合成孔径雷达的典型应用

　　在典型的合成孔径雷达应用中，单个雷达天线装载于飞机或航天器上，以辐射具有垂直于飞行路径方向的基本波束分量。波束在垂直方向上很宽，这样它将从飞机下方向地平线照射。

　　图像范围维度的分辨率是通过定义非常短时间间隔的脉冲来实现的，或者通过发射由载波频率和必要边带组成的短脉冲，全部在一定带宽内，或者通过使用较长的“啁啾脉冲”，其中频率在该带宽内随时间变化(通常线性变化)。回声返回的时间不同，可以区分不同距离的点。

　　SAOCOM卫星的SAR天线

　　总信号是来自波束宽度大小的地面。为了产生横向窄波束，衍射效应要求天线在该维度上较宽。因此，用飞机携带的天线很难简单地通过在波束宽度内持续的回波强度来区分距离点，因为它们的波束的线性宽度只能比距离小大约两个数量级(数百倍)。(航天器携带型可以做得更好10倍或更多。) 然而，如果记录了回波的幅度和相位，那么从任何较小的场景元素径向散射的多目标回波部分可以通过总回波与每个这样的元素预期的回波形式的相位矢量的相关性来提取。精细的设计和操作可以解决小于百万分之一比例的物体分辨率，例如30公里处探测300厘米的物体，或近200英里（320千米）处的约一英尺物体。

　　这个过程可以被认为将一系列空间分布的观测结合起来，就好像所有的观测都是与一个天线同时进行，只要波束宽度和聚焦在那个特定的点上。通过这一过程在最大系统范围内模拟的“合成孔径”不仅比实际天线长，而且在实际应用中，它比雷达飞机长得多，比雷达航天器长得多。

　　合成孔径雷达在距离坐标中的图像分辨率(以每单位距离的图像像素表示)主要与所用脉冲类型的无线电带宽成正比。在跨范围坐标中，相似的分辨率主要与波束宽度内信号返回的多普勒频移的带宽成比例。由于多普勒频率取决于散射点的方向与宽边方向的角度，波束宽度内可用的多普勒带宽在所有范围内都是相同的。因此，两个图像维度的理论空间的极限分辨率随着范围的变化而保持不变。然而，在实践中，随着数据收集时间积累的误差和后处理中使用的特定技术进一步限制了远程的跨距离分辨率。

　　由于电磁波传播速度和方向的自然恒定性，返回延迟时间到几何范围的转换可以非常精确。然而，对于在从不均匀和从不静止的大气中飞行的飞机来说，脉冲发射和接收时间与天线连续几何位置的关系必须伴随着返回相位的不断调整，以解决探测到的飞行路径中的不规则性。航天器中合成孔径雷达避免了大气问题，但仍然必须对航天器旋转引起的已知天线运动进行校正，甚至是对机载机械运动的反应。在载人航天器中定位合成孔径雷达可能需要人类在数据收集期间小心地相对于飞行器保持静止。

　　虽然一些SAR的参考文献将它们描述为“雷达望远镜”，但它们实际的光学类比是显微镜，它们图像中的细节小于合成孔径的长度。在雷达工程术语中，当目标区域在照明天线的“远场”时，相当于在模拟天线的“近场”。

　　来自任何图像范围内的散射体的返回在匹配的时间间隔内传播。脉冲间周期必须足够长，以允许来自任何脉冲的最远距离返回在下一个脉冲的最近距离返回开始出现之前完成，这样它们就不会在时间上相互重叠。另一方面，脉冲间速率必须足够快，以便为所需的跨范围(或跨波束)分辨率提供足够的样本。当雷达由高速车辆运载并以高分辨率对大面积区域成像时，这些条件可能会发生冲突，导致所谓的合成孔径雷达模糊问题。同样的考虑也适用于“常规”雷达，但只有当分辨率非常高，只能通过合成孔径雷达过程获得时，这个问题才会变得非常明显。由于问题的基础是由一个天线提供的单个信号输入信道的信息承载能力的限制，唯一的解决方案是使用由附加天线馈送的附加信道。该系统然后成为合成孔径雷达和相控阵的混合，有时被称为游标阵列。

　　组合一系列观测需要大量的计算资源，通常使用傅里叶变换技术。现在可用的高数字计算速度允许这种处理在合成孔径雷达飞机上近乎实时地完成。(在接收到信号的所有部分之前，必须有最小的时间延迟。)结果是一张包括振幅和相位的雷达反射率地图。当显示在类似地图的显示器上时，振幅信息给出了关于地面覆盖的信息，就像一个黑白照片一样。出于各种目的，处理的变化也可以在车载站或地面站中进行，以便为详细的目标区域分析某些图像特征。

　　虽然图像中的相位信息通常在图像显示设备中对人类观察者是不可用的，但是它可以以数字形式保存，并且有时允许识别目标的某些附加特征。不幸的是，相邻图像像素之间的相位差也会产生随机干涉效应，称为“相干散斑”，这是一种粒度，其尺寸在分辨率的数量级上，导致分辨率的概念呈现出微妙的不同含义。这种效果在激光照明的光学场景，如视觉和摄影上，都是显而易见的。随机散斑结构的尺度由合成孔径的波长决定，不能比系统的分辨率更精细。散斑结构可以以牺牲分辨率为代价来抑制。

　　在快速数字计算机出现之前，数据处理是使用光学全息技术完成的。模拟雷达数据作为全息干涉图案记录在摄影胶片上，其比例允许胶片保持信号带宽(例如，0.6米波长的雷达为1:1，000，000)。然后，使用例如0.6微米波(如来自氦-氖激光器)穿过全息图的光可以以一定的比例记录在另一个胶片上，以大约一米的处理器焦距投射地形图像。这是因为合成孔径雷达和相控阵基本上类似于光学全息技术，但是使用微波代替光波。为此以雷达目的开发的“光学数据处理器” [41][42][43] 是第一个有效的模拟光学计算机系统，实际上是在全息技术完全适用于光学成像之前设计的。由于雷达信号中的距离和跨距离信号结构的不同来源，合成孔径雷达的光学数据处理器不仅包括球形和柱面透镜，还包括圆锥透镜