合成孔徑雷達(dá)遙感原理與應(yīng)用課件

1、合成孔徑雷達(dá)原理方法與應(yīng)用張繼超測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院內(nèi)容提要1 合成孔徑雷達(dá)（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(shì)4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)1 合成孔徑雷達(dá)（SAR）的基本概念雷達(dá)(Radar) Radar Radio Detection and Ranging 無(wú)線電 探測(cè) 和 測(cè)距合成孔徑雷達(dá)(SAR) SAR Synthetic Aperture Radar 合成 孔徑 雷達(dá)雷達(dá)是主動(dòng)遙感，一般工作在微波（射頻）波段，可分為成像雷達(dá)和非成像雷達(dá)。成像雷達(dá)又可分為真實(shí)孔徑雷達(dá)（RAR，SLAR，也叫機(jī)載側(cè)視雷達(dá)）和合成孔徑雷達(dá)（SAR）。合成孔徑雷達(dá)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(dòng)目標(biāo)指示，GMTI，Ground Moving Target Indicator.合成孔徑雷達(dá)（SAR）的基本概念波段名稱波長(zhǎng)（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(dá)遙感波段表合成孔徑雷達(dá)（SAR）的基本概念雷達(dá)遙感波段地球資源應(yīng)用中的常用波段：X，C，L波長(zhǎng)增加，穿透能力增加。在晴朗天氣狀況下，大氣對(duì)于波長(zhǎng)小于30mm的微波略有衰減。隨波長(zhǎng)減小，衰減增大。波長(zhǎng)小于10mm時(shí)，暴雨呈現(xiàn)強(qiáng)反射（用于機(jī)載天氣探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)）雷達(dá)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(lái)對(duì)海洋及海冰進(jìn)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(zhǎng)的波長(zhǎng)可以穿透的更深，在冠層、樹(shù)干及土壤間發(fā)生多次散射。合成孔徑雷達(dá)（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(dá)（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(dá)（SAR）的基本概念同一地區(qū)的光學(xué)圖像（云的干擾嚴(yán)重）與SAR圖像機(jī)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(dá)（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(shì)4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)2 SAR的基本原理與方法側(cè)視雷達(dá) 側(cè)視雷達(dá)是在飛機(jī)或衛(wèi)星平臺(tái)上由傳感器向與飛行方向垂直的側(cè)面，發(fā)射一個(gè)窄的波束

6、，覆蓋地面上這一側(cè)面的一個(gè)條帶，然后接收在這一條帶上地物的反射波，從而形成一個(gè)圖像帶。隨著飛行器前進(jìn)，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(dá)圖像。 雷達(dá)成像的基本條件：雷達(dá)發(fā)射的波束照在目標(biāo)不同部位時(shí)，要有時(shí)間先后差異，這樣從目標(biāo)反射的回波也同時(shí)出現(xiàn)時(shí)間差，才有可能區(qū)分目標(biāo)的不同部位。側(cè)視雷達(dá)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(dá)在時(shí)間t1發(fā)射出一個(gè)窄脈沖,被目標(biāo)反射后,在時(shí)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(gè)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(dá)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(yǔ)（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(yǔ)（2）A: 近射程 near rangeB: 遠(yuǎn)射程 far range有關(guān)術(shù)語(yǔ)（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(shí)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(yǔ)（4）計(jì)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(yǔ)（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(zhǎng)，L天線長(zhǎng)度 ra= (/L)R天線越長(zhǎng)，ra越小，方位分辨率越高有關(guān)術(shù)語(yǔ)（6）方位分辨率計(jì)算示例： 設(shè)衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長(zhǎng)=3cm,距目標(biāo)地物200km, 則方位分辨力 若要求方位分辨率

9、達(dá)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(yǔ)（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(lái)代替真實(shí)孔徑天線，以縮 短天線孔徑。合成孔徑雷達(dá)側(cè)視雷達(dá)工作原理2 SAR的基本原理與方法合成孔徑雷達(dá) 合成孔徑雷達(dá)（SAR），也是側(cè)視雷達(dá)。 基本原理： 利用短的天線，通過(guò)修改數(shù)據(jù)記錄和處理技術(shù)，產(chǎn)生很長(zhǎng)孔徑天線的效果，等于通過(guò)加長(zhǎng)天線孔徑來(lái)提高觀測(cè)精度。 在沿飛行航跡方向上形成一個(gè)天線陣列，并與數(shù)據(jù)記錄和處理過(guò)程聯(lián)系在一起。 在不同位

