合成孔径雷达(SAR)点目标成像Matlab仿真源码分享

SAR原理简介

用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线通过“运动”方式就合成一个等效“大天线”，这样可以得到较高的方位向分辨率，同时方位向分辨率与距离无关，这样SAR就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的SAR图像。

图1 SAR成像原理示意图

1、几个参重要参数

为了更好的理解SAR和SAR图像，需要知道几个重要的参数。

分辨率

SAR图像分辨率包括距离向分辨率（Range Resolution）和方位向分辨率（Azimuth Resolution）。

图2 距离向和方位向示意图

• 距离向分辨率（Range Resolution）

垂直飞行方向上的分辨率，也就是侧视方向上的分辨率。距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关，与脉冲持续时间成正比：

Res( r) = c*τ/2

其中c为光速，τ为脉冲持续时间。

• 方位向分辨率（Azimuth Resolution）

沿飞行方向上的分辨率，也称沿迹分辨率。如下为推算过程：

• 真实波束宽度： β= λ/ D

• 真实分辨率：ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)

• 合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)

• 合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2

其中λ为波长，D为雷达孔径，R为天线与物体的距离。   从这个公式中可以看到，SAR系统使用小尺寸的天线也能得到高方位向分辨率，而且与斜距离无关（就是与遥感平台高度无关）。

图3 方位向分辨率示意图

• 极化方式

雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长，雷达信号可以传送水平（H）或者垂直（V）电场矢量。接收水平（H）或者垂直（V）或者两者的返回信号。雷达遥感系统常用四种极化方式———HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化，后两者为异向(交叉)极化。

极化是微波的一个突出特点，极化方式不同返回的图像信息也不同。返回同极化（HH或者VV）信号的基本物理过程类似准镜面反射，比如，平静的水面显示黑色。交叉极化（HV或者VH）一般返回的信号较弱，常受不同反射源影响，如粗糙表面等。

图4 HV极化示意图

• 入射角（Incidence Angle）

入射角也叫视角，是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角（如下图中的θ）。微波与表面的相互作用是非常复杂的，不同的角度区域会产生不同的反射。低入射角通常返回较强的信号，随着入射角增加，返回信号逐渐减弱。

根据雷达距离地表高度的情况，入射角会随着近距离到远距离的改变而改变，依次影响成像几何。

图5 SAR入射角示意图

2、SAR拍摄模式

SAR主要有三种拍摄模式：Stripmap，ScanSAR和 Spotlight。

当然最新的SAR系统拥有更多的拍摄模式，比如RADARSAT-2还用于超精细、高入射角等拍摄模式

• 条带模式-Stripmap

当运行Stripmap 模式时，雷达天线可以灵活的调整，改变入射角以获取不同的成像宽幅。

最新的SAR系统都具有这种成像模式，包括RADARSAT-1/2， ENVISAT ASAR， ALOS PALSAR，TerraSAR-X-1， COSMOSkyMed和RISAT-1。

• 扫描模式-ScanSAR

扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间，最后获取一个完整的图像覆盖区域。它能解决Stripmap模式较小的刈幅。

• 聚束模式-Spotlight

当执行聚束模式采集数据时，传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。

它与条带模式主要区别为：

1. 在使用相同物理天线时，聚束模式提供更好的方位分辨率；
2. 在可能成像的以一个区域内，聚束模式在单通道上的提供更多的视角；
3. 聚束模式可以更有效的获取多个小区域。
   

