SAR成像处理处理基础
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backscatter/echo/echo return
接收:
所包含的、关于被观测场景或目标的信息 * 距离 * 相对速度 * 角/方向 * 尺寸 * 形状 ∗SAR ISAR
……
合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
RADAR and Radar System
雷达
RADAR : RAdio Detection And Ranging
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Pulse for Pulsed Radar
线性频率调制
τp
当脉冲频率/波长不为常数时 ? e.g. 频率调制frequency modulation e.g. 线性频率调制Liner Frequency Modulation
λ
↓ LFM pulse (or Chirp signal) ↓(Matched Filtering) compressed pulse
SAR成像几何及信号建模
SAR典型成像算法原理 小结
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
SAR Geometry
成像几何 坐标系 平台坐标系 目标坐标系 地面坐标系 平面
∠V f , LOS
数据采集平面（斜距平面）data acquisition plane 地距平面
→
→
坐标轴（图像的二维） 方位 along track / azimuth 距离 cross track / range (slant range or ground range)
H(f) s(n) FFT S(f) SO (f) IFFT sO (n)
经脉压后的线性调频信号输出
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Radar Backscatter
RCS（Radar Cross-Section）定义
雷达方程
GPt σ Gλ2 Pr＝ ⋅ ⋅ 2 2 4πR 4πR 4π
合成孔径雷达成像基础
Fundamentals on SAR Imaging
洪 文 中国科学院电子学研究所 微波成像技术国家级重点实验室
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
雷达基础 雷达及雷达系统 雷达脉冲及雷达后向散射 合成孔径雷达(SAR)成像机理 SAR成像及目标的分辨 SAR成像几何及信号建模 SAR典型成像算法原理 小结
合成孔径雷达(SAR)成像机理 SAR成像及目标的分辨 SAR成像几何及工作模式 SAR典型成像算法 小结
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Pulse for Pulsed Radar
脉冲 波长/载频、脉宽、功率
λ
τp
脉冲pulse：脉冲雷达发射的光子包 packet of photons 脉宽pulse duration (or length),τp：脉冲持续时间 e.g. us~ms 波长/频率wavelength (or frequency)：光子相同的传播步长/频率 e.g. cm~ m 传播速度/光速 speed of light , e.g. 3×108m/s(真空) λ=c/f e.g. x波段 f=10GHz,λ=3cm 功率 power ：发射能量 e.g. kw
s (t a , t r ; Rc ) = γ 0 (t a , t r ) ⋅ e
其中， ＋
− jφr ( t a ,t r ; Rc )
⋅e
− jφa ( t a ,t r ; Rc )
距离Chirp e－jφr为发射Chirp的延时拷贝delayed replica； 方位Chirp e－jφa由载荷平台和被测目标间的相对运动而形成。 通过这种相对运动，可以合成的大尺寸雷达孔径。 这种技术被称为合成孔径雷达技术。
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
雷达基础 雷达及雷达系统 雷达脉冲及雷达后向散射 合成孔径雷达(SAR)成像机理
SAR成像及目标的分辨
SAR成像几何及信号建模 SAR典型成像算法原理 小结
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
SAR Imaging
! 图像 !! EM 300MHz-300GHz e.g. RADARSAT-1 FINE mode
Vf
PLATFORM GROUND TRACK
TARGET COORDINATE IMAGED SWATHWIDTH ANTENNA FOOTPRINT 合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
Signal Modeling
Azimuth Rend ta 2Rend/c
Synthetic Aperture TSAR Rclosest Vf⋅PRT Rstart θa τP Slant-range PRT
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Target Resolving
沿方位向的目标分辨 方法3：合成孔径雷达技术
相控阵技术
Method 3 : Synthetic Aperture Radar (SAR)
合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
雷达基础 雷达及雷达系统 雷达脉冲及雷达后向散射 合成孔径雷达(SAR)成像机理 SAR成像及目标的分辨
沿方位向的目标分辨 方法1：窄波束法
Method 1 : Real-Beam Mapping (RBM)
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Target Resolving
沿方位向的目标分辨 方法2：多普勒波束锐化法
Method 2 : Doppler Beam Sharpening (DBS)
合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
Target Resolving
不可分辨
临界可分辨
可分辨
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Target Resolving
沿距离向的目标分辨 方法1：窄脉冲法 方法2：线性调频脉冲法
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Target Resolving
合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
Signal Modeling
方位向Chirp信号的构成
How the azimuth Chirp is formed for a point target case in SAR?
