下载文档原格式
科技前沿▏合成孔径成像的应用及发展一、引言合成孔径成像自20世纪50年代提出，应用于雷达成像，历经70年的研发，已经日趋成熟，成功地用于环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事等领域。
受物理环境制约，合成孔径在声呐成像中的研发与应用起步稍迟，滞后于雷达，近年来在民用及军事领域的研究与应用进展加速。
此外，近年来合成孔径成像在声学无损检测、医学超声成像等领域的研发也有长足进步，并扩展到其他领域如光学、微波成像等。
本文简要介绍了条带合成孔径成像的原理及其在雷达、声呐、无损检测及医学影像等方面的应用及发展。
二、合成孔径成像原理条带合成孔径成像利用小孔径基阵，在直线运动轨迹上均速移动，并在确定位置顺序发射，接收并存储回波信号。
根据空间位置和相位关系对不同位置的回波信号进行相干叠加处理，合成虚拟大孔径的基阵，从而获得沿运动方向的高分辨率。
在1985年的先驱奖故事中，合成孔径雷达(SAR)的发明者Wiley 谦逊地说：我有幸想到了一个基本想法，我称之为多普勒波束锐化(DBS)，而不是合成孔径雷达。
和所有信号处理一样，有一个双重理论：一个是频域解释，这是多普勒分析；在时域内分析系统，这就是合成孔径雷达。
在时间域对合成孔径成像的“合成阵列”的解释如图1所示。
图1 合成阵列原理其中，阵元或天线水平长度为L，水平波束开角为θ=＝λ/L。
工作频率时，波长为λ。
阵元行进轨迹为直线，点目标与行进轨迹的垂直距离为R。
阵元在位置1时，目标进入波束；阵元在位置N时，目标退出波束。
合成孔径阵元数为N，合成孔径长为D＝R×θ=＝R×λ/ L，合成孔径波束开角为θsyn＝λ/D＝λ/（R×(λ/L)）＝L/R。
采样结束，合成孔径波束形成后处理时，对不同位置的回波信号进行相干叠加，需要计算阵元发射信号至目标、目标反射信号返回阵元的往返声程2R。
因此，合成孔径波束开角实际应为θsyn＝λ/2D＝λ/(2R×(λ/L)) ＝L/2R。
合成孔径雷达发展历程表1951年6月美国古德依尔宇航公司的威利首先提出最初的频率分析的方法改善雷达的角分辨力，他将其称为多谱勒波束锐化。
与此同时，伊里诺斯大学控制系统实验室的一个研究小组采用相干机载侧视面雷达数据，研究运动目标检测技术。
1952年，C. W. Shervin第一次提出了采用相位校正的全聚焦阵列概念，另外他还提出了运动补偿概念。
正是这些新思想最终导致了X－波段相干雷达的研制。
1953年获得第一幅SAR图像。
1957年美国密歇根大学雷达和光学实验室研制的SAR系统获得第一张全聚焦的SAR图像。
1958年，美国密执安大学(University of Michigan)的雷达和光学实验室在L. J. Cutrona的领导下，用他们研制的雷达进行飞行试验，用光学相关器件将相干雷达视频信号变成了高分辨的图像。
在1967年Greenberg首先提出在卫星上安装SAR的设想。
由于卫星飞行高度高测绘带宽，可以大面积成像等优点，科学家开始着手进行航天飞机、卫星等作为载体的空载SAR的研究，并取得了巨大进展。
直到60年代末、70年代初，美国宇航局NASA主持了一些民用SAR系统的研制，主要研究单位是密西根环境研究所(Environmental Research Institute of Michigan, ERIM)和喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)。
20世纪70年代美国密歇根环境研究所（ERMI）和国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）研制出1.25GHz和9GHz多极化合成孔径雷达。
1972年JPL进行了L波段星载SAR的机载校飞。
1975年，NASA将SAR作为Seasat任务的一部分。
由于SAR在Seasat任务中的突出表现，使得星载SAR得到高度重视，成为合成孔径雷达的一个重要发展方向。
