qiáng)大的功能。因此，偏振測(cè)定法在SAR雷達(dá)圖像繪制和對(duì)目標(biāo)體的識(shí)別方面具有重要意義。

2.2 干涉測(cè)量法與差分干涉法

干涉測(cè)量法的特點(diǎn)是在保留相位數(shù)據(jù)條件下，提取相位信息。如果存在兩個(gè)非常相似的地物觀測(cè)目標(biāo)，則可對(duì)兩孔徑進(jìn)行合成。這種技術(shù)叫做干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)。

如果同時(shí)獲取兩個(gè)樣本，則雷達(dá)回波的相位信息就會(huì)包含在接收的信息中。喬書(shū)波等［17］提出將相位信息和距離信息相結(jié)合的方法，可在三維圖像上清楚地表達(dá)出SAR雷達(dá)信息。根據(jù)SAR獲取的反射率信息可提取某區(qū)域的高程信息，從而繪制出三維高程圖。在加拿大中部，機(jī)載SAR可借助干涉測(cè)量技術(shù)繪制分辨率為5 m、誤差為5 m的數(shù)字高程圖［18］。在繪制地表圖時(shí)，同時(shí)用到了干涉技術(shù)，以更全面地描述地面真實(shí)信息。

如果兩個(gè)樣本信息非同時(shí)獲取，可能是在同一個(gè)區(qū)域飛過(guò)兩架不同的飛機(jī)，則會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)相移源:地形高度和地形運(yùn)動(dòng)。如果地形觀測(cè)之間有位移，則會(huì)返回一個(gè)不同的相位。這意味著，如果地形偏移幾厘米，在結(jié)果圖像上會(huì)顯示出來(lái)。

然而面臨復(fù)雜地形環(huán)境，簡(jiǎn)單的干涉測(cè)量法無(wú)法做到快速而準(zhǔn)確的測(cè)量，于是引入了差分干涉測(cè)量法(D-InSAR)。差分干涉測(cè)量需要至少兩個(gè)數(shù)字高程圖。數(shù)字高程圖可通過(guò)GPS技術(shù)測(cè)量生成，或只要兩次圖像獲取的時(shí)間足夠短，也可用干涉測(cè)量法獲取。原則上，3幅具有相似幾何獲取方式的地面圖像就足以進(jìn)行差分干涉測(cè)量。測(cè)量地面運(yùn)動(dòng)的原理很簡(jiǎn)單，從最初的兩幅圖像生成一個(gè)干涉圖，這也被稱(chēng)為參考干涉圖或地形干涉圖。喬書(shū)波等［19］給出了3個(gè)圖像的D-InSAR技術(shù)應(yīng)用，也叫做三通法，即從參考干涉圖中減去后者來(lái)顯示出差分條紋，以表示地形移動(dòng)。在差分干涉圖上仍然以差分條紋形式表示干涉圖上一個(gè)點(diǎn)代替另一個(gè)點(diǎn)變化的結(jié)果。在差分干涉圖上，每個(gè)條紋和一個(gè)SAR波長(zhǎng)成正比。地表的位移可被衛(wèi)星察覺(jué)為路徑差異性的增加。由于信號(hào)從SAR天線發(fā)射到目標(biāo)再返回，所測(cè)量的位移即為兩倍波長(zhǎng)的單位;這意味著差分干涉中，條紋的相位從-π到π循環(huán)出現(xiàn)，或是一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的SAR天線只有一半波長(zhǎng)的相對(duì)位移。

劉國(guó)林等［20］對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害中都可以使用D-InSAR技術(shù)。該技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)展是通過(guò)衛(wèi)星的上升和下降獲得差分干涉條紋，進(jìn)而估測(cè)地面的3D形態(tài)。這方面的研究已經(jīng)表明，地面的移動(dòng)與基于GPS的測(cè)量是可以實(shí)現(xiàn)的［21］。然而D-InSAR技術(shù)在濕度、氣壓等復(fù)雜大氣條件下會(huì)產(chǎn)生傳輸?shù)难舆t性，而且在小范圍坡度較大的陡峭山區(qū)會(huì)存在探測(cè)盲區(qū)，這也是亟待解決的問(wèn)題［22］。

綜上所述，干涉測(cè)量法保留了預(yù)處理所舍棄的相位信息，可精確地繪制出地形的數(shù)字高程圖。即使兩個(gè)對(duì)比樣本未能同時(shí)獲取，繪制的干涉圖像也可清楚地表達(dá)地形信息。文獻(xiàn)［17］給出了簡(jiǎn)單地形下，采用干涉測(cè)量法得到的結(jié)果。但面臨多數(shù)復(fù)雜地形時(shí)，該方法無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)。而文獻(xiàn)［19］用三通法合成差分干涉圖，文獻(xiàn)［20］對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，這兩種方法可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜地形，但無(wú)法解決在復(fù)雜天氣下產(chǎn)生的傳輸延遲以及探測(cè)盲區(qū)問(wèn)題。因此，干涉測(cè)量法可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形解析，通過(guò)辨析上升和下降的干涉條紋，可對(duì)山體滑坡、泥石流等災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)。但是，在復(fù)雜地形下的傳輸延遲和探測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

