能穿透云层的SAR合成孔径雷达——地球的“透视眼”
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）。
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）：
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。
–
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)。
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。
拓展
极化 SAR 技术的应用
极化合成孔径雷达（PolSAR）通过获取目标的全极化信息，丰富了 SAR 图像的信息量，拓展了其应用领域。极化 SAR 在舰船检测、地物分类和建筑物损毁评估等领域表现出色。国内的主要高校和科研机构在极化 SAR 成像解译识别领域开展了大量研究，取得了一系列标志性成果 (合成孔径雷达极化成像解译识别技术的进展与展望)。
地基 SAR 的应用
地基合成孔径雷达（GB-SAR）是一种用于地表微变形监测的技术，广泛应用于露天矿山边坡监测、矿山排土场监测和山体滑坡应急救援等领域。GB-SAR 系统通过差分干涉处理技术，能够提供高精度的变形监测数据。中国安全生产科学研究院自主研发的边坡合成孔径雷达型地基雷达在多次实际应用中验证了其监测精度和可靠性 (吴星辉等, 2019)。
SAR 技术的发展趋势
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 (高分辨率极化合成孔径雷达成像研究进展)。此外，SAR 技术在数据处理算法和模型改进方面的持续发展，将进一步提升其在地质和灾害监测中的应用效果。
本文在我的博客同步发布和更新。
如果你觉得本系列文章有用，欢迎关注博客，点赞 👍 和收藏，也欢迎在评论区讨论，也欢迎访问我的爱发电支持我，或者对此文章进行赞赏。
其他平台账号：
