合成孔径雷达( SAR) 是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达，也称综合孔径雷达。合成孔径雷达通常装在飞机或卫星上，分为机载和星载两种。本文主要对合成孔径雷达的发展历史进行介绍，不过多介绍其组成原理。

合成孔径雷达

合成孔径雷达的产生

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。机载脉冲多普勒雷达利用多普勒效应通过信号处理提高方位分辨力的工作模式。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。那么什么是运动补偿呢？

雷达采集信号传入成像系统，成像系统向运动补偿系统发送申请信号,运动补偿系统通过对申请信号进行精确授时而获得雷达成像数据的起止时间信息,实现运动补偿系统和成像系统之间的同步,在雷达成像数据截止时刻将相应的运动补偿数据提供给成像系统,实现实时运动补偿,以提高成像的质量。正是这些新思想最终促进了合成孔径雷达的发展。最终于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。

（图像对比）

（我国第一副SAR图像）

SAR是主动式侧视雷达系统，且成像几何属于斜距投影类型。因此SAR图像与光学图像在成像机理、几何特征、辐射特征等方面都有较大的区别。第一，目前高分辨 SAR 系统的分辨率已经可以达到厘米级，能够清晰的对大型战术目标如坦克、装甲车等进行清晰的成像，有效的帮助军事人员对目标进行判读；第二，SAR 使用主动微波成像，有一定的穿透作用，能够有效探测各种伪装下目标；第三，SAR 具有全天时全天候的工作特点，适合在各种恶劣的战场条件下完成侦查任务。

合成孔径雷达的发展

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。20世纪60年代，合成孔径成像技术由于受到技术水平的限制，SAR仍采用光学处理，但在处理方法上提出了一种新的极坐标存储格式。该方法可以有效地减缓由于回波信号在距离维的移动超过距离分辨单元造成的问题。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。从此之后世界各国均接连向太空发射不同的搭载合成孔径雷达的航天器。

其中最引起轰动的是1981年11月12日美国“哥伦比亚”号航天飞机，其搭载SIR-A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。随着不断的发展欧美发达国家已经实现了多频段(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，并且可以进行长期观测。

（哥伦比亚”号）

合成孔径雷达的发展趋势

物理实体优化

为了使星载合成孔径雷达获得更大的发展和广泛的应用．必须降低合成孔径雷达的体 积、重量、功耗和成本．实现合成孔径雷达的天线、电子设备的小型化。有了小型化、低 成本合成孔径雷达的基础，才有可能采用多颗SAR卫星组成卫星星座，提高星载合成孔 径雷达的时间分辨率。美国已经提出一个称为“监视、目标指引和侦察卫星星座”的小卫星战术侦察系统方案，采用37颗卫星组网，重访周期只有8 min。

SAR的干扰、抗干扰

合成孔径雷达的对抗由两方面组成：合成孑L径雷达干扰；合成孔径雷达抗干扰。SAR的干扰和抗干扰技术的基础是SAR的信号处理，目前尚处于前期研究阶段。随着SAR在军事用途中发挥作用的加强，对SAR的干扰和抗干扰的研究会得到更多的重视。

超宽带合成孔径雷达

超宽带合成孔径雷达(UWB SAR)可实现高分辨力成像，近年来得到了迅速发展。林肯实验室研制的UHF SAR频带为200～400 MHz，研制该雷达是为检测在掩体内或埋地不深的物体。雷达重频为200 MHz，水平极化，在1995年10月的试验中，该雷达能明显探测到隐蔽在掩体内的军用车辆。海湾战争以来，美研制FoPEN SAR和GPEN等超宽带系统，并于1992年前后进行系统实验，取得了一系列的成果，验证了UHF／VHF UWB SAR良好的穿透力和精细成像的能力，促进了超宽带合成孔径雷达技术的发展。

定标技术

SAR定标的根本目标就是确定SAR图像中的灰度值与地物后向散射系数的精确关系。随着SAR技术的发展，定标技术已成为新一代SAR系统必不可少的组成部分，广泛应用于机载SAR和星载SAR以生产SAR的精密定量产品。SAR定标技术是实现SAR对地定量观测的关键技术。

