滑動掃描合成孔徑雷達（TerrainObservation by Progressive Scans SAR, TOPSAR）是SAR衛星獲取影像的一種工作模式。這種工作模式下，SAR衛星能夠獲取更大範圍的影像，對於大範圍災害監測、環境監測、海洋監測等研究工作的開展具有重大意義。
基本介紹
- 中文名：滑動掃描合成孔徑雷達
- 外文名：Terrain Observation by Progressive Scans SAR
- 簡稱：TOPSAR
簡介,發展歷程,工作原理,工作特點,實際套用,
簡介
TOPSAR是Terrain Observation by Progressive Scans SAR的簡稱，即滑動掃描合成孔徑雷達，通常這種工作模式被稱為TOPS模式。TOPS模式最早由Zan等人提出，這種模式利用Burst工作方式和方位波束主動掃描來獲取寬幅測繪能力。Burst工作方式能夠將多個相鄰的子帶拼接在一起，獲得更大的距離向幅寬。同時，方位波束主動掃描能夠很好地削弱ScanSAR模式中存在的扇貝效應和模糊比與信噪比嚴重不一致的問題。
發展歷程
合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR）技術自出現以來，便在災害監測、環境監測、海洋監測、資源勘查、農作物估產、測繪和軍事等方面的套用中顯示出其獨特的優勢。SAR衛星傳統的工作模式包括條帶（Stripmap）模式、聚束（Spotlight）模式和掃描（ScanSAR）模式三種。其中，條帶模式對雷達感測器搭載平台移動方向相平行的地麵條帶進行成像，成像幅寬相對固定且方位向解析度會受到一定限制；聚束模式通過對方位向天線波束指向進行調節，使波束始終集中照射在一個地面目標範圍內，有效提高方位向解析度；掃描模式在Burst模式下對不同的子帶進行成像，最後將各個子帶融合拼接成一幅完整的ScanSAR影像，該模式通過犧牲方位向解析度而獲取了更大的距離向幅寬。
ScanSAR模式下雖然可以獲得較大的測繪頻寬，但是每個子帶的照射時間小於合成孔徑時間，因此位於方位向不同位置的點目標受天線方向圖加權不同，從而導致ScanSAR圖像存在扇貝效應和沿方位向不斷變化的模糊度、信噪比。為了解決這兩個問題，TOPS模式應運而生。TOPS模式通過控制天線自後向前以固定的速度旋轉，完整掃描了有效觀測區域內的所有點目標，因此每個點目標受到天線方向圖的加權基本相同，進而顯著的降低了ScanSAR存在的扇貝效應和方位向變化模糊度，並使得方位向面狀目標的模糊度噪聲比率（distributed target ambiguities noise ratio, DTAR）和信噪比（signal-to-noiseratio, SNR）接近常數。因此，TOPS模式能獲得比ScanSAR模式更加優質的圖像。
工作原理
TOPS模式在具體工作時的空間幾何關係如圖1所示。天線波束在時間段內掃描第一條子帶，在照射過程中，天線沿方位向自後向前進行旋轉；天線波束在時間段內掃描第二條子帶，在照射過程中，天線沿方位向自後向前進行旋轉。以此類推，經過一個回歸時間之後，天線波束掃描完所有子帶，重新開始掃描第一條子帶，以保持掃描區域的連續性。通過將不同子帶的掃描圖像在距離向進行拼接，便可以獲得寬幅影像。
TOPSAR模式空間幾何
滑動聚束模式通過使天線波束在方位向自前向後轉動來增加對每個點目標的駐留時間，雖然提高了方位向解析度，但也使得掃描區域被大幅度縮減。TOPS模式採用了與滑動聚束模式完全相反的天線旋轉方式，控制天線波束自後向前進行掃描，減小了每個點目標的駐留時間。雖然犧牲了一定的方位向解析度，但是獲得了極大的測繪頻寬，進而能在單次飛行測繪中夠獲得更多的點目標信息。
雖然ScanSAR模式與TOPS模式都是因為目標照射時間的減少而造成解析度的降低，但是它們的工作原理是截然不同的。在ScanSAR模式下，每個目標被天線方向圖的不同部分照射；而在TOPS模式下，解析度的降低是因為天線從後往前掃描，使得對每個目標的駐留時間降低，但是每個目標都能被完整的天線方向圖照射，這樣就解決了ScanSAR中方位向目標的不同增益加權問題，也就解決了ScanSAR的扇貝效應問題。
工作特點
由於採用了獨特的掃描方式，搭載TOPS模式的SAR衛星在工作時具有如下特點：
（1）在TOPS模式下，對於同一觀測帶內不同方位向的點目標，由於被天線方向圖照射的情況基本相同，散射體輻射強度的加權值也基本相同，因此可以改善ScanSAR模式中方位向的固有缺陷。如圖2所示，給出了ScanSAR模式和TOPS模式下同一個觀測帶內，距離向相同、方位向不同的3個點目標A、B、C的回波信號被天線方向圖加權後的效果示意圖（給出的是回波實部幅度值）。由此可見，TOPS模式下3個點目標被天線方向圖加權情況基本一致，而ScanSAR模式下則差別很大。
ScanSAR和TOPSAR模式天線方向圖加權示意圖
（2）方位向解析度主要與天線波束的轉動角速度有關。由於對目標的掃描積累時間比條帶模式更短，ScanSAR模式和TOPS模式下的解析度較條帶SAR均有所降低。在ScanSAR模式下，更短的積累時間是由於脈衝駐留時間短於合成孔徑時間，目標僅被天線方向圖的一部分照射到；而在TOPS模式下，波束沿飛行方向從後向前的轉動使目標相當於被一個壓縮的天線波束進行照射，從而使得等效合成孔徑時間變短，即具有更短的積累時間。因此，在雷達工作波長、載荷速度及系統幾何關係確定的情況下，ScanSAR模式的都卜勒頻寬直接由脈衝駐留時間決定，而TOPS模式的都卜勒頻寬和方位解析度主要與天線波束的轉動角速度有關。
實際套用
TOPS模式被提出以後，德國宇航局（DeutschesZentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR）微波與雷達研究所最早將其利用在陸地合成孔徑雷達Ｘ波段衛星TerraSAR-X上，通過該衛星TOPS模式下的影像進行干涉測量，驗證了模式可以有效地避免傳統ScanSAR存在的方位向DTAR和SNR問題。
此後，歐空局（EuropeanSpace Agency, ESA）於2014年4月3日發射的Sentinel-1A衛星也主要採用了TOPS觀測模式，為地表沉降、地震、火山等地質災害的監測於反演提供了數據依據。
我國已發射的高分三號(Gaofen-3)衛星中也實現了TOPS模式，該模式已在海洋監測等實際套用中發揮了重要作用。