10、置接收同一地物的回波信號(hào)，信號(hào)得到的時(shí)間不同，相位和強(qiáng)度不同，形成相干影像。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的處理，得到地面的實(shí)際影像。合成后的天線孔徑為L(zhǎng)s,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(zhǎng)；D：雷達(dá)孔徑；R：斜距。 由此可知，方位向的分辨率與距離無(wú)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(dá)工作原理合成孔徑雷達(dá)工作原理理論計(jì)算表明：合成孔徑雷達(dá)在沿航跡方向的分辨率為： Pa =l/2l為天線長(zhǎng)度斜距圖像的比例尺變化A、B、C為三個(gè)長(zhǎng)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(dá)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(dá)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(dá)的山坡很陡時(shí)，出現(xiàn)山頂比山底更接近雷達(dá)的情況，因此，在圖像的距離方向，山頂和山底的相對(duì)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(dá)波束不能到達(dá)后坡坡面時(shí)，沒(méi)有回波信號(hào)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(yán)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(dá)影像側(cè)視方向 雷達(dá)方程其中 Pt ：發(fā)射功率(發(fā)射機(jī)到天線) Pr ：接收功率(天線到接收機(jī)) R ：作用距離(天線到目標(biāo)) ：工作波長(zhǎng) G ：天線增益(發(fā)射機(jī)或接收機(jī)) ：雷達(dá)散射截面積雷達(dá)方程描述了雷達(dá)系統(tǒng)、散射體和接收信號(hào)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(diǎn)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(gè)重要方面是輻射校正，也就是把SAR圖像像元值與場(chǎng)景的雷達(dá)后向散射系統(tǒng)定量地關(guān)聯(lián)起來(lái)。經(jīng)過(guò)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(duì)SAR校準(zhǔn)的要求：達(dá)到1dB的絕對(duì)精度，0.5dB的長(zhǎng)期相對(duì)校準(zhǔn)精度和優(yōu)于0.5dB的短期相對(duì)校準(zhǔn)精度。對(duì)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(cè)擴(kuò)散面目標(biāo)的回波信號(hào)中，相同地物的回波因?yàn)橄辔坏碾S機(jī)分布而不同，那些回波功率衰減到遠(yuǎn)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(diǎn)；那

14、些回波功率增強(qiáng)到遠(yuǎn)高于平均值電平的像素亮度很高，在圖像上表現(xiàn)為亮點(diǎn)。SAR圖像斑點(diǎn)的形成機(jī)理斑點(diǎn)噪聲抑制斑點(diǎn)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?yàn)V波頻率域?yàn)V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(diǎn)抑制目標(biāo)： 在保持盡量多的圖像細(xì)節(jié)信息同時(shí)達(dá)到最好的斑點(diǎn)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(shí)，或需要對(duì)多時(shí)相、多源信息進(jìn)行綜合分析時(shí)，必須對(duì)SAR影像進(jìn)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?jǐn)z影測(cè)量學(xué)界發(fā)展的基于雷達(dá)共線方程的方法。

15、這種方法通常基于簡(jiǎn)化的雷達(dá)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(kāi)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(jī)理出發(fā)，和SAR的信號(hào)處理過(guò)程有機(jī)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。基于SAR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(diǎn)擬合變換公式近似進(jìn)行簡(jiǎn)單校正Doppler方程獨(dú)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(jué)上的變換SAR的斜距圖像是時(shí)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(xiàng)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(jì)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(diǎn)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(diǎn)坐標(biāo)像素值與地理坐標(biāo)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，組建正射糾正模型。對(duì)正射糾正模型進(jìn)行線性化，通過(guò)采用線角元素分開(kāi)、嶺估計(jì)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(jì)算DEM范圍內(nèi)各點(diǎn)的地理坐標(biāo)所對(duì)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(guò)采樣（最鄰近差值或雙線性差值）求出地面控制點(diǎn)其地理坐標(biāo)值處所對(duì)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(jiǎn)圖熱點(diǎn)干涉處理內(nèi)容提要1 合成孔徑雷達(dá)（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(shì)4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)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(cè)地表微小形變 火山，地震，滑坡，冰川等監(jiān)測(cè)災(zāi)害防治、評(píng)估與應(yīng)急抗災(zāi)3 SAR的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢(shì)a 原始影像b 對(duì)影像進(jìn)行分割d 決策數(shù)分類結(jié)果 （96%）極化SA