我国的发展状况

我国星载 SAR 的研制工作起步于上世纪九十年代初，先后进 行了“863”项目和“星载 SAR 海洋应用研究”等课题的研究。同时，中国科学院电子学研究所、中国电子科技集团公司第 38 研究所和中国空间技术研究院等多家单位也在积极进行 SAR 系统的研制。这些工作极大地推动了我国星载 SAR 卫星遥感的发展。天绘-2 号卫星于 2019 年 4 月 30 日成功发射，是 我国首个基于干涉合成孔径雷达技术的微波测绘卫星系统 。该系统工作于 X 频段，处于 500 km 的 太阳同步轨道，由两颗对等的卫星组成，采用异轨 道面卫星编队、一发双收雷达收发模式的技术体 制，可以快速测制全球数字表面模型和雷达正射影 像。天绘-2 号在国际上首次采用双频成像技术解 决干涉相位绝对模糊问题，彻底摆脱了对地面控制数据的依赖。

识别伪装和穿透掩盖物的能力，但其图像确不够只管，解译十分困难。

（1）SAR图像整体特点

1、SAR图像是斜距图像，方位向和距离向分辨率不一致（距离向分辨率较高，例如2m*3m），斜距图像上近距离被压缩（光学图像是远距离被压缩）。

2、SAR图像特有的几何特点（如透视、收缩、倒置、盲区、斜距显示的图像近距离压缩等）加大了SAR图像解译难度。

3、SAR图像固有的相干斑噪声使得目标边缘模糊、清晰度下降，也造成SAR图像解译采用完全不同的方法。

4、俯仰角度和方位角变化时，SAR图像会表现出较大的差异。需要结合具体的观测参数对SAR图像进行判读。

5、存在多次反射效应、虚假现象、多普勒频移等。以上使得SAR图像解译非常困难。

（2）斜距投影-近距被压缩

在距离向上，离SAR越近，变形就越大，这跟光学遥感图像刚好相反。距离向分为两种投影∶·斜距（Slant range）∶ 雷达到目标的距离方向，雷达探测斜距方向的回波信号。

·地距（Ground range）∶ 将斜距投影到地球表面，是地面物体间的真实距离。

地面上相同大小的地块，A/B/C在斜距和地距的投影，A距离雷达较近，在斜距图像上却被压缩了，这种失真就是近距压缩。

雷达图像距离压缩规律

1、距离压缩是斜距成像的雷达影像在距离向呈图像压缩的几何失真现象;

2、由于距离向目标当地入射角处处不相等，所以在距离向目标分辨率处处不同;

3、靠近星下点的目标成像压缩现象严重，远离星下点的目标压缩现象较轻微;

4、如果对山地成像，即便地距显示也不能保证图像无几何形变。换言之，山地必有几何形变。

随着距离的增加，在地形坡度为常数时入射角也会相应变大

透视收缩也称"前缩"，起伏地形的雷达影像山坡长度的按比例计算后总比实际长度要短。主要是面向雷达波束的斜面投影到斜距平面时斜面的压缩，归根结底还是距离压缩现象。

当雷达波束到斜坡的顶部、中部和底部的斜距分别为R、Ry、和Rg，由于R产>Rw>RB，雷达波束先照射到坡底，然后才照射到坡顶，坡底先成像，坡顶后成像，该斜坡的斜距显示在图像上的距离为△R，△R，显然小于实际坡长L。因此，斜坡的长度在图像上被缩短了。

斜坡面与雷达入射方向正交（局部入射角为0）时，透视收缩最严重。如图所示，Rr=Rw=Rg，坡顶，坡腰和坡底成像为同一点。

图像上前坡总是比后坡距离压缩明显，透视收缩表明较大的回波面积集中体现在较小的图像区域，在强度图像上，前坡比后坡明亮。根据透视收缩现象可以判断雷达观测方向和坡高等信息。

SAR主要工作模式

5.1 成像与强度应用

影像成像与强度应用是SAR影像的基本工作模式，单幅SAR影像数据主要是应用于地物分类以及目标识别，强度特征则是SAR影像最主要的特征之一，基于SAR强度影像可以提取地物信息。SAR可以根据物体的物理化学性质差异，辨别各种地形、地貌特征，对于地质领域的填图以及地震带的确认工作有较大帮助。在目标识别上，SAR 可进行海上的船舶监测和识别、溢油探测、陆地车辆等移动目标监测。地面慢速运动目标的检测与成像也是SAR卫星影像的国防之一。通过建筑物的叠掩和阴影，SAR可以对建筑物的三维信息进行提取，并在一些突发地灾后对建筑损毁状况、滑坡、堰塞湖等进行受灾前后的对比评估。SAR还可以结合高程数据进行精确的坐标定位。