3 SAR的幾種技術(shù)手段

3.1 單基站與多基站執(zhí)行

對(duì)于固定天線的SAR技術(shù)，需要用多個(gè)天線捕捉回波，也叫多基站執(zhí)行。捕捉點(diǎn)越多，獲取的目標(biāo)信息越多、越可靠。在多基站執(zhí)行提出前，大多應(yīng)用所謂的“單基站執(zhí)行”方案，即通過(guò)單天線捕捉反射波。劉國(guó)祥等［23］通過(guò)移動(dòng)單個(gè)天線到不同的位置獲取多個(gè)捕獲回波的孔。其優(yōu)點(diǎn)是:容易放置到任何位置產(chǎn)生任何數(shù)量的波形。然而，“單基站執(zhí)行”的一大難題是:飛行器飛行過(guò)程中很難獲取天線的精確位置，導(dǎo)致測(cè)量精確度的下降。

同樣也可在不同位置放置多個(gè)固定的天線或?qū)⑵浣Y(jié)合起來(lái)獲取多個(gè)捕獲孔。黃鈺林等［24］提出了機(jī)載雙站的多基站執(zhí)行探測(cè)模式。其優(yōu)點(diǎn)是:在提高精度的同時(shí)，可獲取更多不同信息，并提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。對(duì)于多基站天線，有必要將單基站和多基站雷達(dá)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以獲得更高的處理速度和更精準(zhǔn)的信息。然而值得注意的是:獲取的波形必須保持同一性。當(dāng)使用多基站天線時(shí)，捕捉到回波波形的數(shù)量為。其中N是天線基站數(shù)目。

盡管文獻(xiàn)［23］提出的“單基站執(zhí)行”具有很強(qiáng)的靈活性，但無(wú)法保證高精度探測(cè)的要求。然而，文獻(xiàn)［24］提出的機(jī)載雙站多基站執(zhí)行方案可有效解決這個(gè)問(wèn)題，而且可發(fā)展提高系統(tǒng)的抗干擾性。因此，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新，多基站執(zhí)行方案將是SAR系統(tǒng)的趨勢(shì)。

3.2 超帶寬SAR

傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的電磁波頻率都是在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)。而在調(diào)制過(guò)程中，窄帶通道不允許快速變化。由于接收信號(hào)的變化反映了反射波的回波時(shí)間，在調(diào)制過(guò)程中無(wú)論是緩慢變化的信號(hào)還是快速變化的信號(hào)都不能表達(dá)雷達(dá)與目標(biāo)的距離。

超帶寬代表了任何使用非常寬的帶寬的電磁波，同樣也是一種容許高速調(diào)制的解決模型。雖然目前還沒(méi)有設(shè)置帶寬值，即限定哪一種信號(hào)為“超帶寬”，但只要使用了比信號(hào)帶寬寬數(shù)倍的系統(tǒng)就被稱(chēng)作超帶寬系統(tǒng)［25］。典型的超帶寬系統(tǒng)使用的帶寬是其中心頻率的1/3～2/3。如中心頻率為3 GHz的系統(tǒng)的帶寬大約1 GHz［26］。

提高信號(hào)帶寬的方法有很多，即有多種方法提高帶寬調(diào)制速度。蔣廷臣等［27］提出高帶寬脈沖伸縮法。高帶寬脈沖伸縮系統(tǒng)的帶寬可隨意伸展和壓縮，而且，基于脈沖伸縮法的超帶寬系統(tǒng)與“超帶寬雷達(dá)”有更大的關(guān)聯(lián)性?；诟邘捗}沖伸縮法的雷達(dá)系統(tǒng)傳輸?shù)氖嵌堂}沖電磁能，通常只有幾個(gè)波甚至更少。當(dāng)然，短脈沖是快速變化的信號(hào)，因此擁有很寬的帶寬。該方法提供了更高的精準(zhǔn)度和分辨率。

然而，這種基于脈沖的超帶寬SAR的缺點(diǎn)是:對(duì)于高功率設(shè)備，傳輸?shù)哪┒穗y于設(shè)計(jì)［28］。特別在發(fā)射占空比極低且脈沖時(shí)間極短的情況下，內(nèi)部電子元件必須在一瞬間施加極高的功率，以達(dá)到與傳統(tǒng)雷達(dá)相當(dāng)?shù)钠骄β省Ｒ虼?，基于脈沖的超帶寬SAR通常用于微瓦或毫瓦級(jí)別的元件中。經(jīng)常用于監(jiān)測(cè)小型、近端的目標(biāo)區(qū)域［29］。

