合成孔径雷达-遥感原理与应用

CCRS, Canada
1996
RADARSAT-1, C HH
2007,12
Radarsat-2,
C Q辽ud宁Po工l 程技术10大学
内容提要
1 合成孔径雷达（SAR）的基本概念 2 SAR的基本原理与方法 3 SAR的应用领域和优势 4 SAR的发展方向与研究热点
辽宁工程技术大学
2 SAR的基本原理与方法
SAR图像的几何特征
地距图像与斜距图像
斜 距 图 像
地 距 图 像
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SAR图像的几何特征
地形畸变
叠透掩视(收La缩yover)： 当for面es向ho雷rte达ni的ng山 阴坡影很山(陡体Sh时面ad，向ow出雷)：现达 山的当顶一后比面坡山在坡底图度更像较接上 大近被，雷压雷达缩达的，波情这束况一不，部 能因分到此往达，往后在表坡图现坡像为面的较 时距高，离亮没方度有向；回，波山信顶 号和产山坡生底底，的的图相收像对缩上位度 出置比现颠坡暗倒顶区；大。；山坡 收的缩坡度度：越坡大顶，的收 收缩缩量度越比大坡。底大
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合成孔径雷达工作原理
合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辨率为:
Rs=(λ/ Ls)R
由于天线最大的合成孔径为: Ls=Ra=(λ/D)R
则有
Rs=D
由于双程相移,方位分辨率还可提高一倍,即：
Rs=D/2
式中，λ：波长；D：雷达孔径；R：斜距。
由此可知，方位向的分辨率与距离无关，所以， 即使从卫星的高度上也可以获得高分辨率的图像。
短天线孔径。
合成孔径雷达
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2 SAR的基本原理与方法
合成孔径雷达 合成孔径雷达（SAR），也是侧视雷达。 基本原理： 利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术， 产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径 来提高观测精度。 在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与 数据记录和处理过程联系在一起。 在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得 到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影像。 经过复杂的处理，得到地面的实际影像。
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合成孔径雷达工作原理
理论计算表明： 合成孔径雷达在沿航 迹方向的分辨率为：
Pa =l/2 l为天线长度
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SAR图像的几何特征
斜距图像的比例尺变化
A、B、C为三个长度相等的线性地物。
斜距图像和地距图像的比较
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SAR图像的几何特征
雷达图像变形：距离向
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侧视雷达工作原理
电磁波在空间中的 传播速度c是一定的, 当雷达在时间t1发 射出一个窄脉冲,被 目标反射后,在时间 t2返回, 则目标地物 的距离为:
(t2-t1)×c/2
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侧视雷达工作原理
发一个脉冲,陆续 收到一连串回射, 而且回射的特性 随地物不同而异
飞行方向
脉冲宽度
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合成孔径雷达（SAR）的基本概念
波段名称 Ka K Ku X C S L P
常用雷达遥感波段表
波长（cm） 频率区间（GHz）
0.75-1.18
40.0-26.5
1.19-1.67
26.5-18.0
1.67-2.4
18.0-12.5
2.4-3.8
12.5-8.0
3.9-7.5
8.0-4.0
对SAR校准的要求：达到±1dB的绝对精度，±0.5dB 的长期相对校准精度和优于0.5dB的短期相对校准精度。
对于极化SAR图像的校准要求是：极化通道在幅度上的 失衡小于0.4dB，相位失衡小于10º，通道之间的串扰小 于-30dB。
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斑点噪声抑制
SAR图像斑点的形成机理
在观测扩散面目 标的回波信号中，相 同地物的回波因为相 位的随机分布而不同， 那些回波功率衰减到 远低于平均值电平的 像素亮度很低，在图 像上就表现为黑点； 那些回波功率增强到 远高于平均值电平的 像素亮度很高，在图 像上表现为亮点。
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有关术语（1）
A：飞行方向 B：天底
nadir
E：方位向
azimuth flight direction
D：距离向
look direction
C：扫描宽度
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有关术语（2）