1. %%================================================================
2. %%Filename: stripmapSAR.m
3. %%Help file: stripmapSAR.doc
4. %%Project: Stripmap SAR Simulation using point targets and Reconstrction
5. %% with Range-Doppler Algorithm
6. %%Author: Zhihua He ,National University of Defence Tecnology ,2005/3
7. %%E-mail: skynismile@yahoo.com.cn
8. %%================================================================
9. clear;clc;close all;
10. %%================================================================
11. %%Parameter--constant
12. C=3e8; %propagation speed
13. %%Parameter--radar characteristics
14. Fc=1e9; %carrier frequency 1GHz
15. lambda=C/Fc; %wavelength
16. %%Parameter--target area
17. Xmin=0; %target area in azimuth is within[Xmin,Xmax]
18. Xmax=50;
19. Yc=10000; %center of imaged area
20. Y0=500; %target area in range is within[Yc-Y0,Yc+Y0]
21. %imaged width 2*Y0
22. %%Parameter--orbital information
23. V=100; %SAR velosity 100 m/s
24. H=5000; %height 5000 m
25. R0=sqrt(Yc^2+H^2);
26. %%Parameter--antenna
27. D=4; %antenna length in azimuth direction
28. Lsar=lambda*R0/D; %SAR integration length
29. Tsar=Lsar/V; %SAR integration time
30. %%Parameter--slow-time domain
31. Ka=-2*V^2/lambda/R0; %doppler frequency modulation rate
32. Ba=abs(Ka*Tsar); %doppler frequency modulation bandwidth
33. PRF=Ba; %pulse repitition frequency
34. PRT=1/PRF; %pulse repitition time
35. ds=PRT; %sample spacing in slow-time domain
36. Nslow=ceil((Xmax-Xmin+Lsar)/V/ds); %sample number in slow-time domain
37. Nslow=2^nextpow2(Nslow); %for fft
38. sn=linspace((Xmin-Lsar/2)/V,(Xmax+Lsar/2)/V,Nslow);%discrete time array in slow-time domain
39. PRT=(Xmax-Xmin+Lsar)/V/Nslow; %refresh
40. PRF=1/PRT;
41. ds=PRT;
42. %%Parameter--fast-time domain
43. Tr=5e-6; %pulse duration 10us
44. Br=30e6; %chirp frequency modulation bandwidth 30MHz
45. Kr=Br/Tr; %chirp slope
46. Fsr=3*Br; %sampling frequency in fast-time domain
47. dt=1/Fsr; %sample spacing in fast-time domain
48. Rmin=sqrt((Yc-Y0)^2+H^2);
50. Refa=exp(j*pi*Ka*ta.^2).*(abs(ta)<Tsar/2);
51. Sa=iftx(ftx(Sr).*(conj(ftx(Refa)).'*ones(1,M)));
52. Ga=abs(Sa);
53. %%================================================================
54. %%graw the intensity image of signal
55. colormap(gray);
56. figure(1)
57. subplot(211);
58. row=tm*C/2-2008;col=sn*V-26;
59. imagesc(row,col,255-Gr); %intensity image of Sr
60. axis([Yc-Y0,Yc+Y0,Xmin-Lsar/2,Xmax+Lsar/2]);
61. xlabel('\rightarrow\itRange in meters'),ylabel('\itAzimuth in meters\leftarrow'),
62. title('Stripmap SAR after range compression'),
63. subplot(212);
64. imagesc(row,col,255-Ga); %intensity image of Sa
65. axis([Yc-Y0,Yc+Y0,Xmin-Lsar/2,Xmax+Lsar/2]);
66. xlabel('\rightarrow\itRange in meters'),ylabel('\itAzimuth in meters\leftarrow'),
67. title('Stripmap SAR after range and azimuth compression'),
68. %%================================================================
69. %%draw 3D picture
70. figure(2)
71. waterfall(real(Srnm((200:205),:)));axis tight
72. xlabel('Range'),ylabel('Azimuth'),
73. title('Real part of the raw signal'),
74. figure(3)
75. waterfall(Gr((200:205),(600:1000)));axis tight
76. xlabel('Range'),ylabel('Azimuth'),
77. title('Stripmap SAR after range compression'),
78. figure(4)
79. mesh(Ga((200:300),(750:860)));axis tight
80. xlabel('Range'),ylabel('Azimuth'),
81. title('Stripmap SAR after range and azimuth compression'),
82. %%================================================================
83. %%draw -3dB contour
84. figure(5)
85. a=max(max(Ga));
86. contour(row,col,Ga,[0.707*a,a],'b');grid on
87. axis([9995,10050,-20,20]),
88. xlabel('\rightarrow\itRange in meters'),ylabel('\itAzimuth in meters\leftarrow'),
89. title('Resolution Demo: -3dB contour');
90. %%================================================================

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