2.2 微波遥感基础原理
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侧视雷达在随飞行器前进过程中， 向垂直于航线方向（距离向range） 发射一个很窄的波束，这个波束在 航行方向（方位向azimuth）上很窄， 在距离方向上很宽，覆盖了地面上 很窄的条带 波束从飞行器较近的距离（近距点） 照射到离飞行器较远的距离（远距 点） 每个波束，由以一定时间间隔（脉 冲宽度）的具有特定波长的微波脉 冲组成
18
雷达成像
Surface
Flat surface
Forest
Cropland
Mountains
Rough surface
City
Radar image
不同地表类型对应的雷达图像（示意图）
2012-11-18 19
真实孔径雷达的分辨率
• 指向地面并垂直于方位向的方向称为距离向 （range direction） • 沿飞行平台前进方向称为方位向 （azimuth direction） • 波束沿距离向是很宽的，不过由于是时间测距 的工作方式，距离向的分辨率则取决于发送波束的 脉冲宽度τ • 真实孔径雷达天线长度就是实际的长度，为了 提高方位向的分辨率，要求发出的波束沿方位向是 很窄的，波束宽度与天线长度有关
最小分辨角:
= 1.22
0
d
d 物镜的有效孔径
“恰能分辨”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离， 应等于艾里斑的半径
2012-11-18 26
方位向分辨率
w
w
2012-11-18
27
方位向分辨率
w
w
2012-11-18
28
方位向分辨率
方位向分辨率：
Ra = ωR Ω为雷达主波瓣角
R为斜距
两个相同频率、 不同相位的波形
2012-11-18
பைடு நூலகம்
8
雷达的相干成像特点
• 不论是真实孔径雷达还是合成孔径雷达，成像 均具有相干性 • 要求雷达系统产生频率非常稳定的本机振荡 信号，该信号可以作为空间和时间上的定位。 • 雷达信号成像后，相位值仍然会记录在影像 的各个像素中，可以用复数表示，原始的影像的 像素值应该是复数形式的，在影像数据文件中用 实部和虚部的格式读/写
(地距分辨率)
Cτ
2 cosβ λH λR Δ L = βR = = (方位向分辨率) d sinβ d
2012-11-18
30
真实孔径雷达的分辨率 综合两个方向的分辨率,可得分辨单元面积Rr*Ra
2012-11-18
31
真实孔径雷达的分辨率
w
w
2012-11-18
32
真实孔径雷达的分辨率
u =| u | e
2012-11-18
jϕ
=| u | Re( e
jϕ
) + j | u | Im( e
jϕ
)
9
雷达的相干成像特点
• 实际上，成像雷达信号有一定带宽 （不是完全单一频率的电磁波）。 但是，带宽值远远小于载波频率f， 近似为相干波
ESA-ERS Parameters
B/f = 16/5300
λ = 5.66 cm (f = 5.3 GHz)
H = 780 Km θ= 23 deg – Stripmap Pol = VV dr = 7.91 m Slant Range Resolution da = 3.98 m Azimuth Resolution S 100 Km Revisiting Time = 35 days Bandwidth: 16 MHz
2012-11-18
20
距离向分辨率 脉冲长度（亦称脉冲宽度）τ与雷达波长λ不同 脉冲宽度越大，距离向分辨率越低
在地面可以分辨的两个目标最短距离就是侧视 雷达图像的距离向分辨率
被反射的脉冲
2012-11-18
距离向分辨率
21
距离向分辨率
R ∆r ∆Rr
发射的脉冲
τ
接收的脉冲
Δt 接收的脉冲
合成孔径雷达（SAR）
2012-11-18 34
小结
雷达侧视成像工作原理 真实孔径雷达分辨率
距离向分辨率、方位向分辨率
如何提高雷达分辨率
作业：合成孔径雷达分辨率与哪些参数相关？
什么是多视？
2012-11-18
35
雷达波瓣角与波长成正比 与天线孔径 d 成反比：
侧视雷达的地面分辨率 提高方位分辨率加大天线孔 径，波长较短电磁波，缩短观 测距离合成孔径技术