距离历程
r (t a ; Rc ) = [ Rc + (v f t a ) 2 ] 2 ≈ Rc +
H
Target Material Target Surface Roughness
θi
∗ ∗
Target Surface Electrical Properties Incident Angle Radar Working Frequency Polarization of Transmitting/Receiving Antenna
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
雷达基础
雷达及雷达系统
雷达脉冲及雷达后向散射 合成孔径雷达(SAR)成像机理 SAR成像及目标的分辨 SAR成像几何及信号建模 SAR典型成像算法原理 小结
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
RADAR and Radar System
雷达 RADAR : RAdio Detection And Ranging 发射: 高功率电磁能量 * 脉冲体制雷达中的脉冲 pulse * 主动工作模式 返回能量的强度和时延 * 后向散射/回波
8 m / Vancouver
+ 全天时、全天候 + 高分辨率 + 本质特征 - 信号处理 - 图像解译
合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
Radar Imaging
SAR Imaging
SAR成像: 数据采集 + 成像处理
1.数据采集
照射目标或目标区域 + 回波信号采集 ⇓ 原始数据
归一化RCS定义
σ 0 = 10 log10
σ
A
其中 A为目标场景面积。示例：
σ (m2) measurements 10 1000
A 10m×10m 100m×100m
σ0 (dB) -10 -10
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Radar Backscatter
RCS影响因素 Target Shape
Pulse for Pulsed Radar
匹Hale Waihona Puke Baidu滤波器与脉冲压缩
h(t ) = s * (τ 0 − t ) H ( f ) = S*( f ) H ( f ) = S( f ) arg{H ( f )} = − arg{S ( f )}
H(f) s(n) FFT S(f) SO (f) IFFT sO (n)
经脉压后的线性调频信号输出
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Pulse for Pulsed Radar
工作频率/波长
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Pulse for Pulsed Radar
匹配滤波器与脉冲压缩
h(t ) = s * (τ 0 − t ) H ( f ) = S*( f ) H ( f ) = S( f ) arg{H ( f )} = − arg{S ( f )}
2Rclosest/c tr
2Rstart/c 2τP/c tr_min tr_max 2008.09.17 北京
合成孔径雷达成像基础
SAR数据采集：点目标回波生成
Signal Modeling
点目标回波数学模型 a two-dimensional Chirp with range migration 带距离徙动的二维线性调频信号，即：
2
1
vf
2
2 Rc
ta
2
⇑
相位历程
φa (t a ; Rc ) = −
4π
λ
r (t a ; Rc ) ≈ −
4πRc
λ
−
2πv f
2 2
ta λRc ⇑
频率历程
2v f 1 ∂φ (t a ; Rc ) f a (t a ; Rc ) = ta ＝− λRc 2π ∂t a ⇑
其中 Pt : 发射功率(发射机到天线) Pr : 接收功率(天线到接收机) R λ G 得
合成孔径雷达成像基础
: 作用距离(天线到目标) : 工作波长 : 天线增益 (发射机或接收机)
(4π ) 3 ⋅ R 4 ⋅ Pr σ= Pt ⋅ G 2 ⋅ λ2
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Radar Backscatter
2.成像处理
对原始数据的聚焦处理或成像处理 ⇓ 散射目标或目标区域的图像
合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
SAR Imaging
一幅图像 灰度：幅度和相位/二维：距离和方位 ⇓ 成像的过程和性能 可用目标在二维上的分辨来描述 ⇓ 二维可解耦时，一次二维目标的 分辨过程可以简化为： 两次一维的目标分辨过程 ⇓ 沿距离向目标分辨 + 沿方位向目标分辨
探测:
什么?
* RCS (Radar Cross Section)
在哪儿?
* LOS (Line of Sight)
测距:
多远 ?
