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社区首页 >专栏 >能穿透云层的SAR合成孔径雷达——地球的“透视眼”

能穿透云层的SAR合成孔径雷达——地球的“透视眼”

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renhai
发布于 2024-10-25 05:19:52
发布于 2024-10-25 05:19:52
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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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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[1])。

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[2]):

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[3]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[4]。

传统的光学卫星图像

-- 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[5]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[6])。

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。


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参考资料

[1]

合成孔径雷达数据减灾应用潜力研究综述 - 百度学术: https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=d17a49ba8a2ba6b1a3f8820290cf4d57&site=xueshu_se

[2]

Sentinel-1 GRD: https://docs.sentinel-hub.com/api/latest/data/sentinel-1-grd/

[3]

ASF Data Search: https://search.asf.alaska.edu/

[4]

Search API Basics - ASF SAR Data Search Manual: https://docs.asf.alaska.edu/api/basics/

[5]

使用 SAR 数据和深度学习绘制洪水地图 | Documentation: https://learn.arcgis.com/zh-cn/projects/map-floods-with-sar-data-and-deep-learning/

[6]

汤沛等, 2012: http://www.irgrid.ac.cn/handle/1471x/924403

[7]

博客: https://blog.renhai.online/

[8]

爱发电: https://afdian.com/a/renhai

[9]

我的知乎: https://www.zhihu.com/people/Ing_ideas

[10]

我的博客: https://blog.renhai.online/

[11]

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[12]

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原始发表:2024-10-24,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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