1978年5月美国宇航局(NASA)成功地发射了全球第一颗装载了空间合成孔径雷达的人造地球卫星(Seasat-a) ，对地球表面1亿平方公里的面积进行了测绘。
雷达技术发展历程及未来发展趋势一、发展历程雷达（Radar）是一种利用电磁波进行目标探测和测距的技术。
它的发展可以追溯到20世纪初期，以下是雷达技术的发展历程：1. 早期实验（20世纪初期至第一次世界大战）：雷达技术的雏形可以追溯到早期的无线电实验。
当时，人们开始意识到无线电波在空中传播时会受到反射和散射，这为雷达的发展奠定了基础。
2. 第二次世界大战（1939-1945）：雷达在第二次世界大战期间得到了广泛应用。
雷达系统被用于探测敌方飞机、舰船和潜艇，有效地提高了军事作战的效率。
这一时期的雷达技术取得了重大突破，包括脉冲雷达、连续波雷达和相控阵雷达的发展。
3. 后战时期（1945年至今）：战后，雷达技术得到了进一步的发展和应用。
雷达系统不仅被广泛应用于军事领域，还在民用领域发挥着重要作用。
雷达在航空、航海、气象、地质勘探等领域的应用越来越广泛。
二、未来发展趋势随着科技的不断进步，雷达技术也在不断发展，以下是雷达技术未来的发展趋势：1. 多波束雷达：多波束雷达是指能够同时发射和接收多个波束的雷达系统。
它可以提高雷达的探测效率和目标定位精度，适用于复杂环境下的目标探测和跟踪。
2. 超高频雷达：超高频雷达是指工作频率超过30 GHz的雷达系统。
相比传统的雷达系统，超高频雷达具有更高的分辨率和探测灵敏度，可以更好地探测小型目标，如无人机和导弹。
3. 毫米波雷达：毫米波雷达是指工作波长在毫米级别的雷达系统。
毫米波雷达具有更高的分辨率和穿透能力，可以用于人体成像、安全检测和无人驾驶等领域。
4. 合成孔径雷达：合成孔径雷达利用雷达系统与目标之间的相对运动来合成一个大孔径，从而提高雷达图像的分辨率。
合成孔径雷达可以应用于地质勘探、环境监测和目标识别等领域。
5. 雷达与人工智能的结合：人工智能技术在雷达领域的应用越来越广泛。
通过将深度学习和神经网络等人工智能技术应用于雷达数据处理和目标识别，可以提高雷达的自动化程度和目标识别的准确性。
我国sar发展历程我国SAR发展历程随着科技的不断进步和应用的广泛推广，合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）在我国的发展经历了一系列的阶段和重要的里程碑。
本文将从我国SAR发展的起始阶段开始，逐步介绍我国SAR的发展历程。
一、起始阶段我国SAR的发展可以追溯到上世纪70年代末80年代初。
当时，由于我国对于SAR技术的需求以及技术实力的限制，我国开始了SAR技术的引进和研究工作。
通过引进国外的SAR技术和设备，我国逐渐建立了自己的SAR研发团队，并开始进行相关的实验和研究工作。
二、自主研发阶段进入上世纪90年代，我国逐渐具备了自主研发SAR技术的能力。
在这一阶段，我国的科研人员开始针对我国的实际需求，积极开展SAR技术的自主研发工作。
经过多次的实验和改进，我国成功研制出了一系列具有自主知识产权的SAR系统，并开始在一些特定领域进行应用。
三、应用拓展阶段进入21世纪，我国的SAR技术逐渐得到了广泛的应用。
在这一阶段，我国的SAR系统不仅在军事领域取得了显著的成果，还开始在民用领域发挥重要作用。
例如，在环境监测、资源勘探、灾害监测等方面，SAR技术都发挥了重要的作用。
同时，我国的SAR技术也开始走向国际舞台，积极参与国际合作，推动了我国SAR技术的不断发展。
四、创新发展阶段近年来，我国的SAR技术在不断创新和发展。
我国科研人员积极探索新的SAR技术和应用领域，推动了我国SAR技术的快速发展。
例如，通过引入新的成像算法和数据处理技术，我国的SAR系统在分辨率和精度方面取得了显著的提升。
与此同时，我国还积极推动SAR技术与其他领域的融合，如人工智能、大数据等，进一步拓展了SAR技术的应用范围。