TANG等［30］給出分辨率為15 cm，帶寬為1 GHz，供電能量為1 m J的系統(tǒng)。由于E=Pτ，如果脈沖持續(xù)時(shí)間τ=1 ns，則P=1 MW。如此高的輸出功率普通發(fā)射雷達(dá)裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而若τ=0.1 ms，則P=100W，在降低脈沖壓縮率的同時(shí)雷達(dá)分辨率(見(jiàn)圖1)。其中c為電磁波速，B為信號(hào)帶寬。

綜上所述，超帶寬技術(shù)適應(yīng)不同變化率的信號(hào)。文獻(xiàn)［27］提出的高帶寬脈沖伸縮法，可精準(zhǔn)地捕捉快速變化的脈沖信號(hào)。然而，因?yàn)殡娮釉惺艿乃矐B(tài)功率遠(yuǎn)超出其平均功率，這種方法對(duì)于傳輸末端要求過(guò)于苛刻，所以，超帶寬技術(shù)常用于微功耗近距離傳輸。文獻(xiàn)［30］給出了具體實(shí)例，得出超帶寬SAR末端傳輸采取微功耗設(shè)備的必要性。在這一情形下，超帶寬SAR技術(shù)面臨著重大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也促進(jìn)著超帶寬技術(shù)與雷達(dá)末端傳輸技術(shù)的進(jìn)一步革新與發(fā)展。

圖1 兩種不同寬度脈沖所需發(fā)射功率Fig.1 Two different pulse widths desired transmitting power

4 結(jié) 語(yǔ)

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)作為對(duì)地探測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)具有極強(qiáng)的實(shí)用性;尤其在復(fù)雜與異構(gòu)的地形條件下，SAR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度與快速的對(duì)地探測(cè)。而且隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，將SAR技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)SAR系統(tǒng)的智能化與人性化。雖然合成孔徑雷達(dá)技術(shù)是一種在地質(zhì)學(xué)中具有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)，但仍存在若干問(wèn)題:1)對(duì)SAR系統(tǒng)三維元素概率模型的優(yōu)化仍需時(shí)日; 2)如何搭建集靈活性與精確性于一體的SAR接收系統(tǒng);3)如何降低D-InSAR技術(shù)在復(fù)雜大氣環(huán)境下的延遲性以及減少探測(cè)陡峭地形下的盲區(qū);4)SAR系統(tǒng)的建立要考慮發(fā)射功率與帶寬的平衡性。

隨著SAR技術(shù)不斷的發(fā)展以及模型的優(yōu)化與創(chuàng)新，SAR技術(shù)研究的難度將越來(lái)越高，交叉學(xué)科的知識(shí)也是SAR科學(xué)工作者所必須掌握的。為了獲取更豐富、更清晰的雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)，SAR系統(tǒng)所耗費(fèi)的計(jì)算資源將會(huì)成倍增長(zhǎng);可以預(yù)言，隨著并行計(jì)算技術(shù)的普及，SAR數(shù)據(jù)獲取與解析速度將獲得極大的提高。同時(shí)，大功率雷達(dá)反饋技術(shù)也可在一定程度上提高SAR系統(tǒng)接收端平均功率，以達(dá)到遠(yuǎn)距離探測(cè)的目標(biāo)。

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(責(zé)任編輯:何桂華)

Survey on Synthetic Aperture Radar Technology

JIA Xinyu，LU Laijun

(College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130061，China)

In order to give full play to the SAR(Synthetic Aperture Radar)on the deep geological target precise detection and rapid analytical advantage，to further improve the resolution of ground target recognition，based on discussing the basic principle and data analysismethod，polarization measuring，interferometry and differential interferometry for SAR technology are analyzed.The favorable and unfavorable conditions of ultra wideband SAR applications are summarized.The scope of application of this technology and the technical specification，provides a theoretical basis and technical guidance for the SAR in the digital geological science and applied in geo information science.

synthetic aperture radar(SAR);polarizationmeasuring;interferometry;differential interferometry; ultra-bandwidth SAR

TN951

A

1671-5896(2015)04-0373-07

2015-01-14

“973”國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015CB453000)

賈新宇(1989— )，男，沈陽(yáng)人，吉林大學(xué)碩士研究生，主要從事數(shù)字地質(zhì)科學(xué)研究，(Tel)86-18640245290(E-mail) jiaxinyu1989@163.com;路來(lái)君(1956— )，男，長(zhǎng)春人，吉林大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事數(shù)字地質(zhì)科學(xué)及地質(zhì)大數(shù)據(jù)云計(jì)算研究，(Tel)86-18604403821(E-mail)lulj1956@163.com。