合成孔径技术

一、合成孔径

继续小白算法，今天入门一下合成孔径的算法。
估计很多人知道这个名字，但不知道这是什么东西。最先了解到这个是从军用雷达技术看到的，就是飞机上背一个大锅。那个大锅就是合成孔径雷达，即synthetic aperture radar，简称为SAR。从合成孔径技术出现到现在，基本都是在军用、航天等层级上应用，在70年代左右合成孔径技术开始在声呐、声学无损检测、医学超声等其它方便展开应用，但至今未形成应用主流。或者说主流仍然是军用、航天这种高级别应用为主。
合成孔径中的合成是指SAR系统通过利用多次雷达脉冲信号的相位差异来合成一个更大的孔径，从而实现高分辨率成像；孔径这个概念就比较有意思，它是从原来的望远镜转移过来的，早期的天文望远镜往往通过镜片的大小来确定精度也就是镜片的孔径（就是镜筒的直径，也就是镜片的直径）大小（越大透光越多）来区别望远镜的等级高低。而雷达的工作原理是通过天线来发射雷达波再接收回波实现类似于望远镜的过程，所以这里的孔径指的就是雷达天线的长度。一般来说，天线越长，雷达的效果越好，但在实际工作中，长度受到各种条件的限制，比如在飞机上、舰船上、卫星上等等，它的物理大小就确定天线的极限长度。
合成孔径整体上来看，就是通过运动虚拟实现一个非常大的天线，从而达到更好的分辨率。
合成孔径雷达的定义有两种解释：
1、多普勒解释
即SAR平台的连续运动，由于多普勒效应，就可以定位回波的位置。即多普勒的高频偏移是波束的前后部分而低频偏移为后半部分。频移越大，则说明离波束中心越远。这样，就可以把天线的轨迹划分为多个多普勒频移的单元，而雷达波扫射目标后，其相应的波的频率将会发生改变。这个特点就需要雷达具有更精密的回波频率测试能力。

2、几何解释
这个比较容易理解，其实就是将SAR中的单个小天线的运动（大锅），通过一系列的测试合成一个超长的孔径天线。

而合成孔径雷达的SAR的发明者Wiley的说法是：“一个是频域解释，即多普勒分析；一个是时域内分析即合成孔径雷达”。

二、特点和作用

合成孔径的特点是可以使用较宽的波长来实现高精度的成像，也就是说，合成孔径技术是一种算法技术而不单纯是一种物理技术。合成孔径雷达相比普通雷达有着更好的分辨率，可以不分昼夜和全天候使用，在军事上可以有效识别伪装并穿透隐蔽物。
它主要有以下几种模式：
1、条带合成孔径雷达（Stripmap SAR）
很好理解，就是天线均匀的如一条带状扫描成像。
2、扫描合成孔径雷达（Scan SAR）
在一个合成孔径时间内反复扫描得到高更的分辨率，但也牺牲了方位分辨率
3、聚束合成孔径雷达（Spotlight SAR）
即通过天线的照射角宽变动来对特定的区域进行成像
4、双站合成孔径雷达（Bistatic SAR）
即收发两个机器离得较远，形成两个两个基址。
5、逆合成孔径雷达（Inverse SAR）
即雷达不动，目标动，反过来了。
6、干涉合成孔径雷达（InSAR）
通过复数图像处理来实现干涉图。

三、重要参数

1、分辨率
分为距离向分辨率（Range Resolution）和方位向分辨率（Azimuth Resolution）。
2、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。
3、信噪比
这个容易理解，有效的无效的信号比。
4、距离徒动
即雷达与目标间的距离随时间的变化导致距离徙动（range cell migration ,即RCM），使数据处理变得复杂。

在合成孔径技术中，运动补偿是一个重要的技术。

四、合成孔径声呐

在医学领域的声呐上，也开始应用合成孔径技术即 synthetic aperture sonar (SAS) 。声呐合成孔径技术在实际应用中主要有三种，包括浅地层剖面、多波束测深仪和侧扫合成孔径声呐。但目前的主流是最后一种即侧扫合成孔径声呐。
SAS的成像中声波的波长一般以分米波和厘米波为主，由于水声速度低，故而只有使用足够宽的频带才能提高成像的分辨率。这也是SAS与SAR的不同之处所有。在SAS中，一般使用时域逐点相加法进行成像。不过，如果在实时成像中，特别在医学影像中，FFBP算法是一种比较好的算法。
在SAS中，运动补偿一般是通过优越感器和回波的运动补偿来进行。
最近一些年来，随着AI技术的不断发展，包括深度学习等AI技术都开始在合成孔径技术上应用，这也为合成孔径技术的快速发展提供了有力的技术支持。

五、总结

合成孔径技术现在也开始从二维向三维扩展。同样，在不同的行业的应用也快速进行中，特别是随着在普通的民用行业的使用，使得合成孔径技术愈发为更多的普通技术人员所熟悉和应用。这就如任何一项科学技术总是从高大上慢慢走向大众化，最后成为一项重要但很普通的应用技术。