五、展望未来展望未来，我国的SAR技术有望在更多领域发挥更重要的作用。
随着技术的进一步发展和应用需求的增加，我国的SAR系统将会越来越先进和完善。
同时，我国还将加强与其他国家和地区的合作，共同推动SAR技术的发展。
合成孔径雷达SAR综述合成孔径雷达(SAR) 是一种高分辨机载和星载遥感技术，用于对地形等场景上的远程目标进行成像。
1951 年，Carl Wiley 意识到，如果在雷达沿直线路径移动时收集回波信号，则接收信号的多普勒频谱可用于合成更长的孔径，以便提高沿轨道维度的分辨率。
1953 年，当一架 C-46 飞机绘制佛罗里达州基韦斯特的一段地图时，形成了第一张实测SAR 图像。
第一个星载卫星SAR 系统由美国国家航空航天局 (NASA) 的研究人员开发并于 1978 年投入 Seasat。
SAR 模式根据雷达天线的扫描方式，SAR 的模式可分为三种。
如下图所示，当雷达收集其行进区域的电磁 (EM) 反射波，观察与飞行路径平行的地形带时，这种模式称为侧视 SAR或带状 SAR。
当雷达跟踪并将其电磁波聚焦到一个固定的、特定的感兴趣区域时，这种模式称为聚束 SAR，如下图所示。
SAR 操作的另一种模式称为扫描SAR，它适用于雷达在高空飞行并获得比模糊范围更宽的条带时。
条带的这种增强会导致距离分辨率的下降。
如下图所示。
对于这种模式，照射区域被划分为几段，每段被分配到不同的条带的观察。
随着雷达平台的移动，雷达在一段时间内照射一个段，然后切换到另一个段。
这种切换是在特定的方法中完成的，使得所需的条带宽度被覆盖，并且当平台在其轨道上前进时没有留下任何空白段。
SAR 系统设计通用 SAR 系统框图如下图所示。
所有的定时和控制信号都由处理器控制单元产生。
首先，SAR 信号（线性频率调制（LFM）脉冲或阶跃频率波形）由波形发生器生成并传递到发射机。
大多数 SAR 系统使用单个天线或两个紧密放置的天线进行发射和接收，这样系统通常在单站配置下工作。
SAR 天线、转换器和天线波束形成器可沿场景或目标方向形成和引导主波束。
发射的 SAR 信号从场景或目标反射回来后，接收到的信号由 SAR 天线收集并传递给接收机。
接收机输出后的信号被模数转换器采样和数字化。
合成孔径雷达概述1合成孔径雷达简介 (2)1.1 合成孔径雷达的概念 (2)1.2 合成孔径雷达的分类 (3)1.3 合成孔径雷达(SAR)的特点 (4)2合成孔径雷达的发展历史 (5)2.1 国外合成孔径雷达的发展历程及现状 (5)2.1.1 合成孔径雷达发展历程表 (6)2.1.2 世界各国的SAR系统 (9)2.2 我国的发展概况 (11)2.2.1 我国SAR研究历程表 (11)2.2.2 国内各单位的研究现状 (12)2.2.2.1 电子科技大学 (12)2.2.2.2 中科院电子所 (12)2.2.2.3 国防科技大学 (13)2.2.2.4 西安电子科技大学 (13)3 合成孔径雷达的应用 (13)4 合成孔径雷达的发展趋势 (14)4.1 多参数SAR系统 (15)4.2 聚束SAR (15)4.3极化干涉SAR（POLINSAR） (16)4.4合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar） (16)4.5 小型化成为星载合成孔径雷达发展的主要趋势 (17)4.6 性能技术指标不断提高 (17)4.7 多功能、多模式是未来星载SAR的主要特征 (18)4.8 雷达与可见光卫星的多星组网是主要的使用模式 (18)4.9 分布SAR成为一种很有发展潜力的星载合成孔径雷达 (18)4.10 星载合成孔径雷达的干扰与反干扰成为电子战的重要内容 (19)4.11 军用和民用卫星的界线越来越不明显 (19)5 与SAR相关技术的研究动态 (20)5.1 国内外SAR图像相干斑抑制的研究现状 (20)5.2 合成孔径雷达干扰技术的现状和发展 (20)5.3 SAR图像目标检测与识别 (22)5.4 恒虚警技术的研究现状与发展动向 (25)5.5 SAR图像变化检测方法 (27)5.6 干涉合成孔径雷达 (31)5.7 机载合成孔径雷达技术发展动态 (33)5.8 SAR图像地理编码技术的发展状况 (35)5.9 星载SAR天线方向图在轨测试的发展状况 (37)5.10 逆合成孔径雷达的发展动态 (38)5.11 干涉合成孔径雷达的发展简史与应用 (38)合成孔径雷达概述1合成孔径雷达简介合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。
雷达技术发展历程及未来发展趋势一、引言雷达技术是一种利用电磁波进行探测和测量的技术，广泛应用于军事、航空、天气预报、地质勘探等领域。
本文将从雷达技术的发展历程和未来发展趋势两个方面进行详细阐述。
二、雷达技术发展历程1. 早期雷达技术早期的雷达技术起源于20世纪20年代，当时主要用于军事目的，用于探测敌方飞机和船只。
早期雷达系统采用的是连续波雷达，其原理是通过发送连续的电磁波并接收回波来探测目标。
2. 脉冲雷达技术的出现20世纪30年代，脉冲雷达技术的出现使得雷达系统的性能得到了极大的提升。
脉冲雷达通过发送短脉冲信号并接收回波来实现目标的探测和测量。
这种技术的出现使得雷达系统的探测距离和分辨率得到了显著的提高。
3. 雷达技术在航空领域的应用二战期间，雷达技术在航空领域得到了广泛的应用。
雷达系统被用于飞机导航、目标识别和防空等方面。
此时的雷达系统已经具备了一定的自动化和信息处理能力。
4. 雷达技术的数字化和计算机化20世纪60年代，随着计算机技术的发展，雷达系统开始实现数字化和计算机化。
数字化和计算机化的雷达系统具备了更高的信号处理能力和目标识别能力，大大提高了雷达系统的性能。
5. 雷达技术的微波化和多功能化20世纪70年代，雷达技术开始向微波频段发展，并且实现了多功能化。
微波雷达系统具备了更高的工作频率和分辨率，可以实现更远距离的目标探测。
同时，雷达系统还可以实现天气预报、地质勘探等多种功能。
6. 雷达技术的合成孔径雷达（SAR）和相控阵雷达（AESA）近年来，合成孔径雷达（SAR）和相控阵雷达（AESA）等新技术的出现推动了雷达技术的发展。
合成孔径雷达通过合成多个脉冲信号的回波来实现高分辨率的图像重建，具有很高的目标识别能力。
相控阵雷达则通过多个发射和接收模块的组合来实现波束的电子扫描，具备更高的灵活性和抗干扰能力。
三、雷达技术的未来发展趋势1. 高分辨率和远距离探测未来的雷达技术将继续追求更高的分辨率和更远距离的目标探测能力。
合成孔径雷达发展历程表
1951年6月美国古德依尔宇航公司的威利首先提出最初的频率分析的方法改善雷达的角分辨力，他将其称为多谱勒波束锐化。
与此同时，伊里诺斯大学控制系统实验室的一个研究小组采用相干机载侧视面雷达数据，研究运动目标检测技术。
1952年，C. W. Shervin第一次提出了采用相位校正的全聚焦阵列概念，另外他还提出了运动补偿概念。
正是这些新思想最终导致了X－波段相干雷达的研制。
1953年获得第一幅SAR图像。
1957年美国密歇根大学雷达和光学实验室研制的SAR系统获得第一张全聚焦的SAR图像。
1958年，美国密执安大学(University of Michigan)的雷达和光学实验室在L. J. Cutrona的领导下，用他们研制的雷达进行飞行试验，用光学相关器件将相干雷达视频信号变成了高分辨的图像。
在1967年Greenberg首先提出在卫星上安装SAR的设想。
由于卫星飞行高度高测绘带宽，可以大面积成像等优点，科学家开始着手进行航天飞机、卫星等作为载体的空载SAR的研究，并取得了巨大进展。
直到60年代末、70年代初，美国宇航局NASA主持了一些民用SAR系统的研制，主要研究单位是密西根环境研究所(Environmental Research Institute of Michigan, ERIM)和喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)。
