合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR）是一種高解析度成像雷達，作為一種裝載在衛星或飛機等運動平臺上的主動式微波遙感系統, 合成孔徑雷達不受光照和氣候條件限制實現全天時、全天候對地觀測, 甚至可以透過一些地表或植被獲取被掩蓋的信息。這些特點使其在軍事和民用領域都具有獨特優勢和廣泛應用。從概念提出至今經過了60多年的發展，合成孔徑雷達技術已比較成熟，多國都建立了自己的合成孔徑雷達發展計劃，各種新型體制合成孔徑雷達應運而生，在民用和軍用領域發揮著重要作用。
1、合成孔徑雷達原理
雷達（Radar）是利用微波波段電磁波探測目標的電子設備。雷達的工作原理是發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取有關該物體的某些信息(目標物體至雷達的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。
雷達的基本功能因此可簡單概括為一句話：判斷目標在什麼方向離我有多少距離？而回答這兩個問題就分別對應了雷達的兩個核心指標：方位解析度和距離解析度。研究合成孔徑雷達的科學家們一直在努力不斷提高這兩維解析度。
合成孔徑雷達系統通過發射寬帶信號實現脈衝壓縮提高距離解析度，可以理解為信號帶寬越寬距離解析度越高；利用雷達與目標的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑（孔徑這裡可理解為尺寸，一般真實天線孔徑在米級），用數據處理的方法合成為較大的等效天線孔徑（可達到數百米甚至數公裡）來提高方位解析度，可以理解為孔徑擴大了多少倍解析度就提高多少倍。
2、SAR主要工作模式
合成孔徑雷達系統主要工作模式包括條帶模式（Stripmap）、掃描模式（ScanSAR）和聚束模式（Spotlight）。條帶模式是常規工作模式；掃描模式通過降低解析度來獲得更寬的成像幅寬；聚束模式形象講就是「盯著看」，通過延長合成孔徑時間，增大等效天線孔徑進一步提高方位解析度。
SAR波段的選擇也很重要，波段選擇主要要考慮大氣傳輸窗口、頻率和極化對信息提取的影響、應用領域、圖像質量以及系統複雜度等因素綜合權衡考慮。
3、極化SAR和幹涉SAR
3.1 極化SAR
極化是電磁波的本質屬性之一，是除頻率、幅度、相位之外的又一維重要信息。電磁波的傳播和散射都是矢量現象，而極化正是用來研究電磁波的這種矢量特徵。雷達發射的能量脈衝的電場矢量，可以在垂直或水平面內被偏振。雷達可以發送水平(H)或者垂直(V)電場矢量，亦可接收水平(H)或者垂直(V)信號。這樣，SAR系統常用四種極化方式——HH、VV、HV、VH。
單極化是指(HH)或者(VV)，就是水平發射水平接收或垂直發射垂直接收。
雙極化是指在一種極化模式的同時，加上了另一種極化模式，如(HH：水平發射水平接收）和（HV：水平發射垂直接收）。全極化要求同時發射H和V，也就是HH/HV/VV/VH四種極化方式。
電磁波的極化對目標的介電常數、物理特性、幾何形狀和取向等比較敏感，因而極化測量可以大大提高成像雷達對目標各種信息的獲取能力。下圖是美國舊金山灣區不同極化方式下的成像結果：
雷達極化已經發展成為一種比較成熟的技術，在農業(分辨不同的農作物耕地)、森林(植被高度、生物量估計、物種識別)、地質(地質結構描述)、水文(表面粗糙度和土壤溼度估計、雪溼度估計)、海冰監測(冰齡和厚度估計)和海洋學(波特性估計，熱和波前探測)等很大範圍內都得到廣泛的研究和應用。
3.2 幹涉SAR
幹涉SAR（InSAR）通過兩副天線同時對目標進行觀測或一定時間間隔的兩次觀測，獲得地面同一區域兩次成像的復圖像對（包括強度信息和相位信息），若復圖像對之間存在相干條件可以得到幹涉圖。根據幹涉圖的相位值，得出兩次成像中微波的路程差，從而計算出目標地區的地形、地貌以及表面的微小變化，可用於數字高程模型建立、地殼形變探測等。
幹涉SAR可以全天時、全天候、近實時地獲得大面積地球表面三維地形信息，空間解析度高，對大氣和季節的影響不敏感。
差分幹涉雷達技術（D-InSAR）——利用三次觀測（兩張幹涉圖），進行微小運動或變化測量，對地表垂向運動和運動目標十分敏感，精度可達毫米量級，在地形變測量、地形製圖、軍事應用、海況監測、冰川運動監測、地質災害（滑坡、泥石流、地震、火山）監測、森林高度測量、作物生長變化等方面具有很大的應用潛力。
近日，中國科學院電子學研究所研究員呂孝雷、雷斌聯合中國資源衛星應用中心，處理得到第一幅高分三號衛星雷達時序幹涉（TSInSAR）地表形變測量圖，實現我國衛星雷達時序幹涉測量零的突破，該成果首次將國產雷達衛星地表釐米級形變測量提升至毫米精度，標誌著我國在衛星合成孔徑雷達幹涉測量研究領域達到國際先進水平。
