合成孔径雷达(SAR)技术

由4.13度提高到0.4度,并获得第一张SAR图像.
3. 1957年, 密西根大学采用光学处理方式, 获得了第一 张全聚焦SAR图像. 4. 1978年, 美国发射了第一颗星载Seasat-1. 5. 1991年, 欧洲空间局发射了ERS-1. 6. 1995年, 加拿大发射了Radarsat-1. 7. 2000年, 欧洲空间局发射了ASAR. 8. 2003年, 日本准备发射ALOS SAR.
SAR 主要性能指标-辐射精度
1. 辐射分辨率:
10 lg[ 1 q]
2. 辐射精度:
H PI
SAR 主要性能指标-定位精度
1. 目标定位 2. 目标定位误差源
* 回波时延误差 * 电磁波传播效应误差 * 目标高度误差 * 多普勒中心频率误差 * 时钟误差 * 卫星的星历误差
SAR 主要性能指标-模糊特性

距离模糊
方位模糊
SAR 主要性能指标-模糊特性
距离模糊
h

波束宽度

测绘带
模糊带
模糊带
SAR 主要性能指标-模糊特性
近距点回波时间:
远距点回波时间:
为满足测绘带内的单值测量,脉冲重复周期应满足:

SAR合成孔径原理
SAR合成孔径原理-波束形成
目标
d 相邻两个阵源接收信号的空间延迟为:d sin
天线阵
SAR合成孔径原理-波束形成
相邻两个阵源接收信号的相位差为: M个阵源接收的信号序列为:

2d

sin
2d 2 ( M 1)d {F ( ), F ( ) * exp( j sin ),..., F ( ) * exp( j sin )}
各国SAR系统
美国: Seasat-1, Sir-A, Sir-B, Sir-C, LACROSSE SAR, LightSAR, Medsat SAR
欧洲:
ERS-1, ERS-2, XSAR, ASAR
加拿大: Radarsat-1, Radarsat-2 俄罗斯: Almaz-1
日本:
JERS-1
接收机
SAR
天线 子系 统
高功
率微 波电 路 发射机 校准系统
定时与 数据处 理
磁波
记录器 传输
载荷
系统
计算
电源分配单元
SAR 基本组成
输入数 据接口
方位 预处理 距离 压缩 距离走 动校正
方位 压缩
幅度 检测
多视 相加
参考函 数产生
控制 单元
运动参 数提取
几何幅 度校正
输出数 据调节
控制指令
惯性导航系统
SAR数字信号处理
SAR 主要性能指标



频率与极化 分辨率与观测带宽 重复观测周期 辐射精度 定位精度 模糊特性
SAR 主要性能指标-频率与极化
1. 2. 3. 4. 5. 大气传输窗口 频率与信息 极化与信息 系统特征与图像质量 设备复杂性与继承性
SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽
T /2
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
求半功率点波束宽度, 令:
| Z ( y) / Z (0) |2 0.5
最后得到其横向分辨率为:
y 0.5 R
真实孔径天线横向分辨率为:
y

D
R
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
聚焦处理 聚焦处理需要对二次相位差进行补偿, 有:
xy y 2 2 (t ) 1 (t ) ( ) 2R 2R
应用领域


地形测绘与地质研究中的应用
如埃及古河道的发现, 阿尔贝托油田的分析
农业和林业中的应用
如土地利用调查, 土壤水分测量, 作物生长与分类
海洋研究和监测方面的应用
如海面石油污染的监测


军事方面的应用
如军事目标的识别与定位
减灾防灾方面的应用
如森林火灾,地震等灾害的预报
合成孔径原理
8km 的孔径长度由小天线实现 原理
0.886R y 2vsT
合成孔径的最大长度为:
0.886 Le vsT R D
最终,理论上合成孔径的横向分辨率为:
D y 2
SAR合成孔径原理-频率分析方法
1951年, Carl Wiley首次提出频率分析方法解决雷达
角分辨率问题. 从多普率频率分辨出发, 研究目标的分辨. 证明当两个点目标其多普勒频率可分时, 两个目标空间上 也可分.
合成孔径雷达(SAR)技术
中国科学院电子所 2002/12/09
SAR 技术概述
SAR 是一种脉冲雷达技术，具有较高的分 辨率，可以获得区域目标的图像。 SAR 具有广泛的应用领域，它有两种模式 机载SAR 星载SAR
SAR 发展概况
1. 1951年, Carl Wiley 首次提出利用频率分析方法改 善雷达的角分辨率. 2. 1953年, 伊利诺依大学采用非聚焦方法使角度分辨率
SAR合成孔径原理-频率分析方法
目标的多普勒频率
SAR合成孔径原理-频率分析方法
对目标P1,P2, 它们多普勒频率为:
f1 f2
2vs

cos1 cos 2
2v s

它们多普勒频率差为:
f f1 f 2
2vs

[cos 1 cos 2 ]
SAR合成孔径原理-频率分析方法
1 exp( j
2Md
sin )
SAR合成孔径原理-波束形成
取M个信号和的包络, 可以得到:
Md sin( sin ) | OUT | F ( )* | | d sin( sin )
上式表明, 单个阵源的波束宽度被加权, 等效形成新的波束.
新波束的形状由上式第二个因子决定.
f f 2 f1 2vs 2vs
2 2 2vs 2 1 2[sin( ) sin( )] 2 2
通常存在下面关系:

