能穿透云层的SAR合成孔径雷达——地球的“透视眼”

renhai

发布于 2024-10-25 13:19:52

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合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）听起来似乎有些深奥，但其实它是一种非常实用的遥感技术，涉及到微波、反射、还有一堆数学处理——听起来就像是把雷达变成了一台摄影机，但拍出来的不是电影画面，而是一幅幅对地表的精细描绘。

具体来说，合成孔径雷达能够在全天候、全天时的条件下获取地球表面的高分辨率图像。其在军事、环境监测、地质研究和灾害管理等多个领域得到了广泛应用。

本文将详细探讨 SAR 技术的应用现状。

SAR 的工作原理

原理主要分为三个部分：微波发射与回波接收、合成孔径和信号处理。

微波发射与回波接收：SAR 卫星通过天线向地表发射微波信号，微波穿透云层、烟雾等大气障碍物。信号碰到地面物体后反射回卫星天线，卫星接收这些回波信号。
合成孔径：由于天线的物理尺寸有限，SAR 使用“合成孔径”技术，通过卫星沿轨道移动，利用多次测量产生的信号来模拟更大的天线，从而提高图像分辨率。
信号处理：接收到的回波信号经过处理，结合卫星的运动信息，生成高分辨率的地面雷达图像。通过分析这些回波强度和相位，可以推断地表的形态、湿度、粗糙度等特征。

合成孔径雷达的名字看上去很复杂，细想其实蛮贴切。

这个"合成孔径"的意思就是通过卫星沿轨道移动，把接收到的多次反射信号合成起来，模拟出一个比实际天线大得多的雷达孔径，以此来提升图像的清晰度。好比你在阴雨天拿着手机给风景拍照，换了个角度连着拍了好几张，再把这些照片拼接在一起，得到的画面会比单张照片清楚许多。SAR 的基本原理就是发射微波信号，这些信号穿透云层、烟雾甚至黑夜，遇到地面再反射回来——就像一只眼睛，在地球周围不断地捕捉大地的每一寸变化。

合成孔径雷达在减灾领域的应用

合成孔径雷达在减灾领域的应用主要集中在灾害预警、监测和评估方面。SAR 技术能够通过分析地表形变、地震活动和洪水扩散等现象，为灾害管理提供及时和准确的数据支持。例如，中国的环境减灾 HJ-1C SAR 卫星是首颗用于减灾救灾的民用 SAR 卫星，自 2012 年发射以来，在国内外的减灾领域得到了广泛应用。该卫星利用单极化、多极化、干涉和极化干涉 SAR 数据，在灾害预警监测评估领域展现了巨大的潜力（合成孔径雷达数据减灾应用潜力研究综述 - 百度学术[1]）。

SAR 在洪水监测中的优势

合成孔径雷达的强大之处在于它的不怕云、不怕雾、不怕黑，甚至连暴雨也奈何不了它。

假如你住在一个洪水频发的地区，那么 SAR 就是最合适的监测工具之一。

因为洪水常伴随着恶劣的天气，厚厚的云层挡住了光学卫星的视线，但对 SAR 来说，这些云层不过是一层窗纱而已。我们可以借助 SAR 影像绘制洪水扩展的范围，从而为救援行动提供准确的信息支持。

传统的光学卫星图像拍摄的 2019 年密苏里州圣路易斯地区（来自Sentinel-1 GRD[2]）：

Sentinel-1 GRD 的数据可以获取 SAR（合成孔径雷达）卫星影像，具体来说，Sentinel-1 系列卫星提供了高分辨率的地面检测能力。它的 C 波段雷达成像技术，能够不受天气和光照影响，全天候地获取数据。 如何获取 Sentinel-1 GRD 数据： 通过ASF Data Search[3]注册并搜索中国区域的数据。你可以根据时间、区域和产品级别来筛选你所需要的数据。同样他们也提供 API：Search API Basics - ASF SAR Data Search Manual[4]。

传统的光学卫星图像

-- SAR 拍摄的：

与传统的光学卫星图像不同，厚厚的云层也可能妨碍使用光学卫星图像进行可视化和分析。

在这种情况下，合成孔径雷达卫星图像很有价值，因为它可以穿透云层和雾蒙蒙的大气条件，从而能够对洪水进行连续观察和绘图。

以上图片来自 ArcGIS Pro 的官方案例库，文中还利用了深度学习技术识别区域差异，感兴趣的可以点击使用 SAR 数据和深度学习绘制洪水地图 | Documentation[5]查看

SAR 在地质灾害监测和地面形变分析中的应用

当然，SAR 的作用远不止于洪水监测。

地质学家用它来监测地震活动后的地表形变，甚至能发现一些肉眼根本看不到的微小位移。通过反复对同一区域进行成像，SAR 捕捉到大地那几毫米的"呼吸"，帮助科学家们解读地球内部的秘密。同样，火山的活动迹象、地面沉降的细微变化，SAR 都能一一记录下来。也正是因为这些优势，合成孔径雷达成为了科学家眼中理解地球活动的重要工具。

再比如，SAR 在环境监测方面也有独到之处。你听说过北极的冰盖吧？每年冬夏，冰层变化幅度很大，而要追踪这些变化，光学影像显然不太够。因为冰层上空的天气大多多变，而 SAR 能轻松穿透厚厚的冰雾，为研究气候变化的科学家们提供可靠的冰层数据。无论是冰川融化的速度，还是海冰的漂移方向，这些都是通过 SAR 影像所获知的。

通过干涉合成孔径雷达（InSAR），研究人员能够检测地表的微小形变，这对于地震、火山活动和滑坡等地质灾害的监测具有重要意义。近年来，国内外研究人员在 SAR 地质应用方面取得了显著进展，特别是在地面目标识别与分类、地震及地质灾害监测中的应用 (汤沛等, 2012[6])。

SAR 在军事中的应用

SAR 也深受军事界的青睐。

随着雷达技术和地球科学的发展，SAR 技术的应用领域不断拓展。高分辨率极化 SAR 成像技术的进步，使得对目标的物理特性解译更加准确，这为环境监测、军事侦察和地质测绘等领域提供了新的可能性。

结论

SAR 是一种让地球表面变得无所遁形的技术，不挑昼夜，不畏风雨，甚至不受地形的阻碍。这种"透视"般的能力让它在科学研究、环境保护、灾害应对和军事侦察中发挥着重要作用。而它那富有诗意的工作方式——在静谧的太空中，用微波"轻抚"地球表面，从回波中读出大地的秘密，也不由得让人感叹科技的奇妙与美好。就像合成孔径雷达的名字一样，它并不追求炫目，只是在不停地捕捉地球的脉动，为我们打开一扇通向真相的窗户。

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