合成孔徑雷達，遙感原理與應用

1、合成孔徑雷達原理方法與應用,張繼超,測繪與地理科學學院,,內容提要,1 合成孔徑雷達（SAR）的基本概念2 SAR的基本原理與方法3 SAR的應用領域和優(yōu)勢4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,1 合成孔徑雷達（SAR）的基本概念,雷達(Radar) Radar– Radio Detection and Ranging 無線電 探測 和 測距合成孔徑雷達(SAR)

2、 SAR – Synthetic Aperture Radar 合成 孔徑 雷達,雷達是主動遙感，一般工作在微波（射頻）波段，可分為成像雷達和非成像雷達。成像雷達又可分為真實孔徑雷達（RAR，SLAR，也叫機載側視雷達）和合成孔徑雷達（SAR）。合成孔徑雷達分類：條帶式，Stripemap； 掃描式，ScanSAR；聚束式，Spotlight Mode； 干

3、涉式，Interferometry；逆合成孔徑，Inverse SAR；斜視，Squint；地面動目標指示，GMTI，Ground Moving Target Indicator.,合成孔徑雷達（SAR）的基本概念,,常用雷達遙感波段表,合成孔徑雷達（SAR）的基本概念,雷達遙感波段,地球資源應用中的常用波段：X，C，L波長增加，穿透能力增加。在晴朗天氣狀況下，大氣對于波長小于30mm的微波略有衰減。隨波長減小，衰減增大。波

4、長小于10mm時，暴雨呈現強反射（用于機載天氣探測雷達系統(tǒng)）,雷達遙感波段,ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。 C波段可以用來對海洋及海冰進行成像，而L波段可以更深地穿透植被，所以在林業(yè)及植被研究中更有用。,較長的波長可以穿透的更深，在冠層、樹干及土壤間發(fā)生多次散射。,合成孔徑雷達（SAR）的基本概念,SAR原始數據及其相應的SAR圖像（北京·頤和園·2009.9·RADARS

5、AT-2）,合成孔徑雷達（SAR）的基本概念,SAR圖像及其相應的光學影像（北京·頤和園·2009.9·RADARSAT-2；2009.6· Quick Bird）,合成孔徑雷達（SAR）的基本概念,同一地區(qū)的光學圖像（云的干擾嚴重）與SAR圖像,機載SAR系統(tǒng),,1978 SeasatL HH,1981, SIR-AL HH,1984, SIR-BL HH,1994, SIR-C

6、/X-SARL,C Qud Pol, X VV,2000, SRTM,InSARC Wide SwathX narrow, Hi Res,1990,Magellan,,1991, ERS-1C VV,2002,ENVISAT ASARC, Mutli-POL,1996, ERS-2C VV,2007,COSMO-SkyMed,,10,,CCRS, Canada,,NASDA, Japan,1992,JERS-1,L

7、 HH,2007,12Radarsat-2, C Qud Pol,1996,RADARSAT-1, C HH,2006,ALOS-PALSAR,L, Multi,Pol,2007, TerraSAR,星載SAR系統(tǒng),,內容提要,1 合成孔徑雷達（SAR）的基本概念2 SAR的基本原理與方法3 SAR的應用領域和優(yōu)勢4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,2 SAR的基本原理與方法,側視雷達 側視雷達是在飛機或

8、衛(wèi)星平臺上由傳感器向與飛行方向垂直的側面，發(fā)射一個窄的波束，覆蓋地面上這一側面的一個條帶，然后接收在這一條帶上地物的反射波，從而形成一個圖像帶。隨著飛行器前進，不斷地發(fā)射這種脈沖波束，又不斷地接收回波，從而形成一幅一幅的雷達圖像。 雷達成像的基本條件：雷達發(fā)射的波束照在目標不同部位時，要有時間先后差異，這樣從目標反射的回波也同時出現時間差，才有可能區(qū)分目標的不同部位。,側視雷達工作原理,電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當雷

9、達在時間t1發(fā)射出一個窄脈沖,被目標反射后,在時間t2返回, 則目標地物的距離為: (t2-t1)×c/2,脈沖寬度,,發(fā)一個脈沖,陸續(xù)收到一連串回射,而且回射的特性隨地物不同而異,,飛行方向,,,側視雷達工作原理,A：飛行方向B：天底 nadirE：方位向 azimuth flight direction D：距離向 look direction C：掃描寬度,有

10、關術語（1）,A: 入射角 incidence angle; B: 視角; C: 斜距 Slant distance; D: 地距 Ground distance;,有關術語（2）,A: 近射程 near rangeB: 遠射程 far range,有關術語（3）,,在側視方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力) Pg=c×? /2c