20世纪70年代美国密歇根环境研究所（ERMI）和国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）研制出1.25GHz和9GHz多极化合成孔径雷达。
1972年JPL进行了L波段星载SAR的机载校飞。
1975年，NASA将SAR作为Seasat任务的一部分。
由于SAR在Seasat任务中的突出表现，使得星载SAR得到高度重视，成为合成孔径雷达的一个重要发展方向。
1978年5月美国宇航局(NASA)成功地发射了全球第一颗装载了空间合成孔径雷达的人造地球卫星(Seasat-a) ，对地球表面1亿平方公里的面积进行了测绘。
Seasat卫星的高度约800公里，工作波段为L波段，测绘带宽为100公里。
Seasat 卫星具有很大的全球覆盖率，转发了不同地形特征的SAR数据，获得了大量过去未曾有过的信息，引起了科学家们的极大重视。
标志着星载SAR己成功进入了太空时代。
1981年11月12日美国“哥伦比亚”号航天飞机搭载SIR-A顺利升空。
雷达影像上成功观测到撒哈拉沙漠的地下古河道，显示了SAR具有穿透地表的能力，引起国际科技界的震动。
1984年10月5日美国进行了“挑战者”号航天飞机搭载SIR-B的实验。
SIR-A和SIR-B都源于SEASAT-A，都工作于L波段。
其中SIR-A于1981年11月发射，轨道高度为252公里，分辨率为37米，而SIR-B于1984年7月发射，轨道高度为250-326公里，倾角为570，测绘带宽为50公里，分辨率为
35米。
与SIR-A的主要不同点在于SIR-B的波束俯视角可变，而且SIR-B可采用光学和数字两种方式记录和处理图像，比SEASAT的非实时数字处理的成像速度要快。
1987年7月原苏联发射的“COSMOS-1870”卫星上配备了一部分辨率为25米的S波段ALMAZ- ISAR系统。
该雷达的特点是天线双侧视，运行时间长达2年，是第一部长期运行的空间合成孔径雷达。
主要对人类无法进入的地区进行雷达成像测绘，监测海洋表面污染，鉴别海冰和对厚冰区的舰船进行导航等。
美国NASAIJPL实验室于1988年研制的AIR SAR，功能齐全，有P, L, C三个波段。
具有全极化能力，能同时产生12个数据通道的分辨率为10×10米的SAR 图像。
1988年12月2日，美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号将“长曲棍球（Lacrosse）”军事侦察卫星送入预定轨道，这是世界上第一颗高分辨率雷达成像卫星。
它可以全天候、全天时监视前苏联装甲部队的活动，分辨率以达到1米左右。
1989年NASA开展了一项星球雷达任务——Magellan雷达观测金星计划，将SAR拓展到研究其他星球的重要工具之一。
德国宇航局于80年代中期开发机载合成孔径雷达，并于1988年和1989年先后研制成功线性极化C波段和X波段SAR系统，1990年又扩展到L波段。
该雷达系统具有全极化方式，分辨率为2.4×4米，测绘带宽为4公里，投射角为200—270。
丹麦于1989年研制成功C波段机载合成孔径雷达，该系统具有灵活的性能指标，其分辨率、测绘带宽、和成像几何布局均可调节。
测绘带宽分别为12、24、48公里，距离向和方位分辨率分别为2、4、8米，最大作用距离为80公里，该系统的性能指标接近于美国的J-STARS。
从九十年代起，对能够提供三维信息的干涉式SAR的研究引起了世界各国的格外关注，成为SAR技术发展的新热点。
1990年8月美国又成功地发射了“麦哲伦号”太空飞船，装备有SAR系统以用于对金星表面进行成像研究；同时在机载SAR方面，美国仍处于领先地位。
在美国发展SAR技术的同时，前苏联、欧空局及日本也相继发射了星载SAR卫星，其中ERS-1和ERS-2就是欧空局成员国共同研制的，具有全系统校准能力，提高了图像质量。