Ra = (λ/d) R (又 R=H/sinβ=H/cosθ )
2012-11-18
29
真实孔径雷达的分辨率
Δ Rr = Δ Rg =
Cτ 2
(斜距分辨率)
24
距离分辨率（地距分辨率）
Rg = (tc/2) secβ (或
c
2 cos
)
斜距分辨率 Rr=tc/2 (沿波束方向)
2012-11-18
方位向分辨率
衍射：电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过 障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播的现象
艾里斑
2012-11-18
25
方位向分辨率
瑞利准则
2012-11-18 4
真实孔径雷达工作原理
入射波
2012-11-18
散射波
5
真实孔径雷达工作原理
真实孔径雷达工作原理
2012-11-18 6
成像雷达系统的基本结构
真实孔径雷达工作流程
2012-11-18 7
雷达的相干成像特点
•
相干性和相位是干涉成像机理的重要概念
• 具有相同频率的波之间在空间或时间的差异 成为它们的相对“相位（phase）” • 成像雷达的一个基本特性是它发射的电磁波 和接受回来的电磁波是相干的（coherence）
2 微波遥感基础原理
2012-11-18
主要内容
§ 2．1 微波遥感物理基础 § 2．2 真实孔径雷达基本原理 § 2．3 SAR系统基本原理 § 2．4 SAR影像的主要特性
2012-11-18
2
2.2 真实孔径雷达基本原理
2012-11-18
真实孔径雷达
“真实孔径”雷达，顾名思义其雷达天线长度是实际 长度，雷达波的发射和接收都是以其自身有效长度的 效率直接反映到显示记录中 运动平台携带真实孔径天线从空中掠过，由天线向 平台的一侧或两侧发射波束并扫描地面。这些波束在 平台运动的方向上是很窄的，而在垂直于平台运动方 向上是延展的 脉冲几何分辨率在很大程度上是由天线长度和脉冲 宽度决定的。由于脉冲和地形相互作用，入射的雷达 波信号经地物的散射，一部分能量经后向散射，作为 随时间改变的放大信号接收下来
=0.003
近似的相干波
2012-11-18
10
为什么采用侧视工作方式？
雷达在“距离”向上有一个视觉，所以必须在旁边进行观测。 如果垂直照射地面，那么总会有两个点具有相同的距离， 轨迹的每一边各有一个，于是图像自身就会折叠，轨迹右边 的点和相应左边的点就会混在一起。
2012-11-18
11
机载侧视雷达
Δt
2012-11-18 22
距离向分辨率
β cosβ
2012-11-18
23
距离向分辨率
距离向分辨率与飞行器-目标之 间距离无关。同样的地距，同样 的脉冲宽度，俯角越大分辨率越 低，垂直入射角（俯角=90o）， 分辨率最差。
β
距离向分辨率与俯角的关系
脉冲宽度越小，俯角越小， 距离分辨率越高，俯角太 小地形影响严重，当俯角 一定时，减小脉冲宽度可 以提高距离分辨率，所以 合成孔径雷达在距离向采 用脉冲压缩技术chirp （距离压缩）
2012-11-18
33
真实孔径雷达的限制
• 波束之脉冲时间 τ 越小，距离向的分辨率越高，但
τ 太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比 ==> 脉冲压缩技术 • 理论上增加孔径 d 就可以提高方位向分辨率，但是实 际上是难以实现的，因为孔径的大小决定了天线几何尺 寸的大小 ==> 合成孔径的技术
2012-11-18
方位向
雷达波束
12
机载侧视雷达
A到B中间的几个目标由近到远 地记录在显示器、胶片上 由于是距离成像，目标实际地 面距离（地距）大于记录在显 示器、胶片上的距离（斜距）
脉冲测距示意图
2012-11-18 13
机载侧视雷达
w
机载真实孔径雷达的成像几何
2012-11-18 14
Geometry of Side-looking Imaging Radar
D
Altitude
Incidence angle
2012-11-18
15
机载侧视雷达
真实孔径雷达工作原理示意图
2012-11-18 16
机载侧视雷达
真实孔径雷达信号原理示意图
2012-11-18 17
机载侧视雷达