11、osφ?脈沖持續(xù)期（脈沖寬度，時間s)， φ俯角，c光速。,φ越大， Pg越大，分辨率越低【距離越近，距離向分辨率越低】,?,理論上講,斜距分辨率等于脈沖寬度的一半,距離分辨率,有關術語（4）,計算示例： 設俯角50?,脈沖寬度0.1?s則距離分辨力Pg = 0.5 ? 0.1?10-6(s) ?2.998 ? 108(m/s)/cos 50? = 0.5 ? 0.1 ? 2.998 / 0.642788

12、? 100 = 23.2m,Pg = 0.5? c ／cos?,距離分辨率,有關術語（5）,距離越近，方位分辨率越高；與距離向分辨率變化規(guī)律相反。,沿航線方向的分辨率 ra=?×R 波束寬度，R 天線到該像元的傾斜距離=?/L, ?波長，L天線長度 ra= (?/L)×R天線越長，ra越小，方位分辨率越高,有關術語（6）,方位分辨率,計算示例： 設衛(wèi)星天線孔徑D=4

13、m,波長?=3cm,距目標地物200km, 則方位分辨力 若要求方位分辨率達到3m,則天線孔徑需2000m。（這是不可能的）,距離分辨率,有關術語（7）,ra = [3 ?10-2(m)/4(m)]?200?103(m) =1500m,ra= (?/L)×R,提高距離分辨率和方位分辨率的方法：1） 采用脈沖壓縮技術，縮短脈沖發(fā)射寬度；2） 用合成孔徑天線來代替真實孔徑天線，以縮 短天線孔徑。,,合成孔徑雷達,側視

14、雷達工作原理,2 SAR的基本原理與方法,合成孔徑雷達 合成孔徑雷達（SAR），也是側視雷達。 基本原理： 利用短的天線，通過修改數據記錄和處理技術，產生很長孔徑天線的效果，等于通過加長天線孔徑來提高觀測精度。 在沿飛行航跡方向上形成一個天線陣列，并與數據記錄和處理過程聯系在一起。 在不同位置接收同一地物的回波信號，信號得到的時間不同，相位和強度不同，形成相干影像。經過復雜

15、的處理，得到地面的實際影像。,合成后的天線孔徑為Ls,則其方位分辨率為: Rs=(λ/ Ls)R由于天線最大的合成孔徑為: Ls=Ra=(λ/D)R則有 Rs=D由于雙程相移,方位分辨率還可提高一倍,即： Rs=D/2式中，λ：波長；D：雷達孔徑；R：斜距。 由此可知，方位向的分辨率與距離無關，所以，即使從

16、衛(wèi)星的高度上也可以獲得高分辨率的圖像。,合成孔徑雷達工作原理,,合成孔徑雷達工作原理,理論計算表明：合成孔徑雷達在沿航跡方向的分辨率為： Pa =l/2l為天線長度,斜距圖像的比例尺變化,A、B、C為三個長度相等的線性地物。,SAR圖像的幾何特征,斜距圖像和地距圖像的比較,雷達圖像變形：距離向,SAR圖像的幾何特征,,,地距圖像與斜距圖像,SAR圖像的幾何特征,斜距圖像,地距圖像,地形畸變,透視收縮foreshortening

17、 山體面向雷達的一面在圖像上被壓縮，這一部分往往表現為較高亮度； 坡底的收縮度比坡頂大；山坡的坡度越大，收縮量越大。,疊掩(Layover)：當面向雷達的山坡很陡時，出現山頂比山底更接近雷達的情況，因此，在圖像的距離方向，山頂和山底的相對位置顛倒；收縮度：坡頂的收縮度比坡底大,陰影(Shadow)： 當后坡坡度較大，雷達波束不能到達后坡坡面時，沒有回波信號產生，圖像上出現暗區(qū)。,SAR圖像的幾何特征,透視收縮示例：,S

18、AR圖像的幾何特征,C波段 ERS-1 側視角：23°,L波段 ERS-1 側視角：36°,側視方向 ↓,中等入射角，透視收縮明顯。,疊掩示例：,,SAR圖像的幾何特征,側視方向 →,小入射角，疊掩明顯。,陰影示例：,SAR圖像的幾何特征,側視方向 →,大入射角，陰影嚴重。,與光學圖像的比較,SAR圖像的幾何特征,光學影像,雷達影像,側視方向 →,雷達方程,其中 Pt ：發(fā)射功率(發(fā)射

19、機到天線) Pr ：接收功率(天線到接收機) R ：作用距離(天線到目標) λ ：工作波長 G ：天線增益(發(fā)射機或接收機) б ：雷達散射截面積,雷達方程描述了雷達系統(tǒng)、散射體和接收信號三者之間的基本關系：,SAR數據處理方法□ 輻射校正□ 斑點噪聲抑制□ 幾何校正□ 干涉處理,2 SAR的基本原理與方法,SAR校正的一個重要方面是輻射校正，也就是把SAR圖像像元值與場景的雷

