（图1）哥伦比亚号航天飞机
1981年11月在哥伦比亚号航天飞机作它的第二次飞行的时候，就装载上当时世界上最先进的合成孔径成像雷达系统SIR-A，以约25米的地面分辨率拍摄到了全球的地面图像，这个分辨率是当时依靠可见光和近红外辐射的卫星照相系统所能够达到的分辨率的3倍。
在今年2月1日不幸失事坠毁的美国哥伦比亚号航天飞机，是人类历史上的第一架航天飞机，当然也就注定了能够创造其他一系列的世界第一，其中就包括了第一次用航天飞机装载合成孔径成像雷达，对地面进行精密的雷达照相。
（图1）哥伦比亚号航天飞机
1981年11月在哥伦比亚号航天飞机作它的第二次飞行的时候，就装载上当时世界上最先进的合成孔径成像雷达系统SIR-A，以约25米的地面分辨率拍摄到了全球的地面图像，这个分辨率是当时依靠可见光和近红外辐射的卫星照相系统所能够达到的分辨率的3倍。
空间合成孔径雷达成像系统的主要特点有两个，一是能够对地面进行不间断地连续照相，二是能够获得非常高的地面分辨率，此外由于微米波段电磁波的特性，能够拍摄到其他波段所不能反映的信息，甚至能够增强很多有用的地物特征。
我们知道任何的照相都是通过接收某一个频率范围的电磁波信号而成像的，在把雷达应用到照相之前，一般的照相系统，都只是接收可见光和近红外辐射，利用胶片感光或者利用光电转换装置纪录图像信息。如果运用这种传统的照相设备从空间拍摄地面图像，由于只能被动地接收地面反射的太阳辐射，或者是地面发出的热辐射或微波辐射，那么对于地面的成像质量，将非常严重地受到大气层状况，太阳位置，以及地表其他干扰的制约。而空间雷达成像系统则是向地面斜射一束微波，用雷达接收地面在该束微波照射下所产生的背散射辐射，再通过处理背散射辐射信息而合成图像。由于微波在穿透大气层时，基本不会受到云雾降雨之类的大气状况的干扰，也不在乎白天黑夜，所以雷达成像系统能够提供不间断的成像能力，这对于监视地表的水文地质，海洋，植被，冰层，以及军事目标，都具有非常明显的优越性。
一般照相系统的空间成像分辨率取决于三个因素：所观察到的电磁波波长，照相机光阑的直径，照相机所处空间轨道的高度。波长越长，高度越高，直径越小，相应地分辨率就越低。微波一方面具有不受大气层的干扰的优点，另一方面它的波长却使得它在获得分辨率方面处于劣势，因为相比于可见光和近红外辐射，微波波长要大出约100万倍，而为了保证滞空时间和视野，空间轨道的高度也有一定的下限，这样唯一的途径就是增加光阑直径。但是如果以SIR-A为例，在250公里高的空间轨道上面，以波长为20厘米的微波工作，要获得25米的地面分辨率，意味着光阑直径必须达到2公里！
合成孔径成像技术的出现解决了这个难题。即利用一副合理大小的雷达天线，例如SIR-A的天线长度约为10米，使得该天线沿着确定的轨道，以确定的速度运动，这样该天线所发射出来的微波束就在地面形成一定大小的光斑，该光斑同样以确定的速度按照确定的轨迹运动，就好像用一个手电筒照射着扫过地面。设一个25米大小的地块作为一点在时刻A进入这个光斑，经过一定的时间B后，即在时刻A+B离开该光斑，那么该点被微波照射的时间长度为B，同时在这个时间内，天线在自己的轨道上运行的距离为L，只要天线一直不停地在这个时间内都接收来自该点的回波信号，那么就可以通过信号处理，使得该点被拍摄的效果等价于使用了一副长度为L的天线，而对于SIR-A来说，L的典型长度为15公里！因此合成孔径成像技术实质上是变相地通过增加光阑直径来提高分辨率的。
对于地表的每一个回波反射点，雷达能获得三个信息，即该点与天线之间的距离，该点相对天线的方位，以及回波信号的强度。其中距离是通过测量发射信号与接收信号之间的时间延迟得到的；强度则是通过直接的电信号强度测量得到；只有获得方位信息比较复杂一点，是通过测量多普勒效应导致的频移而得到的。
所谓多普勒效应就是当波源沿着波的传播方向运动时，能够观察到波的频率会发生变化。例如我们在站台上所听到的到站的列车与离站的列车的汽笛声调是不同的。同样当天线沿着轨道运动时，处于光斑内的地表各点由于与天线距离不同，相对运动速度也不同，就会产生不同的多普勒频移，添加距离信息后，就可以计算得到各点的方位。而为了提高图像所对应的光斑各点的唯一性，还要求微波束是倾斜着向地面照射。
从合成孔径雷达成像的机理，我们可以了解到它的技术关键一方面是对于时间延迟，强度以及频移的测量精度，另一方面就是对于信号的处理计算能力，例如SIR-A要得到一个地表25米大小的像素点的在合成孔径下的亮度值，就需要经过1000次的计算，如果天线所处的航天飞机的速度是每秒7.5公里，它的照射光斑直径为100公里，那么要在1秒内生成一副图像，就需要进行10亿次的计算，因此雷达系统的计算机的能力也是非常重要的，在哥伦比亚航天飞机首次进行合成孔径雷达照相实验的时候，当时的计算机技术只能做到在1秒内所得到的数据需要花500秒来处理的程度，而今天已经基本能够做到实时成像。
由于微波与被照射物体的作用特性，微波波段非常适宜于识别地表的地质地形特征，甚至能够透射到地表以下的一定深度，也能够穿透一定的植被层，而微波的回波也强烈依赖被照射物的含水量，因此雷达成像能够广泛地应用于地质地形测绘，考古，海洋，冰层，植被监测，等等。特别是对于人造物，如建筑物，金属构件等，在微米雷达波的照射下，还能够强化其特征，象建筑物，铁轨，公路，输电线铁塔，桥梁，船舶，石油钻井平台等等具有军事战略意义的物体，甚至能够在小于可分辨单元的情况下被识别出来，这就使得天基的合成孔径雷达具有非常重要的军事意义。在计算能力和各种传感器的测量精度都已经取得长足进步的今天，空间合成孔径雷达的分辨率已经远远不止是25米了，当具有强大供电能力的航天飞机，装载上大功率的雷达，在250公里的空间轨道上俯瞰全球的时候，它也许能够看到你手上握的是刀叉还是筷子，因为它拥有真正强大的电眼-合成孔径雷达。
（图2）先进的多功能多波段空间雷达观察追踪系统