A: 入射角
incidence angle;
B: 视角; C: 斜距
Slant distance;
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SAR图像的几何特征
透视收缩示例：
中等入射角，透视收缩明显。
侧 பைடு நூலகம் 方 向 ↓
C波段 ERS-1 侧视角：23°
L波段 ERS-1 侧视角：36°
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SAR图像的几何特征
叠掩示例：
侧视方向 → 小入射角，叠掩明显。
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SAR图像的几何特征
阴影示例：
大入射角，阴影严重。
SAR原始数据及其相应的SAR图像 （北京·颐和园·2009.9·RADARSAT-2）
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合成孔径雷达（SAR）的基本概念
SAR图像及其相应的光学影像 （北京·颐和园·2009.9·RADARSAT-2；2009.6·Quick Bird）
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合成孔径雷达（SAR）的基本概念
1991, ERS-1 C VV
1996, ERS-2 C VV
NASDA, Japan
1992 JERS-1 L HH
2002,ENVISAT ASAR C, Mutli-POL
2007,COSMO-SkyMed 2007, TerraSAR
2006 ALOS-PALSAR L, Multi Pol
D: 地距
Ground distance;
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有关术语（3）
A: 近射程
near range
B: 远射程
far range
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有关术语（4）
距离分辨率
在侧视方向的分辨率(在垂 直于航向方向的分辨力)
Pg=c× /2cosφ
脉冲持续期（脉冲宽度，
时间s)， φ俯角，c光速。
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有关术语（6）
方位分辨率
沿航线方向的分辨率
ra=×R 波束宽度，
R 天线到该像元的倾斜距离 =/L, 波长，L天线长度
ra= (/L)×R
距离越近，方位分辨率 越高；与距离向分辨率 变化规律相反。
天线越长，ra越小，方位分辨率越高
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有关术语（7）
距离分辨率 计算示例： 设卫星天线孔径D=4m,波长=3cm,距目标地物200km, 则方位分辨力 ra= (/L)×R
合成孔径雷达分类：
条带式，Stripemap； 扫描式，ScanSAR； 聚束式，Spotlight Mode； 干涉式，Interferometry； 逆合成孔径，Inverse SAR； 斜视，Squint； 地面动目标指示，GMTI，Ground Moving Target Indicator.
合成孔径雷达原理方法与应用
张继超
测绘与地理科学学院
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内容提要
1 合成孔径雷达（SAR）的基本概念 2 SAR的基本原理与方法 3 SAR的应用领域和优势 4 SAR的发展方向与研究热点
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1 合成孔径雷达（SAR）的基本概念
雷达(Radar) Radar– Radio Detection and Ranging 无线电 探测 和 测距
侧视雷达 侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与
飞行方向垂直的侧面，发射一个窄的波束，覆盖地 面上这一侧面的一个条带，然后接收在这一条带上 地物的反射波，从而形成一个图像带。随着飞行器 前进，不断地发射这种脉冲波束，又不断地接收回 波，从而形成一幅一幅的雷达图像。
雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标 不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射 的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不 同部位。
同一地区的光学图像（云的干扰严重）与SAR图像
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机载SAR系统
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星载SAR系统
1978 Seasat L HH
1981, SIR-A L HH
1984, SIR-B L HH
2000, SRTM,InSAR 1994, SIR-C/X-SAR C Wide Swath 1990,Magellan L,C Qud Pol, X VV X narrow, Hi Res
ra = [3 10-2(m)/4(m)]200103(m) =1500m 若要求方位分辨率达到3m,则天线孔径需2000m。 （这是不可能的）