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18
雷达成像
Surface
Flat surface
Forest
Cropland
Mountains
Rough surface
City
Radar image
不同地表类型对应的雷达图像（示意图）
2012-11-18 19
真实孔径雷达的分辨率
• 指向地面并垂直于方位向的方向称为距离向 （range direction） • 沿飞行平台前进方向称为方位向 （azimuth direction） • 波束沿距离向是很宽的，不过由于是时间测距 的工作方式，距离向的分辨率则取决于发送波束的 脉冲宽度τ • 真实孔径雷达天线长度就是实际的长度，为了 提高方位向的分辨率，要求发出的波束沿方位向是 很窄的，波束宽度与天线长度有关
最小分辨角:
= 1.22
0
d
d 物镜的有效孔径
“恰能分辨”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离， 应等于艾里斑的半径
2012-11-18 26
方位向分辨率
w
w
2012-11-18
27
方位向分辨率
w
w
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28
方位向分辨率
方位向分辨率：
Ra = ωR Ω为雷达主波瓣角
R为斜距
两个相同频率、 不同相位的波形
2012-11-18
பைடு நூலகம்
8
雷达的相干成像特点
• 不论是真实孔径雷达还是合成孔径雷达，成像 均具有相干性 • 要求雷达系统产生频率非常稳定的本机振荡 信号，该信号可以作为空间和时间上的定位。 • 雷达信号成像后，相位值仍然会记录在影像 的各个像素中，可以用复数表示，原始的影像的 像素值应该是复数形式的，在影像数据文件中用 实部和虚部的格式读/写
(地距分辨率)
Cτ
2 cosβ λH λR Δ L = βR = = (方位向分辨率) d sinβ d
2012-11-18
30
真实孔径雷达的分辨率 综合两个方向的分辨率,可得分辨单元面积Rr*Ra
2012-11-18
31
真实孔径雷达的分辨率
w
w
2012-11-18
32
真实孔径雷达的分辨率
u =| u | e
2012-11-18
jϕ
=| u | Re( e
jϕ
) + j | u | Im( e
jϕ
)
9
雷达的相干成像特点
• 实际上，成像雷达信号有一定带宽 （不是完全单一频率的电磁波）。 但是，带宽值远远小于载波频率f， 近似为相干波
ESA-ERS Parameters
B/f = 16/5300
λ = 5.66 cm (f = 5.3 GHz)
H = 780 Km θ= 23 deg – Stripmap Pol = VV dr = 7.91 m Slant Range Resolution da = 3.98 m Azimuth Resolution S 100 Km Revisiting Time = 35 days Bandwidth: 16 MHz
2012-11-18
20
距离向分辨率 脉冲长度（亦称脉冲宽度）τ与雷达波长λ不同 脉冲宽度越大，距离向分辨率越低
在地面可以分辨的两个目标最短距离就是侧视 雷达图像的距离向分辨率
被反射的脉冲
2012-11-18
距离向分辨率
21
距离向分辨率
R ∆r ∆Rr
发射的脉冲
τ
接收的脉冲
Δt 接收的脉冲
合成孔径雷达（SAR）
2012-11-18 34
小结
雷达侧视成像工作原理 真实孔径雷达分辨率
距离向分辨率、方位向分辨率
如何提高雷达分辨率
作业：合成孔径雷达分辨率与哪些参数相关？
什么是多视？
2012-11-18
35
雷达波瓣角与波长成正比 与天线孔径 d 成反比：
侧视雷达的地面分辨率 提高方位分辨率加大天线孔 径，波长较短电磁波，缩短观 测距离合成孔径技术
Ra = (λ/d) R (又 R=H/sinβ=H/cosθ )
2012-11-18
29
真实孔径雷达的分辨率
Δ Rr = Δ Rg =
Cτ 2
(斜距分辨率)
24
距离分辨率（地距分辨率）
Rg = (tc/2) secβ (或
c
2 cos
)