2[sin(
2 1
[cos 2 cos1 ] ) sin(
2 1
)]
2 1
sin( 2 ) 2
这时回波响应为:
4
xy y 2 Z ( y ) exp[ j ( )]dt T / 2 R 2R
T /2
4
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
vs ty y Z ( y ) exp[ j ( )]dt T / 2 R 2R 2 4 y T / 2 4 vs ty exp[ j ] exp[j ]dt 2 R T / 2 R 2vsTy 2 sin 4 y R exp[ j ] 2 R 2vsTy R
其中F ( ) 为单个阵源的天线方向图,满足:


显然, M个阵源接收的信号构成等比级数
D
SAR合成孔径原理-波束形成
对M个阵源接收信号构成的等比级数求和, 可以得到:
OUT F ( )
2d 1 exp( j sin ) Md sin( sin ) ( M 1)d F ( ) exp( j sin ) d sin( sin )
1. 空间分辨率
c K r K1 距离分辨率: r 2 Br sin i
c Kr K1 i Br
:为光速 :为距离加权展宽系数
:幅相频率特性误差引起的展宽系数
:为入射角 :为发射的线性调频信号带宽
SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽
1. 空间分辨率
D K a K 2 K3 方位分辨率: a 2K 4
K a :为方位加权展宽系数 K 2 :信号分布不均匀引起的展宽系数 K 3 :为地速引起的改善系数 K3 Re / a
K 4 :为天线加权展宽系数
SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽
2. 观测带宽
距离向3dB波束宽度对应的地面距离跨度
波束视角
h

波束宽度

近距点 波 远距点
束
中 心
SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽
SAR合成孔径原理-频率分析方法
所以点目标间的多普勒增量为:
f
2vs sin


多普勒频率分辨与滤波器时间常数存在如下关系:
1 f TD
只要多普勒频率增量能够被分辨, 则方位分辨率为:
x R
R
2TD vs sin
SAR合成孔径原理-频率分析方法
当 90度, 多普勒滤波器的时间常数为:
x vst Le
v sT 2
目标B y
R x 2 / 2R
R
目标A
聚焦与非聚焦示意图
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
对于目标A, 天线任意位置与其的距离为:
x 2 RA R x R 1 ( ) R
2 2
因为目标的距离与天线横向移动的距离相比较大, 则运用 泰勒级数展开进似可以得到:
SAR合成孔径原理-波束形成
Md sin( sin ) | | d sin( sin )
显然, 上式的形状由分子决定, 其中:
式中, R为目标的距离, x 为目标的横向分辨距离
x sin R
SAR合成孔径原理-波束形成
求第一零点位置确定半功率点分辨率, 令:
x
2 x RA R 2 x 2 R 2R
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
则对于目标A, 回波信号的双程相1 (t ) 2R 2R
同理, 对于目标B, 回波信号的双程相位差为:
4 ( x y) 2 4 (vs t y) 2 4 (vs2t 2 2vsty y 2 ) 2 (t ) 2R 2R 2R
2. 观测带宽
近距点距离:
Rn h * tg( / 2)
远距点距离:
R f h * tg ( / 2)
测绘带宽度:
W R f Rn
SAR 主要性能指标-重复观测周期

轨道的设计
SAR 主要性能指标-辐射精度

定量微波遥感测量
建立雷达图像与目标 散射系数之间的传递 函数
SAR的特点 I

为什么使用雷达成像技术
全天候，穿透云雾能力 全天时工作 穿透植被和树叶 目标与频率的相互关系 运动检测

SAR的特点 II

合成孔径技术提高方位分辨率:
R
D
实例:
23.5cm R 850km 25m D 8km
星载SAR距离850km，工作频率1.276GHz， 像素分辨率25m 需要 8km 合成孔径
T /2
4
2
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
求归一化回波功率增益:
2vsTy sin ( ) Z ( y) 2 R | | 2vsTy 2 Z (0) ( ) R
2
求半功率点波束宽度, 令:
| Z ( y) / Z (0) |2 0.5
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
最后得到其横向分辨率为:
TD
最终的方位分辨率为:
R
vs D
D x 2
SAR 基本概念



最大聚焦合成孔径长度: R Lmax D 天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长 度 SAR 聚焦分辨率: R D sar 2 Lmax 2
分辨率的改善与天线尺寸有关，与距离和波 长无关

SAR 基本组成
非聚焦处理 在y处的点目标回波响应为:
4 (vs t y ) Z ( y ) exp[ j ]dt T / 2 2R T /2 4 (vs t y ) 2 | Z ( y ) | { cos[ j ]dt}2 T / 2 2R T /2 4 (vs t y ) { sin[ j ]dt}2 T / 2 2R
M d x R
M d R
这样, 经过阵列信号处理后的波束分辨率为:


M d
SAR合成孔径原理-波束形成
考虑合成孔径雷达信号的双程相位差
最后, 合成孔径雷达的波束分辨率为:


2 M d
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
v sT 2
聚焦
R ( x y) 2 / 2R
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理
则对任意位置y, 在整个孔径时间内积分可以得到
目标在所有y位置上的信号包络. 当对雷达载体沿直线 飞行产生的二次相位误差不补偿时
4 x 2 4 vs2t 2 1 (t ) 2R 2R
这时的积分处理称非聚焦处理, 否则称为聚焦处理.
SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理