衛星雷達時序幹涉技術（TSInSAR）是一種利用衛星雷達多時相大數據幹涉相干原理，實現從太空探測地面毫米形變的遙感技術，是目前唯一的一種高精度、全天時、全天候、全覆蓋、全自動的面監測技術手段，一次探測範圍平均可達1500平方公裡以上，可為國土、交通、測繪、鐵道、電力、水利、市政、減災、住建、能源等行業提供精準形變測量、狀態監控、異常預警、災後定損等服務，高效解決地理信息監測市場。
研究團隊首次獲取高分三號北京地區5景時序幹涉影像集，採用國產自主時序幹涉處理軟體，獲取166萬個永久散射點並進行形變速率解算，得到2017年3月-2018年1月北京地區整體形變速率結果。測量圖顯示，三環以內相對較穩定，形變區域集中分布在朝陽區東北部以及西部、房山區等局部地區。整體平均形變速率為-5.531mm/year（沉降），其中最大形變速率為-30.23mm/year（沉降）。在局部區域，研究團隊獲取到北京大學第一醫院保健中心施工區域的形變速率圖，在施工區域對周圍建築體的影響方面，最大形變速率為-29.898mm/year（沉降），最小形變速率為-0.175mm/year（沉降），影響範圍半徑為270.13m。
4、國外主要星載SAR系統
4.1、美國——「長曲棍球」
「長曲棍球」 (Lacrosse)系列SAR衛星, 是當今世界上最先進的軍用雷達偵察衛星, 已成為美國衛星偵察情報的主要來源。自1988年12月2日, 由美國「亞特蘭蒂斯」號太空梭將世界上第1顆高解析度雷達成像衛星「長曲棍球-1(Lacrosse-1)」送入預定軌道後,又分別在1991年3月、1997年10 月、2000年8月和2005 年4 月將Lacrosse-2、Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5送入太空, 目前在軌工作的有Lacrosse-2 ～ Lacrosse-5。4顆衛星以雙星組網, 採用X、L2個頻段和雙極化的工作方式, 其地面解析度達到1 m(標準模式)、3 m(寬掃模式)和0.3 m(精掃模式), 在寬掃模式下, 其地面覆蓋面積可達幾百平方公裡。
4.2、德國——「TerraSAR」和「SAR-LUPE」
TerraSAR-X是首顆由德國宇航中心(DLR)和民營企業EADSAstrium及Infoterra公司共同開發的的軍民兩用雷達偵察衛星。該衛星於2007年6月15日從拜科努爾航天中心發射升空, 運行在515 km的近極地太陽同步軌道上, 工作在X波段(9.65 GHz), 具有多極化、多入射角的特性,具備4種工作方式和4 種不同解析度的成像模式：StripMap(單視：距離向3m, 方位向3m)、Scan-SAR(4視：距離向15 m, 方位向16 m)、Spot-Light(單視：距離向2 m, 方位向1.2 m)和高分辨SpotLight(單視：:距離向1 m, 方位上1.2 m)。
SAR-LUPE是德國第1 個軍用天基雷達偵察系統, 服務於德國聯邦部隊。該衛星系統主要由5 顆X波段雷達成像衛星組成星座, 分布在3個高度500 km的近極地太陽同步軌道面上, 其中2個軌道面有2顆衛星運行, 另一個軌道面上有1顆衛星。每顆衛星都可以提供解析度1 m以內的圖像。整個衛星系統, 每天可以提供全球從北緯80°到南緯80°地區的30 多幅圖像, 具有SpotLight和Strip-Map兩種工作模式, 並且具有星際鏈路能力, 縮短了系統相應時間, 具備對「熱點」地區每天30 次以上的成像能力。
4.3、加拿大——「RADARSAT」
加拿大航天局於1989年開始進行SAR衛星———RadarSat-1的研製, 並於1995年11月4日在美國范登堡空軍基地發射成功, 1996 年4月正式工作, 是加拿大的第1顆商業對地觀測衛星, 主要監測地球環境和自然資源變化。該衛星運行在780 km的近極地太陽同步軌道上, 工作在C波段(5.3 GHz), 採用HH極化方式, 具有7 種波束模式、25 種成像方式。與其他SAR衛星不同, 首次採用了可變視角的ScanSAR工作模式, 以500 km的足跡每天可以覆蓋北極區一次, 幾乎可以覆蓋整個加拿大, 時間每隔3 天覆蓋一次美國和其他北緯地區, 全球覆蓋一次不超過5天。RadarSat-2是加拿大繼RadarSat-1 之後的新一代商用合成孔徑雷達衛星, 它繼承了RadarSat-1所有的工作模式, 並在原有的基礎上增加了多極化成像, 3 m解析度成像、雙邊(dual-channel)成像和動目標探測(MODEX)。RadarSat-2 與RadarSat-1 擁有相同的軌道, 但是比RadarSat-1滯後30 min, 縮短了對同一地區的重複觀測周期, 提高了動態信息的獲取能力。
