雷達技術(shù)中廣泛應(yīng)用的電磁波頻段涵蓋了L、C、X、Ku、Ka等，并且在特定應(yīng)用場景下，雷達技術(shù)還會采用更高頻的毫米波和太赫茲波段，比如在汽車雷達中使用的W波段（頻率為76-81GHz）。合成孔徑雷達（SAR）是一種能夠提供高分辨率地面成像的技術(shù)，其通過主動發(fā)射電磁波工作，因此不會受到日曬等光照條件的影響。得益于L、C、X、Ku頻段的電磁波具有穿透云層、霧氣和雨水的特性，SAR技術(shù)因此具備了全天候、全天時的作業(yè)能力。目前，多種商業(yè)、民用和軍事用途的SAR衛(wèi)星已經(jīng)成功發(fā)射并運行，在地圖繪制、災(zāi)害監(jiān)測、海洋勘探等領(lǐng)域展現(xiàn)了其獨特的價值。

接下來，我們來探討一下SAR技術(shù)中的入射角問題。SAR的入射角需要適中，既不能過大也不能過小。如果入射角過小，會直接影響圖像的分辨率，因為SAR的地表分辨率與其工作頻率以及入射角的正弦值有關(guān)，即公式 c/Bsin（θ）。此外，過小的入射角還可能導(dǎo)致所謂的疊掩現(xiàn)象。如圖所示，當?shù)孛娲嬖谄鸱兓瘯r，小入射角可能會導(dǎo)致較高的地面特征（如山脈或建筑物）與前方較低特征重疊，這在SAR圖像的解析中會造成困難。

當入射角過大時，地面的后向散射效率會下降，導(dǎo)致SAR圖像的信噪比降低，這同樣不利于成像質(zhì)量。因此，傳統(tǒng)的SAR衛(wèi)星通常選擇中等入射角進行觀測，以獲得對陸地區(qū)域的高質(zhì)量成像。

對于江、河、海、湖等水體進行觀測時，傳統(tǒng)的SAR技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)。其中一個主要問題是，現(xiàn)有的SAR衛(wèi)星大多是單站配置，即發(fā)射天線和接收天線位于同一位置。對于水體而言，其后向散射系數(shù)在小入射角時較強，但隨著入射角的增加，水面后向散射系數(shù)會迅速減弱。

如圖像所示，當入射角小于或等于6°時，水面后向散射系數(shù)仍保持在10dB以上，而當入射角超過20°時，該系數(shù)降至2dB以下，這表明反射的能量僅為垂直入射時的十分之一。這一現(xiàn)象可以理解為，水面類似于一面鏡子，僅在垂直入射時才能產(chǎn)生強烈的反射，隨著入射角的增加，大部分電磁波會被反射到其他方向。因此，在觀測水面時，雷達系統(tǒng)更適合采用較小的入射角，例如不超過10°。此外，由于水體受到地球重力的影響，其表面的高度變化相對較小，因此即使使用小入射角也不會出現(xiàn)疊掩問題。

至今，已經(jīng)發(fā)射了兩顆針對水面成像的雷達衛(wèi)星，分別是中國的天宮二號三維成像微波高度計（于2016年發(fā)射）和外國的SWOT衛(wèi)星（于2022年發(fā)射）。天宮二號三維成像微波高度計作為首顆采用小入射角對海洋表面進行成像的雷達衛(wèi)星。

接下來，我們通過對比天宮二號三維成像微波高度計和哨兵1號SAR衛(wèi)星的圖像，探討不同入射角下雷達圖像的特點。

所選用的哨兵1號SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集時間為2018年10月7日22:04:26，其入射角為39°。而天宮二號三維成像微波高度計的數(shù)據(jù)采集時間為2018年10月8日01:09:25，其入射角范圍為1°至8°。兩組數(shù)據(jù)的時間差為3小時，它們共同監(jiān)測的區(qū)域是我國的萊州灣。通過GOOGLE EARTH可以觀察到萊州灣地區(qū)的光學圖像，包括海面、黃河入海口以及周邊陸地等細節(jié)。

下圖展示了哨兵SAR衛(wèi)星的成像結(jié)果。觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)，在SAR圖像中，萊州灣的海水后向散射強度明顯低于陸地。特別是圖像左側(cè)的黃河區(qū)域，呈現(xiàn)出較暗的色彩，這表明在中等入射角條件下，水面的散射系數(shù)顯著減小，因此傳統(tǒng)SAR技術(shù)在獲取水面信息方面存在一定難度，尤其是在平靜的水面情況下。

與此形成對比的是，天宮二號三維成像微波高度計所獲取的圖像中，海面的后向散射強度顯著高于陸地，甚至黃河水面的散射強度也相對較高。此外，萊州灣沿岸區(qū)域有許多明亮的部分，這些區(qū)域可能存在養(yǎng)殖場。同樣，一些水庫區(qū)域也呈現(xiàn)出較高的亮度。總的來說，水體的散射強度普遍高于陸地，這凸顯了采用小入射角觀測水體的優(yōu)勢。

值得注意的是，天宮二號三維成像微波高度計不僅能夠獲取水面的后向散射系數(shù)，還具備通過干涉測量技術(shù)測定水面高度的能力。關(guān)于這一技術(shù)的詳細應(yīng)用，本文不再展開討論，感興趣的讀者可以參考相關(guān)研究文獻（天宮二號三維成像微波高度計在軌運行888天，取得一系列亮點成果）。

采用小入射角雷達技術(shù)對水面進行成像，能夠在全天候、全天時的條件下對海洋、河流、湖泊等進行高效率的監(jiān)測，這對于海洋資源管理、防洪減災(zāi)等多個領(lǐng)域都具有極其重要的意義。