斜距分辨率 Rr=tc/2 (沿波束方向)
2012-11-18
方位向分辨率
衍射：电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过 障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播的现象
艾里斑
2012-11-18
25
方位向分辨率
瑞利准则
2012-11-18 4
真实孔径雷达工作原理
入射波
2012-11-18
散射波
5
真实孔径雷达工作原理
真实孔径雷达工作原理
2012-11-18 6
成像雷达系统的基本结构
真实孔径雷达工作流程
2012-11-18 7
雷达的相干成像特点
•
相干性和相位是干涉成像机理的重要概念
• 具有相同频率的波之间在空间或时间的差异 成为它们的相对“相位（phase）” • 成像雷达的一个基本特性是它发射的电磁波 和接受回来的电磁波是相干的（coherence）
2 微波遥感基础原理
2012-11-18
主要内容
§ 2．1 微波遥感物理基础 § 2．2 真实孔径雷达基本原理 § 2．3 SAR系统基本原理 § 2．4 SAR影像的主要特性
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2.2 真实孔径雷达基本原理
2012-11-18
真实孔径雷达
“真实孔径”雷达，顾名思义其雷达天线长度是实际 长度，雷达波的发射和接收都是以其自身有效长度的 效率直接反映到显示记录中 运动平台携带真实孔径天线从空中掠过，由天线向 平台的一侧或两侧发射波束并扫描地面。这些波束在 平台运动的方向上是很窄的，而在垂直于平台运动方 向上是延展的 脉冲几何分辨率在很大程度上是由天线长度和脉冲 宽度决定的。由于脉冲和地形相互作用，入射的雷达 波信号经地物的散射，一部分能量经后向散射，作为 随时间改变的放大信号接收下来
=0.003
近似的相干波
2012-11-18
10
为什么采用侧视工作方式？
雷达在“距离”向上有一个视觉，所以必须在旁边进行观测。 如果垂直照射地面，那么总会有两个点具有相同的距离， 轨迹的每一边各有一个，于是图像自身就会折叠，轨迹右边 的点和相应左边的点就会混在一起。
2012-11-18
11
机载侧视雷达
Δt
2012-11-18 22
距离向分辨率
β cosβ
2012-11-18
23
距离向分辨率
距离向分辨率与飞行器-目标之 间距离无关。同样的地距，同样 的脉冲宽度，俯角越大分辨率越 低，垂直入射角（俯角=90o）， 分辨率最差。
β
距离向分辨率与俯角的关系
脉冲宽度越小，俯角越小， 距离分辨率越高，俯角太 小地形影响严重，当俯角 一定时，减小脉冲宽度可 以提高距离分辨率，所以 合成孔径雷达在距离向采 用脉冲压缩技术chirp （距离压缩）
2012-11-18
33
真实孔径雷达的限制
• 波束之脉冲时间 τ 越小，距离向的分辨率越高，但
τ 太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比 ==> 脉冲压缩技术 • 理论上增加孔径 d 就可以提高方位向分辨率，但是实 际上是难以实现的，因为孔径的大小决定了天线几何尺 寸的大小 ==> 合成孔径的技术
2012-11-18
方位向
雷达波束
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机载侧视雷达
A到B中间的几个目标由近到远 地记录在显示器、胶片上 由于是距离成像，目标实际地 面距离（地距）大于记录在显 示器、胶片上的距离（斜距）
脉冲测距示意图
2012-11-18 13
机载侧视雷达
w
机载真实孔径雷达的成像几何
2012-11-18 14
Geometry of Side-looking Imaging Radar
D
Altitude
Incidence angle
2012-11-18
15
机载侧视雷达
真实孔径雷达工作原理示意图
2012-11-18 16
机载侧视雷达
真实孔径雷达信号原理示意图
2012-11-18 17
机载侧视雷达
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