（推荐）合成孔径雷达-遥感原理与应用.ppt

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,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,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 合成孔径雷达(SAR) SAR Synthetic Aperture Radar 合成 孔径 雷达,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）。 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（SAR）的基本概念,常用雷达遥感波段表,合成孔径雷达（SAR）的基本概念,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（用于机载天气探测雷达系统）,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。,合成孔径雷达（SAR）的基本概念,SAR原始数据及其相应的SAR图像 （北京颐和园2009.9RADARSAT-2）,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2009.9RADARSAT-2；2009.6 Quick Bird）,合成孔径雷达（SAR）的基本概念,同一地区的光学图像（云的干扰严重）与SAR图像,机载SAR系统,1978 Seasat L HH,1981, SIR-A L HH,1984, SIR-B L HH,1994, SIR-C/X-SAR L,C Qud Pol, X VV,2000, SRTM,InSAR C Wide Swath X narrow, Hi Res,1990,Magellan,1991, ERS-1 C VV,2002,ENVISAT ASAR C, Mutli-POL,1996, ERS-2 C VV,2007,COSMO-SkyMed,10,CCRS, Canada,NASDA, Japan,1992,JERS-1,L HH,2007,12 Radarsat-2, C Qud Pol,1996,RADARSAT-1, C HH,2006,ALOS-PALSAR,L, Multi,Pol,2007, TerraSAR,星载SAR系统,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,2 SAR的基本原理与方法,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。,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,脉冲宽度,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,侧视雷达工作原理,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,有关术语（1）,A: 入射角 incidence angle; B: 视角; C: 斜距 Slant distance; D: 地距 Ground distance;,有关术语（2）,A: 近射程 near range B: 远射程 far range,有关术语（3）,在侧视方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力) Pg=c /2cos 脉冲持续期（脉冲宽度，时间s)， 俯角，c光速。,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,距离分辨率,有关术语（4）,计算示例： 设俯角50,脉冲宽度0.1s 则距离分辨力 Pg = 0.5 0.110-6(s) 2.998 108(m/s)/cos 50 = 0.5 0.1 2.998 / 0.642788 100 = 23.2m,Pg = 0.5 c cos,距离分辨率,有关术语（5）,距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。,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 天线越长，ra越小，方位分辨率越高,有关术语（6）,方位分辨率,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 若要求方位分辨率达到3m,则天线孔径需2000m。 （这是不可能的）,距离分辨率,有关术语（7）,ra = 3 10-2(m)/4(m)200103(m) =1500m,ra= (/L)R,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 短天线孔径。,合成孔径雷达,侧视雷达工作原理,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。,合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辨率为: Rs=(/ Ls)R 由于天线最大的合成孔径为: Ls=Ra=(/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，：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。,合成孔径雷达工作原理,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,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。,SAR图像的几何特征,斜距图像和地距图像的比较,雷达图像变形：距离向,SAR图像的几何特征,地距图像与斜距图像,SAR图像的几何特征,斜距图像,地距图像,地形畸变,透视收缩foreshortening 山体面向雷达的一面在图像上被压缩，这一部分往往表现为较高亮度； 坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。,叠掩(Layover)： 当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，因此，在图像的距离方向，山顶和山底的相对位置颠倒； 收缩度：坡顶的收缩度比坡底大,阴影(Shadow)： 当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时，没有回波信号产生，图像上出现暗区。,SAR图像的几何特征,透视收缩示例：,SAR图像的几何特征,C波段 ERS-1 侧视角：23,L波段 ERS-1 侧视角：36,侧视方向 ,中等入射角，透视收缩明显。,叠掩示例：,SAR图像的几何特征,侧视方向 ,小入射角，叠掩明显。,阴影示例：,SAR图像的几何特征,侧视方向 ,大入射角，阴影严重。,与光学图像的比较,SAR图像的几何特征,光学影像,雷达影像,侧视方向 ,雷达方程,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 ：作用距离(天线到目标) ：工作波长 G ：天线增益(发射机或接收机) ：雷达散射截面积,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：,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,2 SAR的基本原理与方法,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。 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10，通道之间的串扰小于-30dB。