* e.g. mountain area R=c∆τ/2
合成孔径雷达成像基础
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RADAR and Radar System
ANTENNA BEAM PATTERN TRANSMITTER ANTENNA RADAR PULSE .….. CIRCULATOR SIDELOBES RECEIVER ADC DSP -3 dB 0 dB
合成孔径雷达成像基础
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SAR Geometry
以机载平台为例的SAR成像几何
FLIGHT PATH or FLIGHT TRACK AZIMUTH RANGE SLANT-RANGE ANTENNA BEAM ALTITUDE or FLIGHT HEIGHT LOS GROUND COORDINATE PLATFORM COORDINATE
f f0
∗ ∗
∗
f B
合成孔径雷达成像基础
载频/工作频率carrier frequency f0 调频率Chirp rate kr=B/τp 带宽Bandwidth B 脉冲重复频率/时间PRF/PRT (Pulse Repetition Frequency / Time)
2008.09.17 北京
θa
DATA RECORDER / DISPLAYER 3dB OPENING ANGLE
MAINLOBE
LOS
θa=kλ/D
BACKSCATTER GROUND SURFACE POINT TARGET 合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
雷达基础 雷达及雷达系统
雷达脉冲及雷达后向散射
接收:
所包含的、关于被观测场景或目标的信息 * 距离 * 相对速度 * 角/方向 * 尺寸 * 形状 ∗SAR ISAR
……
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RADAR and Radar System
雷达
RADAR : RAdio Detection And Ranging
合成孔径雷达成像基础
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Pulse for Pulsed Radar
线性频率调制
τp
当脉冲频率/波长不为常数时 ? e.g. 频率调制frequency modulation e.g. 线性频率调制Liner Frequency Modulation
λ
↓ LFM pulse (or Chirp signal) ↓(Matched Filtering) compressed pulse
SAR成像几何及信号建模
SAR典型成像算法原理 小结
合成孔径雷达成像基础
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SAR Geometry
成像几何 坐标系 平台坐标系 目标坐标系 地面坐标系 平面
∠V f , LOS
数据采集平面（斜距平面）data acquisition plane 地距平面
→
→
坐标轴（图像的二维） 方位 along track / azimuth 距离 cross track / range (slant range or ground range)
H(f) s(n) FFT S(f) SO (f) IFFT sO (n)
经脉压后的线性调频信号输出
合成孔径雷达成像基础
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Radar Backscatter
RCS（Radar Cross-Section）定义
雷达方程
GPt σ Gλ2 Pr＝ ⋅ ⋅ 2 2 4πR 4πR 4π
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Fundamentals on SAR Imaging
洪 文 中国科学院电子学研究所 微波成像技术国家级重点实验室
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雷达基础 雷达及雷达系统 雷达脉冲及雷达后向散射 合成孔径雷达(SAR)成像机理 SAR成像及目标的分辨 SAR成像几何及信号建模 SAR典型成像算法原理 小结
合成孔径雷达(SAR)成像机理 SAR成像及目标的分辨 SAR成像几何及工作模式 SAR典型成像算法 小结
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Pulse for Pulsed Radar
脉冲 波长/载频、脉宽、功率
λ
τp
脉冲pulse：脉冲雷达发射的光子包 packet of photons 脉宽pulse duration (or length),τp：脉冲持续时间 e.g. us~ms 波长/频率wavelength (or frequency)：光子相同的传播步长/频率 e.g. cm~ m 传播速度/光速 speed of light , e.g. 3×108m/s(真空) λ=c/f e.g. x波段 f=10GHz,λ=3cm 功率 power ：发射能量 e.g. kw
s (t a , t r ; Rc ) = γ 0 (t a , t r ) ⋅ e
其中， ＋
− jφr ( t a ,t r ; Rc )
⋅e
− jφa ( t a ,t r ; Rc )
距离Chirp e－jφr为发射Chirp的延时拷贝delayed replica； 方位Chirp e－jφa由载荷平台和被测目标间的相对运动而形成。 通过这种相对运动，可以合成的大尺寸雷达孔径。 这种技术被称为合成孔径雷达技术。
合成孔径雷达成像基础
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雷达基础 雷达及雷达系统 雷达脉冲及雷达后向散射 合成孔径雷达(SAR)成像机理
SAR成像及目标的分辨
SAR成像几何及信号建模 SAR典型成像算法原理 小结
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SAR Imaging
! 图像 !! EM 300MHz-300GHz e.g. RADARSAT-1 FINE mode
Vf
PLATFORM GROUND TRACK
TARGET COORDINATE IMAGED SWATHWIDTH ANTENNA FOOTPRINT 合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
Signal Modeling
Azimuth Rend ta 2Rend/c
Synthetic Aperture TSAR Rclosest Vf⋅PRT Rstart θa τP Slant-range PRT
合成孔径雷达成像基础
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Target Resolving
沿方位向的目标分辨 方法3：合成孔径雷达技术
相控阵技术
Method 3 : Synthetic Aperture Radar (SAR)
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雷达基础 雷达及雷达系统 雷达脉冲及雷达后向散射 合成孔径雷达(SAR)成像机理 SAR成像及目标的分辨
沿方位向的目标分辨 方法1：窄波束法
Method 1 : Real-Beam Mapping (RBM)
合成孔径雷达成像基础
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Target Resolving
沿方位向的目标分辨 方法2：多普勒波束锐化法
Method 2 : Doppler Beam Sharpening (DBS)
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Target Resolving
不可分辨
临界可分辨
可分辨
合成孔径雷达成像基础
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Target Resolving
沿距离向的目标分辨 方法1：窄脉冲法 方法2：线性调频脉冲法
合成孔径雷达成像基础
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Target Resolving
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Signal Modeling
方位向Chirp信号的构成
How the azimuth Chirp is formed for a point target case in SAR?