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侧视雷达工作原理
提高距离分辨率和方位分辨率的方法： 1） 采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度； 2） 用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩
光学近似模型的SAR几何精确纠正
共线方程G.Konecny公式正射纠正 由数字摄影测量学界发展的基于雷达共线方程的方
法。这种方法通常基于简化的雷达成像几何关系建立 SAR共线方程。 行中心投影公式正射纠正
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几何校正
基于成像模型的SAR几何精确纠正 R-D模型正射纠正 由SAR图像处理算法及系统开发领域专家提出的 基于距离——多普勒（RD）定位模型的方法，这 种算法完成从SAR成像机理出发，和SAR的信号 处理过程有机结合，已经成为通常SAR处理器都 具备的标准SAR图像产品生产方法。 基于SAR模拟成像的正射纠正
侧视方向 →
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SAR图像的几何特征
与
光学影像
光
学
图
侧视方向 →
像
的
比
较
雷达影像
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雷达方程
雷达方程描述了雷达系统、散射体和接收信号 三者之间的基本关系：
其中
Pr
PtG2 2 (4 )3 R4
Pt ：发射功率(发射机到天线)
Pr ：接收功率(天线到接收机)
R ：作用距离(天线到目标)
7.5-15.0
4.0-2.0
15.0-30.0
2.0-1.0
30.0-100
1.0-0.3
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雷达遥感波段
地球资源应用中的常用波段：X，C，L 波长增加，穿透能力增加。 在晴朗天气状况下，大气对于波长小于30mm
的微波略有衰减。随波长减小，衰减增大。 波长小于10mm时，暴雨呈现强反射（用于机
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斑噪抑制目标及主要方法
SAR斑点抑制目标： 在保持尽量多的图像细节信息同时达到最好的斑点抑制。
成像前的多视处理
斑
点
抑
均值滤波
制
中值滤波
的 主 要 方
成像后的滤波技术
空间域滤波
Lee滤波 Frost滤波
Kuan滤波
法
高通滤波
频率域滤波
低通滤波
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几何校正
当需要确切获取SAR影像上地物特征的空间位置信息时， 或需要对多时相、多源信息进行综合分析时，必须对SAR影像 进行精确的几何校正处理。
载天气探测雷达系统）
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雷达遥感波段
ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。 C波段 可以用来对海洋及海冰进行成像，而L波段可以更深地穿透 植被，所以在林业及植被研究中更有用。
较长的波长可以穿透的 更深，在冠层、树干及 土壤间发生多次散射。
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合成孔径雷达（SAR）的基本概念
λ ：工作波长
G ：天线增益(发射机或接收机)
б ：雷达散射截面积
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2 SAR的基本原理与方法
SAR数据处理方法
□ 辐射校正 □ 斑点噪声抑制 □ 几何校正 □ 干涉处理
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辐射校正
SAR校正的一个重要方面是辐射校正，也就是把SAR图 像像元值与场景的雷达后向散射系统定量地关联起来。 经过校正的SAR图像应当具有逐日逐帧的可重复性，具 有图像帧内和各通道之间的稳定性，并且具有已知的、 合理的精度。
φ越大， Pg越大，分辨率越低 【距离越近，距离向分辨率越低】
理论上讲,斜距分辨率 等于脉冲宽度的一半
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有关术语（5）
距离分辨率 计算示例： 设俯角50,脉冲宽度0.1s
则距离分辨力 Pg = 0.5 c ／cos
Pg = 0.5 0.110-6(s) 2.998 108(m/s)/cos 50 = 0.5 0.1 2.998 / 0.642788 100 = 23.2m
合成孔径雷达(SAR) SAR – Synthetic Aperture Radar 合成 孔径 雷达
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合成孔径雷达（SAR）的基本概念
雷达是主动遥感，一般工作在微波（射频）波段， 可分为成像雷达和非成像雷达。
成像雷达又可分为真实孔径雷达（RAR，SLAR， 也叫机载侧视雷达）和合成孔径雷达（SAR）。
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几何校正
图像的几何粗校正
地球自转、曲率、卫星姿态的校正 斜距-地距改正 利用地面控制点拟合变换公式近似进行简单校正