卫星知识科普| 一些关于SAR的常见性概念解释

SAR数据在我们的生活和工作中越来越普及，但对于刚接触或刚听说SAR的小伙伴们来说，常常会对一些概念感到模糊，对其应用端口也不太了解。为了帮助大家更好地掌握这些常见的概念，小编特意整理并解释了在日常工作中经常遇到的几个关键概念，希望能让大家更轻松地理解和应用SAR数据。

条带模式下的SAR的一些常见概念

（图源微信公众号@纸浅）

依据 SAR的空间几何关系, SAR图像的空间分辨率通常包括距离向空间分辨率和方位向空间分辨率 (分别简称为距离向分辨率和方位向分辨率)，它们分别是衡量SAR系统能够分辨地面距离向和方位向两个相邻目标最小距离的尺度。

距离向分辨率是发生在SAR斜距方向上，因此又称为斜距分辨率。在实际应用中，人们更关心的是正交于雷达航迹方向的沿地表的分辨率即地距分辨率。如下图所示，是斜距和地距一个简单的关系示意图。

斜距和地距示意图

SAR（合成孔径雷达）是一种主动遥感技术，通过发射和接收微波信号生成地表影像。SAR数据常常以单视数据、振幅数据（Amplitude）和强度/功率（Intensity/Power）数据等类型提供。

SAR各类数据转换关系及公式

SAR单视数据常指的是单视复数数据（Single Look Complex，SLC），即：距离向视数（number of Range Looks）和方位向视数（number Of Azimuth Looks）均为1。它保留了雷达信号的原始幅度和相位信息，每个像素的表示通常是是由实部（Real）和虚部（Imaginary）构成复数据,也称为同相（In-phase）和正交通道（Quadrature channels）。通过计算 SLC（Single-Look Complex）图像中I通道和Q通道的平方和的平方根，可以得到振幅图像。对振幅进行平方即可得到强度信息。通常，强度图像用线性尺度或以dB为单位进行表示，可以更直观地表示雷达回波的强度信息。相位信息φ与同相和正交存在转换关系。

有了产品级别的定义以后，对于任一给定的SAR数据产品，用户可以根据其级别来判断其在生产过程中都经过了哪些处理流程，进而知道如何更恰当地去描述及使用产品。在实际应用中，可能由于载荷特性，技术细节敏感性、用户需求等多用因素关系，不同机构生产SAR产品级别定义会略有不同。

本文引用由中国电子科技集团公司第二十九研究所主要起草、四川省市场监督管理局发布的DB51/T 2765-2021《SAR遥感数据产品分级规范》分级如下：

依据对地观测数据产品加工处理层级(辐射校正、几何校正、拼接配准、极化处理、干涉处理、专题制图等)进行分级，分级体系由级、子级组成。共分为0~6级，各级产品根据需要可以细分为子级。

① 0级是原始接收数据经格式转换等处理得到的数据产品。

② 1级、2 级产品属于各行业、各领域普遍适应的基础类标准数据产品，其分级按照辐射校正、几何校正的处理划分。

③ 3级、4级产品属于专业领域使用的高级校正数据产品，其分级按照几何精校正、正射校正的处理划分。

④ 5级产品属于各专业领域专业分析产品，依据 SAR 数据应用特性,其分级按照融合、极化处理、干涉处理等划分。

⑤ 6级产品属于各应用领域专题产品，是在1~5级产品的基础上，进行专题标绘形成的遥感影像专题产品。

SAR数据产品的标识

DB51/T 2765-2021《SAR遥感数据产品分级规范》

卫星系统从南向北飞时，称为升轨（Ascending）；卫星系统从北向南飞时，称为降轨（Descending）。卫星升降轨形成的SAR影像矩形落图与正北方向有明显不同的偏转角度，通过偏转角度可以快速区分数据是否为相同升（降）轨数据。

SAR数据升降轨示意图

线极化是SAR中常采用的极化方式，线极化分为水平极化（Horizontal Polarization）和垂直极化（Vertical Polarization）。以观测地面为参考面，电场矢量方向平行于地球表面的极化为水平极化，垂直于地球表面的极化方式为垂直极化，如图所示。

水平极化与垂直极化示意图

在实际应用的SAR卫星中，常常会提到“单极化”、“水平极化”、“垂直极化”、“双极化”、“交叉（异向）极化”、“水平-垂直极化”、“垂直-水平极化”、“全极化”。以上不同的极化表达方式，主要表现为雷达微波信号在传送和接收过程中电磁波的振动方向不同。详细解释见下表所示：

SAR的极化解释

总的来说：SAR发射的微波具有极化性质，微波与地物目标接触后会发生旋转，改变的微波可分为水平和垂直两个分量，雷达散射信号到达雷达天线后就能分别获得垂直水平两个极化信息，经过组合可以形成HH、HV、VH、VV四种极化方式。

不同极化通道对地物几何结构的敏感性不同。例如，HH 极化对具有水平结构的地物敏感，往往可以反映地表属性；VV 极化适合观察具有垂直结构的地物；HV、VH 交叉极化与冠层密度的去极化作用有关。更进一步，通过对不同极化通道的强度组合，可以描述地物的相位属性。例如：利用同极化比[HH/VV]和交叉极化比[HV/VV]可以对裸土、森林和水域进行分类，[HH-VV]更能对应偶次散射机制，[HH+VV]表征平坦表面的单次散射。

在实际的极化SAR应用中，更青睐于使用全极化 SAR，因为相比于双极化SAR，其信息量更大，也包含更为完整的目标散射机理。双极化SAR和单极化SAR相比，亦是如此。能使用全极化 SAR 进行分类，固然很好。可某些时候，迫于载重、经费、数据量、分辨率和数据覆盖范围等因素，致使全极化 SAR 系统的使用受到限制。

SAR采用微波成像，按 GB/T 32453 《卫星对地观测数据产品分类分级规则》的规定，将SAR工作频段分为11个频段。在实际常规SAR项目的应用中，X波段、C波段、L波段出现的频率相较于其它频段要高。近几年，Ka、Ku等短波段SAR也相继升空，并在实际应用中发挥出重大作用。

频段类型（Ka、Ku、X、C、L）

不同波段具有不同的穿透能力，波长越长穿透能力越强。基于以上特性，在实际不同应用中常选择不同的波段数据进行处理。

无论是在学术研究或是在市场应用中，InSAR都具有广泛的使用性。目前，在各种应用场景中，InSAR使用最成熟的数据源主要有：Sentinel-1数据、TerraSAR-X/TanDEM-X数据、COSMO-SkyMed数据、ALOS-2数据、RADARSAT-2数据等，此外，随着技术的发展与更新，也有诸多数据具有较强的干涉能力，逐渐开始投入InSAR的泛处理中，例如：高分三号、陆探一号、涪城一号等。

InSAR技术中常用的数据源

InSAR技术中常用的数据源模式

注：本表格仅列举部分常见InSAR数据源模式，未涵盖所有