合成孔徑雷達遙感原理與應(yīng)用課件

1、合成孔徑雷達原理方法與應(yīng)用張繼超測繪與地理科學(xué)學(xué)院內(nèi)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(yīng)用領(lǐng)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) 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(cè)視雷達）和合成孔徑雷達（SAR）。合成孔徑雷達分類

2、：條帶式，Stripemap； 掃描式，ScanSAR；聚束式，Spotlight Mode； 干涉式，Interferometry；逆合成孔徑，Inverse SAR；斜視，Squint；地面動目標(biāo)指示，GMTI，Ground Moving Target Indicator.合成孔徑雷達（SAR）的基本概念波段名稱波長（cm）頻率區(qū)間（GHz）Ka0.75-1.1840.0-26.5K1.19-1.6726.5-18.0Ku1.67-2.418.0-12.5X2.4-3.812.5-8.0C3.9-7.58.0-4.0S7.5-15.04.0-2.0L15.0-30.02.0-1.0P30.

3、0-1001.0-0.3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(yīng)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。波長小于10mm時，暴雨呈現(xiàn)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(shù)據(jù)及其相應(yīng)的SAR圖像（北京頤和園20

4、09.9RADARSAT-2）合成孔徑雷達（SAR）的基本概念SAR圖像及其相應(yīng)的光學(xué)影像（北京頤和園2009.9RADARSAT-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(xué)圖像（云的干擾嚴重）與SAR圖像機載SAR系統(tǒng)1978 SeasatL HH1981, SIR-AL HH1984, SIR-BL HH1994, SIR-C/X-SARL,C Qud Pol, X VV2000, SRTM,InSARC Wide SwathX narrow, Hi Res1990,Magellan 1991, ERS-1C VV2002,ENVISAT ASA

5、RC, Mutli-POL1996, ERS-2C VV2007,COSMO-SkyMed10CCRS, CanadaNASDA, Japan1992JERS-1L HH2007,12Radarsat-2, C Qud Pol1996RADARSAT-1, C HH2006ALOS-PALSARL, Multi Pol2007, TerraSAR星載SAR系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)用領(lǐng)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(cè)視雷達 側(cè)視雷達是在飛機或衛(wèi)星平臺上由傳感器向與飛行方向垂直的側(cè)面，發(fā)射一個窄的波束

6、，覆蓋地面上這一側(cè)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(biāo)不同部位時，要有時間先后差異，這樣從目標(biāo)反射的回波也同時出現(xiàn)時間差，才有可能區(qū)分目標(biāo)的不同部位。側(cè)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(dāng)雷達在時間t1發(fā)射出一個窄脈沖,被目標(biāo)反射后,在時間t2返回, 則目標(biāo)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(cè)視雷達工作原理A：飛行方向B：天底 nadirE：

7、方位向 azimuth flight direction D：距離向 look direction C：掃描寬度有關(guān)術(shù)語（1）A: 入射角 incidence angle; B: 視角; C: 斜距 Slant distance; D: 地距 Ground distance;有關(guān)術(shù)語（2）A: 近射程 near rangeB: 遠射程 far range有關(guān)術(shù)語（3）在側(cè)視方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力) Pg=c /2cos脈沖持續(xù)期（脈沖寬度，時間s)， 俯角，c光速。 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(guān)術(shù)

8、語（4）計算示例： 設(shè)俯角50,脈沖寬度0.1s則距離分辨力Pg = 0.5 0.110-6(s) 2.998 108(m/s)/cos 50 = 0.5 0.1 2.998 / 0.642788 100 = 23.2mPg = 0.5 c cos距離分辨率有關(guān)術(shù)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(guān)術(shù)語（6）方位分辨率計算示例： 設(shè)衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長=3cm,距目標(biāo)地物200km, 則方位分辨力 若要求方位分辨率

9、達到3m,則天線孔徑需2000m。（這是不可能的）距離分辨率有關(guān)術(shù)語（7）ra = 3 10-2(m)/4(m)200103(m) =1500mra= (/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(shù)，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(cè)視雷達工作原理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(cè)視雷達。 基本原理： 利用短的天線，通過修改數(shù)據(jù)記錄和處理技術(shù)，產(chǎn)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(shù)據(jù)記錄和處理過程聯(lián)系在一起。 在不同位

10、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(jīng)過復(fù)雜的處理，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=(/ Ls)R由于天線最大的合成孔徑為: Ls=Ra=(/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，：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(guān)，所以，即使從衛(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。SA

11、R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 山體面向雷達的一面在圖像上被壓縮，這一部分往往表現(xiàn)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(dāng)面向雷達的山坡很陡時，出現(xiàn)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?shù)氖湛s度比坡底大陰影(Shadow)： 當(dāng)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(chǎn)生，圖像上出現(xiàn)暗區(qū)。SAR圖像的幾何特征透視收縮示例：SAR圖像的

12、幾何特征C波段 ERS-1 側(cè)視角：23L波段 ERS-1 側(cè)視角：36側(cè)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(cè)視方向 小入射角，疊掩明顯。陰影示例：SAR圖像的幾何特征側(cè)視方向 大入射角，陰影嚴重。與光學(xué)圖像的比較SAR圖像的幾何特征光學(xué)影像雷達影像側(cè)視方向 雷達方程其中 Pt ：發(fā)射功率(發(fā)射機到天線) Pr ：接收功率(天線到接收機) R ：作用距離(天線到目標(biāo)) ：工作波長 G ：天線增益(發(fā)射機或接收機) ：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(guān)系：SAR數(shù)據(jù)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