18、R高精度自動(dòng)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(cè)SAR的應(yīng)用領(lǐng)域Landers地震監(jiān)測(cè)（Science） SAR的應(yīng)用領(lǐng)域InSAR進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)SAR的應(yīng)用領(lǐng)域堰塞湖監(jiān)測(cè)SAR的應(yīng)用領(lǐng)域熱帶雨林監(jiān)測(cè)SAR的應(yīng)用領(lǐng)域南極冰川運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算SAR的應(yīng)用領(lǐng)域火山監(jiān)測(cè)SAR的應(yīng)用領(lǐng)域與光學(xué)遙感相比，SAR具有如下優(yōu)勢(shì): 全天候，不受云霧雪的影響，雨的影響有限 全天時(shí)，主動(dòng)遙感系統(tǒng) 對(duì)地表有一定的穿透能力，與土壤含水量有關(guān)，依 賴于波長(zhǎng) 對(duì)植被有一定的穿透能力，依賴于波長(zhǎng)和入射角 高分辨率，分辨率與距離無(wú)關(guān) 獨(dú)特的輻射和幾何特性 干涉測(cè)量能力 多極化觀測(cè)能力3

19、 SAR的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢(shì) SAR的優(yōu)勢(shì)內(nèi)容提要1 合成孔徑雷達(dá)（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(shì)4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)SAR的研究熱點(diǎn)之干涉高程測(cè)量 4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)SAR的研究熱點(diǎn)之高分辨率 高分辨率帶來(lái)工作模式的變化：20世紀(jì)90年代后期之后研制或計(jì)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(cè)

20、繪帶模式；適合識(shí)別目標(biāo)的“高分辨率，窄測(cè)繪帶”模式。4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)SAR的研究熱點(diǎn)之小型化 4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)SAR的研究熱點(diǎn)之多極化 4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)SAR的研究熱點(diǎn)之多時(shí)相 高時(shí)間分辨率（多時(shí)相）：又稱為重復(fù)觀測(cè)周期，是指相鄰兩次觀測(cè)同一目標(biāo)地區(qū)的時(shí)間間隔；理想的時(shí)間分辨率是實(shí)時(shí)觀測(cè)，現(xiàn)實(shí)的是近實(shí)時(shí)觀測(cè)；對(duì)于單顆星，在600700公里的軌道高度，若測(cè)繪帶寬500600公里，對(duì)于特定的地區(qū)，時(shí)間分辨率可以達(dá)到5天；通過(guò)衛(wèi)星組網(wǎng)可以顯著提高時(shí)間分辨率。如DISCOVER II使用24顆星組網(wǎng)，時(shí)間分辨率提高到15分鐘。4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)SA

21、R的研究熱點(diǎn)之運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè) 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)： 發(fā)展多通道SAR； 應(yīng)用：軍事運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)；洋流監(jiān)測(cè)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（德國(guó)E-SAR）4 SAR的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)SAR的研究熱點(diǎn)之多波段 為什么要使用多波段？SAR測(cè)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(cè)量可以獲得更加豐富的信息，有利于目標(biāo)的分類和識(shí)別；單波段的SAR只能適合部分類型的目標(biāo)觀測(cè)，多波段SAR可以適用于對(duì)更多類型目標(biāo)的觀測(cè)；通過(guò)多頻測(cè)量，還可找出各種應(yīng)用情況下的最佳測(cè)量頻率。多波段的實(shí)現(xiàn)方式：在一可衛(wèi)星上配置多波段的SAR，實(shí)現(xiàn)真正的多波段測(cè)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(shí)現(xiàn)近似的多波段測(cè)量，如：Terra SAR。4 SAR的發(fā)展