,辐射校正,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。,SAR图像斑点的形成机理,斑点噪声抑制,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。,斑噪抑制目标及主要方法,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。,几何校正,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,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,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 Doppler方程独立于卫星姿态并可以消除地球自转、曲率的影响 斜地变换仅是视觉上的变换 SAR的斜距图像是时间上的等间隔采样 地距图像是等距离间隔的采样,几何校正,斜地变换,列间隔7.9米,行间隔3.9米,卫星,斜距,地距,几何校正,斜地变换（续）,重采样,几何校正,斜距图像,地距图像,几何校正, 多项式纠正, 共线方程G.Konecny公式正射纠正,几何校正,处理流程 根据SAR头文件的星历信息计算卫星轨道数据，并按照坐标变换关系将卫星轨道坐标、控制点坐标、及DEM数据转换到同一坐标系（椭球割面坐标系）中。 利用控制点坐标像素值与地理坐标值之间的对应关系，组建正射纠正模型。 对正射纠正模型进行线性化，通过采用线角元素分开、岭估计等方法确定正射模型中的各待定参数值。 依据输出图像的图幅范围，按照指定的输出像元的大小，计算DEM范围内各点的地理坐标所对应的像素坐标。 利用得到的像素坐标在待纠正中的SAR影像中通过采样（最邻近差值或双线性差值）求出地面控制点其地理坐标值处所对应的像素灰度值。 正射图像生成。,几何校正,去平地效应,干涉纹图,高精度配准,辅图像 SLC,主图像 SLC,DEM,相位解缠,地理编码,算法流程简图,热点,干涉处理,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,SAR的应用领域 地物分类与地图制图 获取地形高程信息DEM 监测地表微小形变 火山，地震，滑坡，冰川等监测 灾害防治、评估与应急抗灾,3 SAR的应用领域和优势,a 原始影像,b 对影像进行分割,d 决策数分类结果 （96%）,极化SAR高精度自动分类,c 分类参数,SAR的应用领域,获取地形高程信息DEM,SAR的应用领域,地物变化监测,SAR的应用领域,Landers地震监测（Science）,SAR的应用领域,InSAR进行滑坡监测,SAR的应用领域,堰塞湖监测,SAR的应用领域,热带雨林监测,SAR的应用领域,南极冰川运动速度计算,SAR的应用领域,火山监测,SAR的应用领域,与光学遥感相比，SAR具有如下优势: 全天候，不受云雾雪的影响，雨的影响有限 全天时，主动遥感系统 对地表有一定的穿透能力，与土壤含水量有关，依 赖于波长 对植被有一定的穿透能力，依赖于波长和入射角 高分辨率，分辨率与距离无关 独特的辐射和几何特性 干涉测量能力 多极化观测能力,3 SAR的应用领域和优势, SAR的优势,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,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之干涉高程测量,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之高分辨率 高分辨率带来工作模式的变化： 20世纪90年代后期之后研制或计划研制的星载SAR基本上都具有多种工作模式； 继条带式、SCAN SAR、多极化模式之后，干涉、GMTI、全极化、聚束、多波束和多频等工作模式也将成为以卫星为载体的星载SAR的工作模式之一； 在多种工作模式中一般要具有： 适合全球覆盖和发现目标的“低分辨率、宽测绘带模式； 适合识别目标的“高分辨率，窄测绘带”模式。,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之小型化,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之多极化,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之多时相 高时间分辨率（多时相）： 又称为重复观测周期，是指相邻两次观测同一目标地区的时间间隔； 理想的时间分辨率是实时观测，现实的是近实时观测； 对于单颗星，在600700公里的轨道高度，若测绘带宽500600公里，对于特定的地区，时间分辨率可以达到5天； 通过卫星组网可以显著提高时间分辨率。如DISCOVER II使用24颗星组网，时间分辨率提高到15分钟。,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之运动目标检测 运动目标检测： 发展多通道SAR； 应用： 军事运动目标检测； 洋流监测。,运动目标检测（德国E-SAR）,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之多波段 为什么要使用多波段？ SAR测量的是目标的后向散射系数，而目标的散射系数是随频率变化的； 多频测量可以获得更加丰富的信息，有利于目标的分类和识别； 单波段的SAR只能适合部分类型的目标观测，多波段SAR可以适用于对更多类型目标的观测； 通过多频测量，还可找出各种应用情况下的最佳测量频率。 多波段的实现方式： 在一可卫星上配置多波段的SAR，实现真正的多波段测量，如：SIR-C/X SAR、Light SAR、IRS-3和Almaz-1B等； 在不同的卫星上配置不同波段的SAR，实现近似的多波段测量，如：Terra SAR。,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之极化干涉SAR 极化SAR： 对散射体的形状、方向、介电性质较为敏感； 可通过极化分解技术获取对分辨单元内不同散射机理/过程的描述； 干涉SAR： 高程信息获取技术； 可实现对平均散射中心的定位。 极化干涉SAR： 敏感于垂直分布散射机理，具有获取分辨单元内随高度分布变化的散射特性的能力； 开展体散射体（volume scatters）三维结构研究的可能； 同时完成纹理结构配准和空间特性恢复的可能； 非监督分割分类和地物参数反演的可能。,极化干涉SAR用于森林参数估计,4 SAR的发展方向与研究热点,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之3DSAR,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之3DSAR,4 SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之3DSAR,4 SAR的发展方向与研究热点,未来SAR系统的发展方向 小型化、易于实现、提供各类用户感兴趣的信息、星载的实时处理以降低传输资源的消耗等。 多维度微波成像 从波段、极化、视角、分辨率等多个不同维度对观测物体（场景和目标）的物理和几何特性进行综合描述。 未来SAR系统目标 构成全球传感器网络，建立自主的全球范围的集成通讯、定位和导航能力的遥感系统； 同步的机载、星载接收机群，形成具有全球覆盖、连续观测、极高分辨力和提供不同用户所需的信息的能力； 获取观测对象更为丰富的信息，达到对目标的分类、辨认和识别。,底面顶点：三种基本成像方式，实现空间单一维度上成像； 三角形底边、棱边、侧面:单一维度的延伸与两个维度的综合而成的面，实现至少两个维度的成像； 三角形顶点:点、线、面的汇聚，可实现多维度微波信息的综合成像（微波成像新体制）。,谢谢！,