距离历程
r (t a ; Rc ) = [ Rc + (v f t a ) 2 ] 2 ≈ Rc +
H
Target Material Target Surface Roughness
θi
∗ ∗
Target Surface Electrical Properties Incident Angle Radar Working Frequency Polarization of Transmitting/Receiving Antenna
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雷达基础
雷达及雷达系统
雷达脉冲及雷达后向散射 合成孔径雷达(SAR)成像机理 SAR成像及目标的分辨 SAR成像几何及信号建模 SAR典型成像算法原理 小结
合成孔径雷达成像基础
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RADAR and Radar System
雷达 RADAR : RAdio Detection And Ranging 发射: 高功率电磁能量 * 脉冲体制雷达中的脉冲 pulse * 主动工作模式 返回能量的强度和时延 * 后向散射/回波
8 m / Vancouver
+ 全天时、全天候 + 高分辨率 + 本质特征 - 信号处理 - 图像解译
合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
Radar Imaging
SAR Imaging
SAR成像: 数据采集 + 成像处理
1.数据采集
照射目标或目标区域 + 回波信号采集 ⇓ 原始数据
归一化RCS定义
σ 0 = 10 log10
σ
A
其中 A为目标场景面积。示例：
σ (m2) measurements 10 1000
A 10m×10m 100m×100m
σ0 (dB) -10 -10
合成孔径雷达成像基础
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Radar Backscatter
RCS影响因素 Target Shape
Pulse for Pulsed Radar
匹Hale Waihona Puke Baidu滤波器与脉冲压缩
h(t ) = s * (τ 0 − t ) H ( f ) = S*( f ) H ( f ) = S( f ) arg{H ( f )} = − arg{S ( f )}
H(f) s(n) FFT S(f) SO (f) IFFT sO (n)
经脉压后的线性调频信号输出
合成孔径雷达成像基础
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Pulse for Pulsed Radar
工作频率/波长
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
Pulse for Pulsed Radar
匹配滤波器与脉冲压缩
h(t ) = s * (τ 0 − t ) H ( f ) = S*( f ) H ( f ) = S( f ) arg{H ( f )} = − arg{S ( f )}
2Rclosest/c tr
2Rstart/c 2τP/c tr_min tr_max 2008.09.17 北京
合成孔径雷达成像基础
SAR数据采集：点目标回波生成
Signal Modeling
点目标回波数学模型 a two-dimensional Chirp with range migration 带距离徙动的二维线性调频信号，即：
2
1
vf
2
2 Rc
ta
2
⇑
相位历程
φa (t a ; Rc ) = −
4π
λ
r (t a ; Rc ) ≈ −
4πRc
λ
−
2πv f
2 2
ta λRc ⇑
频率历程
2v f 1 ∂φ (t a ; Rc ) f a (t a ; Rc ) = ta ＝− λRc 2π ∂t a ⇑
其中 Pt : 发射功率(发射机到天线) Pr : 接收功率(天线到接收机) R λ G 得
合成孔径雷达成像基础
: 作用距离(天线到目标) : 工作波长 : 天线增益 (发射机或接收机)
(4π ) 3 ⋅ R 4 ⋅ Pr σ= Pt ⋅ G 2 ⋅ λ2
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Radar Backscatter
2.成像处理
对原始数据的聚焦处理或成像处理 ⇓ 散射目标或目标区域的图像
合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
SAR Imaging
一幅图像 灰度：幅度和相位/二维：距离和方位 ⇓ 成像的过程和性能 可用目标在二维上的分辨来描述 ⇓ 二维可解耦时，一次二维目标的 分辨过程可以简化为： 两次一维的目标分辨过程 ⇓ 沿距离向目标分辨 + 沿方位向目标分辨
探测:
什么?
* RCS (Radar Cross Section)
在哪儿?
* LOS (Line of Sight)
测距:
多远 ?
* e.g. mountain area R=c∆τ/2
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
RADAR and Radar System
ANTENNA BEAM PATTERN TRANSMITTER ANTENNA RADAR PULSE .….. CIRCULATOR SIDELOBES RECEIVER ADC DSP -3 dB 0 dB
合成孔径雷达成像基础
2008.09.17 北京
SAR Geometry
以机载平台为例的SAR成像几何
FLIGHT PATH or FLIGHT TRACK AZIMUTH RANGE SLANT-RANGE ANTENNA BEAM ALTITUDE or FLIGHT HEIGHT LOS GROUND COORDINATE PLATFORM COORDINATE
f f0
∗ ∗
∗
f B
合成孔径雷达成像基础
载频/工作频率carrier frequency f0 调频率Chirp rate kr=B/τp 带宽Bandwidth B 脉冲重复频率/时间PRF/PRT (Pulse Repetition Frequency / Time)
2008.09.17 北京
θa
DATA RECORDER / DISPLAYER 3dB OPENING ANGLE
MAINLOBE
LOS
θa=kλ/D
BACKSCATTER GROUND SURFACE POINT TARGET 合成孔径雷达成像基础 2008.09.17 北京
雷达基础 雷达及雷达系统
雷达脉冲及雷达后向散射