20、達后向散射系統(tǒng)定量地關聯起來。經過校正的SAR圖像應當具有逐日逐幀的可重復性，具有圖像幀內和各通道之間的穩(wěn)定性，并且具有已知的、合理的精度。對SAR校準的要求：達到±1dB的絕對精度，±0.5dB的長期相對校準精度和優(yōu)于0.5dB的短期相對校準精度。對于極化SAR圖像的校準要求是：極化通道在幅度上的失衡小于0.4dB，相位失衡小于10º，通道之間的串擾小于-30dB。,輻射校正,在觀測擴散面目標的回波信

21、號中，相同地物的回波因為相位的隨機分布而不同，那些回波功率衰減到遠低于平均值電平的像素亮度很低，在圖像上就表現為黑點；那些回波功率增強到遠高于平均值電平的像素亮度很高，在圖像上表現為亮點。,SAR圖像斑點的形成機理,斑點噪聲抑制,SAR斑點抑制目標： 在保持盡量多的圖像細節(jié)信息同時達到最好的斑點抑制。,斑噪抑制目標及主要方法,當需要確切獲取SAR影像上地物特征的空間位置信息時，或需要對多時相、多源信息進行綜合分析時，必須對SAR

22、影像進行精確的幾何校正處理。,幾何校正,光學近似模型的SAR幾何精確糾正 共線方程G.Konecny公式正射糾正 由數字攝影測量學界發(fā)展的基于雷達共線方程的方法。這種方法通常基于簡化的雷達成像幾何關系建立SAR共線方程。 行中心投影公式正射糾正,基于成像模型的SAR幾何精確糾正R-D模型正射糾正 由SAR圖像處理算法及系統(tǒng)開發(fā)領域專家提出的基于距離——多普勒（RD）定位模型的方法，這種算法完成從SAR

23、成像機理出發(fā)，和SAR的信號處理過程有機結合，已經成為通常SAR處理器都具備的標準SAR圖像產品生產方法?；赟AR模擬成像的正射糾正,幾何校正,圖像的幾何粗校正地球自轉、曲率、衛(wèi)星姿態(tài)的校正斜距-地距改正利用地面控制點擬合變換公式近似進行簡單校正Doppler方程獨立于衛(wèi)星姿態(tài)并可以消除地球自轉、曲率的影響斜地變換僅是視覺上的變換SAR的斜距圖像是時間上的等間隔采樣地距圖像是等距離間隔的采樣,幾何校正,斜地變換,,,,

24、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,列間隔7.9米,行間隔3.9米,,,,,,,,,,,衛(wèi)星,,,,,,,,,,,,,,,,,斜距,地距,,,,,,,,,,,,,,幾何校正,斜地變換（續(xù)）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,重采樣,幾何校正,斜距圖像,地距圖像

25、,幾何校正,□ 多項式糾正,,□ 共線方程G.Konecny公式正射糾正,幾何校正,處理流程根據SAR頭文件的星歷信息計算衛(wèi)星軌道數據，并按照坐標變換關系將衛(wèi)星軌道坐標、控制點坐標、及DEM數據轉換到同一坐標系（橢球割面坐標系）中。利用控制點坐標像素值與地理坐標值之間的對應關系，組建正射糾正模型。對正射糾正模型進行線性化，通過采用線角元素分開、嶺估計等方法確定正射模型中的各待定參數值。依據輸出圖像的圖幅范圍，按照指定的輸出像

26、元的大小，計算DEM范圍內各點的地理坐標所對應的像素坐標。利用得到的像素坐標在待糾正中的SAR影像中通過采樣（最鄰近差值或雙線性差值）求出地面控制點其地理坐標值處所對應的像素灰度值。正射圖像生成。,,幾何校正,,去平地效應,,干涉紋圖,,高精度配準,,,輔圖像SLC,,主圖像SLC,,DEM,,,,,,,相位解纏,,地理編碼,,算法流程簡圖,,,熱點,干涉處理,,內容提要,1 合成孔徑雷達（SAR）的基本概念2 SAR的基本

27、原理與方法3 SAR的應用領域和優(yōu)勢4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的應用領域地物分類與地圖制圖獲取地形高程信息——DEM監(jiān)測地表微小形變 ——火山，地震，滑坡，冰川等監(jiān)測災害防治、評估與應急抗災,3 SAR的應用領域和優(yōu)勢,a 原始影像,b 對影像進行分割,d 決策數分類結果 （96%）,極化SAR高精度自動分類,c 分類參數,SAR的應用領域,獲取地形高程信息——DEM,SAR的應用領域,

