大型SAR卫星星座设计——SAR原理简介及星上成像模式

合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR），与星上常见的光学传感器器不同，SAR通常安装在飞行器侧面，通过主动发射微波，并接受反射的微波信号，记录接收到的回波的振幅和相位来探测地表情况。本文主要介绍SAR在星上的应用情况以及基本的星上成像模式。

 

SAR与雷达和光学成像对比

合成孔径雷达利用航天器向前运动产生的雷达回波的多普勒历史来形成一个大型天线（见图）。尽管天线很小，但随着雷达的移动，每个位置都会发射一个脉冲。返回回波通过接收器并记录在回波存储器中。合成孔径雷达需要一个复杂的机载导航和控制系统集成阵列，定位精度由多普勒和惯性导航设备提供。对于距离地球约900公里的ERS-1/2 SAR和ENVISAT ASAR等传感器，单个发射脉冲覆盖的地面区域沿轨道方向约5公里长。

SAR观测

 合成孔径雷达-方位分辨率（Azimuth Resolution）

合成孔径雷达通过与测距方向相同的脉冲压缩，综合增加天线尺寸以提高方位分辨率。合成孔径对来自移动目标的接收信号和相位进行复杂的数据处理，理论上应将其效果转换为大天线的效果，即合成孔径长度，即相同长度的RAR（Real Aperture Radar，分辨率只由天线尺寸决定）可以在方位方向上投影的波束宽度。得到的方位分辨率由实际孔径雷达的一半给出，如下所示：

- Real beam width      

- Real resolution          (synthetic aperture length)

- Synthetic beam width

- Synthetic resolution   

其中λ为波长，D为雷达孔径，R为天线目标距离（参见下图）。这就是为什么无论卫星的倾斜范围或极高高度如何，SAR都具有高方位分辨率和小尺寸天线的原因。

SAR方位分辨率

重要参数——波长

无线电波的波长比可见光长得多，在厘米范围内。穿透力是选择波长的关键因素：波长越长（频率越短），对植被和土壤的穿透力就越强。在SAR中通常使用以下波长：

重要参数——极化

无论波长如何，雷达信号都可以传输水平（H）或垂直（V）电场矢量，并接收水平（H）或竖直（V）返回信号，或两者兼而有之。导致类偏振（HH或VV）返回的基本物理过程是准镜面反射。例如，平静的水（即没有波浪）看起来是黑色的。交叉极化（HV或VH）回波通常较弱，并且由于表面粗糙度等原因，通常与不同的反射有关。

重要参数—— 入射角

入射角（θ）为雷达波束和垂直于表面的线形成的角度。微波与表面的相互作用是复杂的，在不同的角度区域可能会发生不同的反射。回报率通常在低入射角时很高，并随着入射角的增加而下降（见图）。

入射角雷达反射率

该图显示了不同土地覆盖类别（颜色）的雷达反射率变化，而虚线突出显示了ENVISAT ASAR数据的线束范围。请注意，通过为不同的应用选择最佳配置，可以利用雷达后向散射的这种角度依赖性。

SAR星上工作模式

1. 条带成像模式。当合成孔径雷达工作时，天线通常为系统提供通过改变入射角来选择成像条带。此模式最为常用，条带成像下卫星可获取长条的地面图像。

   

2. 扫描模式。当合成孔径雷达进行条带扫描时，成像范围较窄。这种限制可以通过利用ScanSAR原理来解决，该原理通过使用在仰角上可电子操纵的天线波束来实现线束加宽。然后可以通过改变入射角并依次合成不同波束位置的图像来合成雷达图像。从每个特定光束成像的区域被称为形成子条带。ScanSAR的原理是在两个或多个单独的子带之间共享雷达工作时间，从而获得每个子带的全图像覆盖。

   

3. 聚光灯模式。在聚光灯模式数据收集过程中，传感器控制其天线波束，以连续照射正在成像的地形。区分聚光灯和条带模式：•聚光灯模式提供了比使用相同物理天线的条纹图模式更精细的方位分辨率。•聚光灯成像提供了在单次通过过程中以多个视角对场景进行成像的可能性。•聚光灯模式可以对多个较小的场景进行有效成像，而条纹图模式则可以自然地对长条地形进行成像

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 商业SAR卫星星座——ICEYE介绍

ICEYE（ICEYE - Your Choice for Persistent Monitoring）是一家芬兰的商业遥感公司，拥有一个SAR卫星的商业遥感星座。

ICEYE第二代卫星

 在Space Track内显示有21颗在轨的ICEYE卫星。轨道倾角都为97°左右，太阳同步轨道。

ICEYE公司SAR传感器参数

 目前，ICEYE的卫星都在太阳同步轨道上，15轨一天，但轨道间隔不均匀。这意味着重新访问赤道上某个地点的时间在一段时间内会有所不同。赤道上的平均重访率为20小时，访问赤道上某个地点的平均时间为12小时。在纬度较高和较低的地区，重访次数更多。下图列出了目前合成孔径雷达仪器的轨道参数。它们的地面轨道重复周期在1到22天之间变化。每个轨道平面都以上升节点（LTAN）的不同本地时间绕地球定相，这样整个星座就可以在一天中的不同时间观测到一个位置。这与晨昏太阳同步轨道相比具有优势，在晨昏太阳轨道中，成像时的本地时间会接近日出或日落。

星座轨道参数

 先介绍到这里，后面将会讲述如何设计一个SAR卫星星座。