13、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達后向散射系統(tǒng)定量地關(guān)聯(lián)起來。經(jīng)過校正的SAR圖像應(yīng)當(dāng)具有逐日逐幀的可重復(fù)性，具有圖像幀內(nèi)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(zhǔn)的要求：達到1dB的絕對精度，0.5dB的長期相對校準(zhǔn)精度和優(yōu)于0.5dB的短期相對校準(zhǔn)精度。對于極化SAR圖像的校準(zhǔn)要求是：極化通道在幅度上的失衡小于0.4dB，相位失衡小于10，通道之間的串?dāng)_小于-30dB。輻射校正 在觀測擴散面目標(biāo)的回波信號中，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(xiàn)為黑點；那

14、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(xiàn)為亮點。SAR圖像斑點的形成機理斑點噪聲抑制斑點抑制的主要方法成像前的多視處理成像后的濾波技術(shù)空間域濾波頻率域濾波均值濾波中值濾波Lee濾波Frost濾波Kuan濾波高通濾波低通濾波SAR斑點抑制目標(biāo)： 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(biāo)及主要方法 當(dāng)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影像進行精確的幾何校正處理。幾何校正光學(xué)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(shù)字攝影測量學(xué)界發(fā)展的基于雷達共線方程的方法。

15、這種方法通常基于簡化的雷達成像幾何關(guān)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(lǐng)域?qū)＜姨岢龅幕诰嚯x多普勒（RD）定位模型的方法，這種算法完成從SAR成像機理出發(fā)，和SAR的信號處理過程有機結(jié)合，已經(jīng)成為通常SAR處理器都具備的標(biāo)準(zhǔn)SAR圖像產(chǎn)品生產(chǎn)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(zhuǎn)、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(zhuǎn)、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

16、樣地距圖像是等距離間隔的采樣幾何校正斜地變換列間隔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(jù)SAR頭文件的星歷信息計算衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，并按照坐標(biāo)變換關(guān)系將衛(wèi)星軌道坐標(biāo)、控制點坐標(biāo)、及DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系（橢球割面坐標(biāo)系）中。利用控制點坐標(biāo)像素值與地理坐標(biāo)值之間的對應(yīng)關(guān)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(shù)值。依據(jù)輸出圖像的圖幅范圍，按照指定的輸出像元的大小，計算DEM范圍內(nèi)各點的地理坐標(biāo)所對應(yīng)的像素

17、坐標(biāo)。利用得到的像素坐標(biāo)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(biāo)值處所對應(yīng)的像素灰度值。正射圖像生成。 幾何校正去平地效應(yīng)干涉紋圖高精度配準(zhǔn)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(nèi)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(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點SAR的應(yīng)用領(lǐng)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(zāi)害防治、評估與應(yīng)急抗災(zāi)3 SAR的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢a 原始影像b 對影像進行分割d 決策數(shù)分類結(jié)果 （96%）極化SA

18、R高精度自動分類c 分類參數(shù)SAR的應(yīng)用領(lǐng)域獲取地形高程信息DEMSAR的應(yīng)用領(lǐng)域地物變化監(jiān)測SAR的應(yīng)用領(lǐng)域Landers地震監(jiān)測（Science） SAR的應(yīng)用領(lǐng)域InSAR進行滑坡監(jiān)測SAR的應(yīng)用領(lǐng)域堰塞湖監(jiān)測SAR的應(yīng)用領(lǐng)域熱帶雨林監(jiān)測SAR的應(yīng)用領(lǐng)域南極冰川運動速度計算SAR的應(yīng)用領(lǐng)域火山監(jiān)測SAR的應(yīng)用領(lǐng)域與光學(xué)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(guān)，依 賴于波長 對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(guān) 獨特的輻射和幾何特性 干涉測量能力 多極化觀測能力3

19、 SAR的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢 SAR的優(yōu)勢內(nèi)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(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)目標(biāo)的“低分辨率、寬測

20、繪帶模式；適合識別目標(biāo)的“高分辨率，窄測繪帶”模式。4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點SAR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(fù)觀測周期，是指相鄰兩次觀測同一目標(biāo)地區(qū)的時間間隔；理想的時間分辨率是實時觀測，現(xiàn)實的是近實時觀測；對于單顆星，在600700公里的軌道高度，若測繪帶寬500600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(wǎng)可以顯著提高時間分辨率。如DISCOVER II使用24顆星組網(wǎng)，時間分辨率提高到15分鐘。4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點SA

21、R的研究熱點之運動目標(biāo)檢測 運動目標(biāo)檢測： 發(fā)展多通道SAR； 應(yīng)用：軍事運動目標(biāo)檢測；洋流監(jiān)測。運動目標(biāo)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(biāo)的后向散射系數(shù)，而目標(biāo)的散射系數(shù)是隨頻率變化的；多頻測量可以獲得更加豐富的信息，有利于目標(biāo)的分類和識別；單波段的SAR只能適合部分類型的目標(biāo)觀測，多波段SAR可以適用于對更多類型目標(biāo)的觀測；通過多頻測量，還可找出各種應(yīng)用情況下的最佳測量頻率。多波段的實現(xiàn)方式：在一可衛(wèi)星上配置多波段的SAR，實現(xiàn)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(xiàn)近似的多波段測量，如：Terra SAR。4 SAR的發(fā)展