条带成像（StripMap SAR）：条带成像工作模式是指随着SAR卫星的移动，天线保持相对固定的方向与位置。天线通过相对均匀的速度扫过地面，信号传输速率等于脉冲重复频率（PRF），以此得到不间断的图像和较高的方位角分辨率。该模式的成像结果会呈现条带状，条带的长度取决于雷达移动的距离，方位向分辨率由天线长度决定。

扫描成像（Scan SAR）：扫描模式与条带模式的不同在于，在一个工作周期内，天线波束会沿着距离向进行多次扫描。这种方式牺牲了方位向分辨率，但覆盖区域比聚束和条带模式要大得多。然而，由于方位向的带宽降低，方位角分辨率远低于条带成像模式。

聚束成像（SpotLight SAR）：聚束模式主要针对特定用户较感兴趣的范围，通过扩大天线照射波束角宽，使目标在波束内保持更长时间，从而提高条带模式的分辨率。实现原理是在SAR卫星飞行过程中，将天线波束指向向后调整，在短时间内模拟出一个较宽的天线波束。但卫星在太空轨道中一直保持相对运动，天线波束向后的调整范围有限，因此只能在有限区域成像。同时，由于天线波束在结束特定区域观察后需要回调向前，因此聚束模式无法做到连续采集影像，无法保证影响到连续性。聚束模式牺牲了影像的覆盖范围，但针对特定兴趣目标可以提供更高方位角分辨率的影像。聚束模式的产品也是几种工作模式中最贵的一种。

5.2 干涉（InSAR）

如果只有单幅SAR卫星影像，那么用户没办法知道地面物体到SAR卫星之间的距离。为了获取更多的信息，干涉测量（InSAR）成为了SAR技术最重要的分支之一。其原理在于对同一目标进行两次以上的观测，并进行相干处理，利用干涉相位反演，测量出地表的微小移动或地面高程信息。InSAR初期主要利用相位高程信息进行数字高程模型（DEM）的生成和制图。随着技术的演进，InSAR应用扩展到了地面沉降监测、地震形变场反演、山体滑坡、火山活动监测、监测建筑物和桥梁等基础设施的稳定性方面，可以捕捉到毫米至厘米级的地表形变信息。

InSAR是SAR最重要技术路径之一。如果不能做InSAR，相当于失去了SAR卫星影像一半的信息。众所周知，卫星在太空中一直围绕着地球在运动。然而如果要进行InSAR测量，必须保证影像多次拍摄的位置和角度不能相差太远，其所对应的就是基线、共同频谱和天线倾斜角度。拍摄两张SAR影像的时间周期内，卫星的位置必须被控制在一个范围，通常需要在数百米内。同时，天线的姿态和角度必须相同，才能产生共同频谱。因此，轨道控制是SAR卫星实现InSAR最重要的方式。InSAR的定量化精准度与系统的敏感度密切相关。行业内检验一颗SAR卫星的质量，会将其是否能做InSAR处理作为核心的考核指标。

轨道控制需要消耗能源，携带能源的数量直接取决于卫星的体积。因此，过往InSAR技术只有国家级别的研究机构和大型航天器才能实现，例如1230kg的TerrSAR-X和2200kg的哨兵一号。当芬兰小卫星企业ICEYE在2020年5月发布两张干涉图样张时，业内普遍感到震惊。ICEYE的小卫星重量不到100kg，如果能以如此小的卫星重量，通过18天的重访周期实现InSAR，对小卫星行业的发展将具有跨时代的意义。但从业者认为，ICEYE目前发布的是高频监视图像，并非InSAR模式，小卫星的InSAR数据获取能力尚不成熟。当前，行业内也在密切中国的民营小卫星企业，哪一家能解决小卫星姿轨控问题，率先推出稳定的InSAR服务。

InSAR技术虽然作为SAR应用领域的重要分支，但其本质是为其他行业提供信息和服务。因此，要将InSAR技术落地成具体的服务，还需要深入了解地球物理、土木、工程、油气、地质灾害等行业的知识，才能将InSAR的测量结果转化成其他行业所需的关键信息。InSAR有两个方面主要特长，一个是在广域空间背景下普查识别正在变形的疑似灾害体，另一个是中长时间尺度对已确认为灾害隐患的目标进行重复连续监测。然而，受限于相位测量的局限性，InSAR依然难以达不到地面GNSS观测手段的高效性，也做不到短时间内的预警，因此仍需要其他观测手段进行辅助。

