合成孔径雷达（SAR）基础知识¶

合成孔径雷达（SAR）是一种新兴的遥感技术。

事实上，Sentinel-1装备了这个 active type of sensor。 同样，雷达卫星和地形雷达使用合成孔径雷达。

这项技术的主要优势在于它能够在任何天气条件下，甚至在夜间合成出高分辨率的图像。

今天，我们不打算深入了解这项技术如何工作的确切细节。相反，我们将用基本的例子解释SAR图像，并给出一些实际应用。

SAR的蝙蝠状能力¶

据说，合成孔径雷达类似于蝙蝠如何利用回声定位在洞穴中导航。

蝙蝠在洞穴中飞行时，用声音来导航。一般来说，它们会产生50到120分贝的声波。当这个声音从墙壁上反弹回到蝙蝠身上时，它根据回声来理解距离。

一般来说，同样的原则也适用于SAR。卫星 发送 微波脉冲对地。脉冲 返回 返回卫星，传感器从返回的回声中生成图像。

一般来说，合成孔径雷达是侧视的。这意味着他们不会完全看不起最低点，而是从一个角度看。这种视角有很多优点，我将在下面提到。

前面提到过，微波雷达可以在夜间透过云层和烟雾看到。在一天中的任何时候，或者在任何类型的天气条件下，sar都起作用。

实际上，更长的波长可以更好地穿透云层，甚至穿透地面。例如，L波段（~24cm）雷达的波长比C波段（~6cm）和X波段（~3cm）长。

雷达散射类型¶

侧视雷达与不同类型的地形相互作用。三种主要的散射机制是镜面反射、漫反射和双反射。

首先，我们将提供每种散射类型的示意图。之后，我们将给出每种散射发生的位置的解释。

光滑表面 反射来自平坦的地形，如道路或水。对于这种散射，传输脉冲的能量很少返回到传感器（类似于镜子）。在本例中，将显示像素 黑色 通常值小于-20db。

光滑表面（镜面反射）

粗糙表面 散落的，如犁过的农田和植被。散射向四面八方扩散。例如，典型的像素值将大于-20db并且 grey .

粗糙表面（漫反射散射）

经常， 双弹跳 发生在结构和人造物体上。反射脉冲一个接一个地撞击到传感器表面。例如，将出现典型的像素值 白色 值大于-10db。

双反散射

SAR图像解释¶

现在你已经了解了合成孔径雷达的一些基本知识，让我们来看一个具有这些散射类型的SAR图像。在这个RADARSAT-2例子中，图像清楚地显示了所有三种类型的后向散射。

RADARSAT-2图像：双反弹、镜面反射和漫反射后向散射

镜面反射： 在这个场景中，有一条河流向东西方向流动。如上图所示，很少有能量反射回雷达传感器。在这种情况下，像素是暗的，低分贝。

这也可以在道路/机场铺面的东南部看到。同样，这是光滑表面的镜面反射。

双反弹散射: 另一方面，图像中心的亮白色可以解释为城市特征。雷达接收到的是双弹跳后向散射，这意味着发射的脉冲正在返回传感器。

在这个尺度上还不清楚这个物体是什么，但它是由于双弹跳返回。由于其值大于-10db，像素将显示为亮白色。

扩散散射： 最后，雷达图像大部分是粗糙面散射。你有一点镜面反射和双反射散射。

这可能来自年度农田、植被或草地或其他特征。它是漫反射散射，因为图像中没有高或低数量的后向散射。

合成孔径雷达示例应用¶

我们如何将这些sar概念应用到现实世界中？有 hundreds of remote sensing applications。 同样，合成孔径雷达在环境、安全、军事等方面也有应用。实际上，第一个与sar（搜索和救援）的缩写相同。

在 搜救任务 ，天气条件往往很差。在森林火灾的情况下，烟雾会完全阻挡能见度。由于微波合成孔径雷达不受这些条件的影响，救援人员利用微波合成孔径雷达在地面上寻找人造物体。具体来说，它寻找碰撞地点发生的双弹跳散射。甚至在哪里 泛滥的 如果存在镜面反射（深色像素），则发生。

科学家利用合成孔径雷达 估计地面高程 与 Space Shuttle Radar Topography Mission inSAR。 这颗卫星使用干涉法（InSAR）产生了最精确的 elevation models 全世界。此外，科学家们还利用InSAR测量基于相位差的地形位移。

雷达干涉测量InSAR–地形位移

如上图所示，SAR是关于基于后向散射的表面特征的理解。这就是为什么我们在 石油泄漏 了解海浪。在溢油期间，油浮在水面上抑制波浪。使用合成孔径雷达，这将创建一个更平滑的表面，在雷达图像中出现黑暗。但如果你是 寻找一艘船 在北极地区，你会在sar图像中寻找双反射或亮像素。

最后，微波雷达具有对介质常数敏感的特点。这就是研究人员试图研究的原因 土壤水分 使用合成孔径雷达。在农业中，农民可以利用这一点来了解裸露土壤剖面前几厘米的湿度。即使是为了 绘制湿地图 科学家们使用了透子分解技术。

更深入的技术¶

极化是指来自合成孔径雷达天线的雷达波的方向。电场和磁力线都是直角的，但电场决定了波的极化方向。合成孔径雷达使用的天线可以水平（H）或垂直（V）极化发射。

当电磁波从目标散射时，电磁波的极化状态会发生变化。当传感器接收到返回的波时，它测量目标的极化变化程度。例如，它可以是H或V极化，也可以同时是两者。

对于单极化，这些是典型的发射和接收对。

• hh–用于水平发送和水平接收

• VV–用于垂直发送和垂直接收

• HV–用于水平传输和垂直接收

• vh–用于垂直传输和水平接收

优点是可以推断出更多的表面特征信息。例如，我们可以使用像Freeman Durden这样的分解技术来获得SAR图像中有多少表面、双反弹和体积散射。

最后，它是“合成孔径”，因为它可以创建更高分辨率的图像。由于它能接收沿合成孔径雷达长度方向的后向散射，因此可以综合生成地球上某一点目标的高分辨率图像。合成孔径雷达的整个长度都具有点目标的后向散射信息。当所有的后向散射信息被合并时，就像一个“合成孔径”。

结论¶

如果没有雷达方面的经验，它可能看起来像一堆像素。你在地图上找不到漂亮的图片。

不管怎样，雷达图像可能会有噪声，通常需要平滑处理。但是，使用分解技术和一些合成孔径雷达的解释，突然之间合成孔径雷达图像成为一个有价值的工具。

如果你想使用合成孔径雷达，看看我们的 list of 15 free satellite imagery sources。

别忘了，有 open source remote sensing software 就像 Sentinel-1 toolbox 可以帮助分析和可视化SAR图像。