28、地物變化監(jiān)測,SAR的應用領域,Landers地震監(jiān)測（Science）,SAR的應用領域,InSAR進行滑坡監(jiān)測,SAR的應用領域,堰塞湖監(jiān)測,SAR的應用領域,熱帶雨林監(jiān)測,SAR的應用領域,南極冰川運動速度計算,SAR的應用領域,火山監(jiān)測,SAR的應用領域,與光學遙感相比，SAR具有如下優(yōu)勢: 全天候，不受云霧雪的影響，雨的影響有限 全天時，主動遙感系統(tǒng) 對地表有一定的穿透能力，與土壤含水量有關，依 賴于波長 對

29、植被有一定的穿透能力，依賴于波長和入射角 高分辨率，分辨率與距離無關 獨特的輻射和幾何特性 干涉測量能力 多極化觀測能力,3 SAR的應用領域和優(yōu)勢,□ SAR的優(yōu)勢,,內容提要,1 合成孔徑雷達（SAR）的基本概念2 SAR的基本原理與方法3 SAR的應用領域和優(yōu)勢4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——干涉高程測量,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之—

30、—高分辨率 高分辨率帶來工作模式的變化：20世紀90年代后期之后研制或計劃研制的星載SAR基本上都具有多種工作模式；繼條帶式、SCAN SAR、多極化模式之后，干涉、GMTI、全極化、聚束、多波束和多頻等工作模式也將成為以衛(wèi)星為載體的星載SAR的工作模式之一；在多種工作模式中一般要具有：適合全球覆蓋和發(fā)現目標的“低分辨率、寬測繪帶模式；適合識別目標的“高分辨率，窄測繪帶”模式。,,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SA

31、R的研究熱點之——小型化,,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——多極化,,,,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——多時相 高時間分辨率（多時相）：又稱為重復觀測周期，是指相鄰兩次觀測同一目標地區(qū)的時間間隔；理想的時間分辨率是實時觀測，現實的是近實時觀測；對于單顆星，在600~700公里的軌道高度，若測繪帶寬500~600公里，對于特定的地區(qū)，時間分辨率可以達到5天；通過衛(wèi)星組網可以顯

32、著提高時間分辨率。如DISCOVER II使用24顆星組網，時間分辨率提高到15分鐘。,,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——運動目標檢測 運動目標檢測： 發(fā)展多通道SAR； 應用：軍事運動目標檢測；洋流監(jiān)測。,,運動目標檢測（德國E-SAR）,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——多波段 為什么要使用多波段？SAR測量的是目標的后向散射系數，而目標的散射系數是

33、隨頻率變化的；多頻測量可以獲得更加豐富的信息，有利于目標的分類和識別；單波段的SAR只能適合部分類型的目標觀測，多波段SAR可以適用于對更多類型目標的觀測；通過多頻測量，還可找出各種應用情況下的最佳測量頻率。多波段的實現方式：在一可衛(wèi)星上配置多波段的SAR，實現真正的多波段測量，如：SIR-C/X SAR、Light SAR、IRS-3和Almaz-1B等；在不同的衛(wèi)星上配置不同波段的SAR，實現近似的多波段測量，如：Ter

34、ra SAR。,,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——極化干涉SAR 極化SAR：對散射體的形狀、方向、介電性質較為敏感；可通過極化分解技術獲取對分辨單元內不同散射機理/過程的描述；干涉SAR：高程信息獲取技術；可實現對平均散射中心的定位。極化干涉SAR：敏感于垂直分布散射機理，具有獲取分辨單元內隨高度分布變化的散射特性的能力；開展體散射體（volume scatters）三維結構研究的可能；

35、同時完成紋理結構配準和空間特性恢復的可能；非監(jiān)督分割分類和地物參數反演的可能。,,極化干涉SAR用于森林參數估計,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——3DSAR,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——3DSAR,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,SAR的研究熱點之——3DSAR,4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點,未來SAR系統(tǒng)的發(fā)展方向小型化、易于實現、提供各類用戶感興

36、趣的信息、星載的實時處理以降低傳輸資源的消耗等。多維度微波成像 從波段、極化、視角、分辨率等多個不同維度對觀測物體（場景和目標）的物理和幾何特性進行綜合描述。未來SAR系統(tǒng)目標構成全球傳感器網絡，建立自主的全球范圍的集成通訊、定位和導航能力的遙感系統(tǒng)；同步的機載、星載接收機群，形成具有全球覆蓋、連續(xù)觀測、極高分辨力和提供不同用戶所需的信息的能力；獲取觀測對象更為豐富的信息，達到對目標的分類、辨認和識別。,,底面頂點：