1991年3月8日，NASA发射长曲棍球-2。
1991年3月31日COSMOS-1870的改进型ALMAZ-1由前苏联发射上天，搭载S波段SAR。
1991年7月1日，欧空局发射了ERS-1空间合成孔径雷达，运行3年，该雷达系统采用准极地轨道，平均高度为785公里。
测绘带宽为100公里，分辨率为30米，工作于C波段，垂直极化方式，该系统的最大特点在于实现了平台姿态的动态控制。
根据ERS-1的特性，可获得大量的星载SAR三维成像试验的数据，许多科学家利用ERS-1的数据进行三维SAR成像研究，得到了较为满意的结果。
它可提供全球气候变化情况，并对近海水域和陆地进行观测。
1991年3月前苏联发射了ALMAZ- II合成孔径雷达，其轨道高度为300公里，投射角可变，范围为300—600。
双侧视，每侧的测绘带宽为350公里，分辨率为15—30米，工作于S波段，水平极化方式。
1992年2月，日本发射了JERS-A空间合成孔径雷达，L波段，运行2年，轨道高度为568公里，投射角为38.50。
测绘带宽为75公里，分辨率为18×24米，工作于L波段，水平极化。
1993年9月，美国宇航局航天飞机成像雷达SIR-C/X-SAR发射成功，该雷达是全世界第一部多波段(L,C, X波段)、多极化、多投射角空间合成孔径雷达。
轨道高度为250--325公里，投射角在170—630范围内可变，测绘带可在15 —90公里范围内可变，分辨率为25米。
其中SIR-C工作于L, C波段，有4种极化方式，X-SAR工作于X波段，只有一种(VV)极化方式。
采用多波段工作可以研究地物对不同频率的响应，以此来区分和鉴别地物目标。
1994年NASA、DLR（德国空间局）和ASI（意大利空间局）共同进行了航天飞机成像雷达飞行任务SIR-C/X-SAR，分别在1994年4月9日到20日和9月30日到10月11日进行了两次飞行。
SIR-C由NASA负责完成，是一部双频（L波段、C波段）全极化雷达。
X-SAR由DLR和ASI共同建造，为单频X波段，单极化VV雷达。
SIR-C/X-SAR首次实现了利用多频、多极化雷达信号从空中对地球进行观测，SIR-C图像数据有助于人们深入理解现象背后的物理机理，深入开展植被、土壤湿度、海洋动力学、火山活动、土壤侵蚀和沙化等多项科学研究工作。
1995年4月21日年ERS-2发射升空。
1995年11月4日加拿大成功发射了其第一颗资源调查卫星RADARSAT-1，轨道高度800公里，投射角为100—600。
测绘带宽为45—500公里，分辨率为10—100米，工作于C波段，水平极化方式。
该星为商业应用和科学研究提供全球冰情、海洋和地球资源数据。
1996年NASA开展了第二项星球雷达任务——观测土星的Cassini任务，用于开展观测Titan表面的物理状态、地形和组成成分等多项任务，进而推测其内部构造。
1997年10月24日，NASA发射长曲棍球-3。
2000年2月11日NASA和NIMA（美国国家测绘局）联合进行了为期11天的航天飞机地形测绘任务（SRTM）。
采用60米长的可展开天线杆进行干涉测量。
2000年8月17日，NASA发射长曲棍球-4。
2002年3月1日，ESA发射Envisat卫星，搭载ASAR。
2005年4月30日，NASA发射长曲棍球-5。
2006年1月24日，日本发射ALOS，搭载PALSAR。
目前，一些发达国家正在筹划和研制新的可长期进行观测的各种技术先进的空间雷达卫星。
如欧洲空间局预计发射的ASAR是到目前为止正在研制的最先进的星载SAR；美国下一个计划是发射SIR-D，预计2005年将研制成功，投入实用，它将是多频段(可能有4个)、多极化的星载成像雷达。
目前合成孔径雷达分辨率己经达到0.lm 数量级。
纵观国外空间SAR的发展过程，可以看出随着科学技术
的不断进步，SAR的水平和功能也在不断提高。
可以相信，科学家们将不断地挖掘SAR的技术潜力，为人类的需要服务。