4.4、義大利——「Cosmo-Skymed」
2007年6月, 由義大利國防部與航天局合作項目的首顆雷達成像衛星Cosmo-Skymed1 衛星的發射入軌標誌著Cosmo-Skymed星座項目的啟動。Cosmo-Skymed衛星工作在X波段(9.6 GHz), 具有多極化、多入射角的特性, 具備3種工作方式和5種解析度的成像模式:ScanSAR(100 m和30 m)、Strip-Map(3 m和1.5 m)、SpotLight(1 m)。其中, Cosmo-Skymed星座是義大利的SAR成像偵察衛星星座, 共包括4顆SAR衛星。該星座是與法國Pleiade光學衛星星座配套使用的, 兩者均採用太陽同步軌道, 作為全球第1個解析度高達1 m的雷達成像衛星星座, Cosmo-Skymed系統將以全天候、全天時對地觀測的能力、衛星星座特有的高重訪周期和1 m高解析度的成像為環境資源監測、災害監測、海事管理及軍事領域等應用開闢更為廣闊的道路。
4.5、以色列——「TecSAR」
TecSAR是以色列國防部的第1顆雷達成像衛星，運行在傾角為143.3°、高度為550 km的太陽同步圓形軌道上, 具有多極化(HH、VV、VH、HV)、多種成像模式(StripMap、ScanSAR、SpotLight、馬賽克)及多種解析度的特性, 工作在X波段, 最高解析度可達到1 m(SpotLight)。
4.6、其他
此外, 據不完全統計, 還有其他很多國家也在大力開展星載雷達的研究,包括：日本的PALSAR、印度的RiSat、韓國的「KompSat-5」、阿根廷的「SAOCOM」等。
5、國外主要機載SAR系統
典型代表包括裝於高空偵察型無人機「全球鷹」的合成孔徑雷達系統和查打一體型「捕食者」無人機的「山貓」合成孔徑雷達系統。
雷聲公司為「全球鷹」提供傳感器套件中包括光電/紅外傳感器，以及X波段合成孔徑雷達/動目標指示即「休斯綜合監視與偵察系統」（HISAR）。HISAR重290千克，功耗6千瓦。在廣域搜索模式下，作用距離220千米，解析度1米，每天可覆蓋13800平方千米；在聚束模式下作用距離20～200千米，解析度0.3米，在50千米距離內，雷達可成像1×2千米範圍；在50千米以外，可成像2×2千米範圍，每天提供1900幅圖像；在動目標指示（GMTI）模式下，覆蓋範圍優於200千米，可檢測速度4～70千米/小時的運動目標。
通用原子公司研製生產的AN/APY-8「山貓」（lynx）合成孔徑雷達，可安裝在「捕食者」、「蚋蚊」等系列無人機和部分有人偵察機上。該雷達工作在Ku波段，重量小於52千克。在作用距離大於55千米時，機載合成孔徑雷達的圖像解析度優於0.3米；在作用距離20～40千米的範圍內，解析度優於0.1米。通用原子公司正在開發更輕的合成孔徑雷達/活動目標指示器，重量小於40千克，安裝在近程戰術無人機上；同時開發作用距離達70千米、重90千克的遠程裝備，安裝在MQ-9「捕食者B」無人機上。
6、我國主要SAR系統（HJ-1C和GF-3）
HJ-1-C衛星和高分三號衛星合成孔徑雷達系統都是由中科院電子所抓總研製的。
HJ-1-C衛星是環境與災害監測預報小衛星中的1顆雷達衛星，也是中國首顆S波段合成孔徑雷達（SAR）衛星，質量890千克，軌道為500公裡高度。
高分三號合成孔徑雷達系統於2016年8月10日發射成功，2017年1月23日正式投入使用，是一顆解析度達到1米的C頻段多極化合成孔徑雷達衛星。高分三號的空間解析度從1米到500米，幅寬從10公裡到650公裡，不但能夠大範圍普查，一次可以最寬看到650公裡範圍；由於具備1米解析度成像模式，也能夠清晰地分辨出陸地上的道路、一般建築和海面上的艦船。高分三號同時也是世界上成像模式最多的SAR衛星，具有12種成像模式。它不僅涵蓋了傳統的條帶、掃描成像模式，而且可在聚束、條帶、掃描、波浪、全球觀測、高低入射角等多種成像模式下實現自由切換，既可以探地，又可以觀海，達到「一星多用」的效果。
7、SAR的主要應用
合成孔徑雷達在軍事上和民用領域都有廣泛應用，如戰場偵察、導航制導、資源勘測、地圖測繪、海洋監視、氣象監測、環境遙感、災害監測等。
致謝
感謝中科院電子所王宇博士和鄭慧芳博士提供的視頻素材。
參考文獻
1、http://www.rscloudmart.com/zt/gf3
2、《雷達通信電子戰》「合成孔徑雷達成像技術」
3、http://www.ie.ac.cn 「電子所成功處理得到第一幅國產SAR衛星時序幹涉測量圖」