5.3 极化(Pol-SAR)

极化是电磁波的本质属性之一，是除频率、幅度、相位之外的又一维重要信息。当SAR卫星向地面发射信号时，同一目标在不同方向的电磁场振动下会产生不同的回波信号，这就是极化(Pol-SAR)。极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力。不同地物对极化的响应能力不同，利用不同极化的电磁波对地物进行观测，能够得到更加丰富的地物信息。极化的方式主要就两个，分别是水平极化（H）和垂直极化（V）。水平极化是指SAR卫星发射信号时，其无线电波的振动方向是水平方向。垂直极化是指SAR卫星发射信号时，其无线电波的振动方向是垂直方向。使用H和V线性极化的雷达系统可以具有常见的四个双极化通道（HH、VV、HV、VH），分别表示发送和接收极化信号的方式。

全极化技术难度最高，要求同时发射H和V，也就是提供HH、HV、VH和VV四种极化方式。全极化SAR不仅可以提供四种极化的强度影像，还可以通过目标极化分解得到表征目标散射或几何结构信息的极化特征，进一步增强地物信息提取能力。

雷达极化已经发展成为一种比较成熟的技术，在农业（分辨不同的农作物耕地）、森林（植被高度、衰减系数等生物量的估计、物种识别）、地质（地质结构描述）、水文（表面粗糙度和土壤湿度估计、雪湿度估计）、海冰监测（冰龄和厚度估计）和海洋学（波特性估计，热和波前探测）等很大范围内都得到广泛的研究和应用。

全球民用雷达行业市场发展现状

根据Grandview Research的数据显示，全球雷达市场规模呈现逐年上升趋势，到2020年全球雷达市场规模达到了314亿美元左右，较2014年的253.8亿美元上升了23.72%。根据Grandview Research的数据显示，2020年全球军用雷达的市场占比约为61.1%；因此前瞻根据Grandview Research的数据并按照全球军民用市场的变化进行调整，从而测算出2014-2020年全球军民用雷达市场规模。整体来看，全球雷达市场仍以军用雷达为主，但民用雷达的市场份额正在逐渐侵占军用雷达的市场份额。2020年，全球民用雷达的市场规模约为122亿美元左右。

行业格局：北美地区引领全球民用雷达行业

由于北美和欧洲的雷达产业起步较早，发展较为迅速，两个地区合计市场份额约占全球的60%。而亚太地区近年来发展迅速，在2019年的市场份额约为30%，已经超过了欧洲地区。

根据MarketsandMarkets的数据显示，北美是全球民用雷达最大的区域市场，达到了40%；但亚洲地区是增速最快的地区，在未来5年内将不断加近与北美的差距。

在全球方面，民用雷达行业主要由国际传统民用雷达领先公司和国际新兴民用雷达领先公司构成；其中，国际传统民用雷达领先公司主要以美国雷神公司、意大利Selex ES公司、法国泰雷兹集团Thales等企业为龙头，而国际新兴民用雷达领先公司则是以美国Metawave公司、美国Uhnder公司、以色列Vayyar公司等为龙头企业。

全球民用雷达主要企业竞争格局

亚太地区：已超过欧洲成为全球第二大市场

随着发展中国家近年来的崛起，基建的建设、进出口贸易的火热以及中小企业的蓬勃发展，民用雷达行业的发展将会处于一个高速发展阶段；特别是投资回报率的攀升更加带动了亚太地区民用雷达行业的快速发展。

根据Grandview Research的资料显示，近年来亚太地区民用雷达市场快速发展，与北美地区的差距呈现逐渐变小的趋势。根据MarketsandMarkets的数据，2019年亚太地区的民用雷达市场规模约占全球的30%左右；

前瞻根据亚太地区民用雷达市场的发展测算出2014-2020年亚太地区民用雷达市场规模。2020年，亚太地区民用雷达市场的市场规模约为37.7亿美元左右。

根据Grandview Research的资料显示，2020-2027年亚太地区将会CAGR5.6%的速度攀升。前瞻根据亚太地区民用雷达市场的发展预测出2021-2026年亚太地区民用雷达的市场规模，2026年亚太地区民用雷达市场规模约为52亿美元左右。