合成孔径雷达技术热点及应用.ppt
彭石宝 2013年12月8日 合成孔径雷达技术热点及应用 1 彭石宝，男，1982年生，博士， 博士后。主要研究方向为雷达/ 声纳信号处理，雷达/声纳成像 ，计算电磁学，目标识别等。 作者简介 2 一、SAR发展回顾 二、SAR基本概念 三、SAR典型应用 四、SAR技术热点 提纲 3 1.SAR发展历程 2.SAR典型系统 一、SAR发展回顾 4 SAR优点： Ø 二维高分辨率图像 Ø 全天候、穿透云雾能力 Ø 全天时工作 Ø 低频段穿透植被和树叶 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 5 SAR应用领域： 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 Ø 军事：情报、监视、侦察 （SAR+GMTI） JSTAR伊拉克撤军 6 SAR应用领域： 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 Ø 民用：考古、测绘、防灾 光学图片SIR-C 7 最早的对地成像雷达：H2S，实孔径成像，分辨率低 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 二战期间英国的H2S机载雷达 1944年，德国的Cologne被轰炸后 H2S夜间观测图像 8 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 1957年第一幅SAR图像 1978提出 PFA算法 9 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 第一颗SAR 卫星SEASAT 上天 光学 处理 数字 处理 10 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 光学 处理 数字 处理 80年代中期 ASAR出现 U2 麦哲伦火星探测器 卡西尼土星 探测器 11 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 光学 处理 数字 处理 80年代中期 ASAR出现 U2 F-35 全球鹰 机载SAR Sandia Twin Otter 分辨率 1ft 12 一、SAR发展回顾 1 SAR发展历程 SAR分辨率发展历程表 13 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（机载系统） 14 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（机载系统） 15 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（机载系统） FSAR系统： Ø 多功能 Ø 多波段 Ø 多极化 Ø 带宽：800MHz Ø 最高重频：5KHz Ø 入射角：25°60° 16 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（机载系统） 全球鹰SAR系统： Ø 多功能(SAR+GMTI,对海模式) Ø X波段 Ø 带宽：600MHz Ø 视场：正负45° MPTIP 17 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（星载系统） 18 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（星载系统） 19 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（星载系统） 20 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（星载系统） 21 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统（星载系统） 22 一、SAR发展回顾 2 SAR典型系统 发展趋势：“五多” Ø 多极化（HH/HV/VH/VV） Ø 多平台（机载、星载） Ø 多功能（SAR、GMTI、INSAR等 ） Ø多波段（P/L/C/X/Ku） Ø 多基地（星星、星机、机舰） 23 一、SAR发展回顾 二、SAR基本概念 三、SAR典型应用 四、SAR技术热点 提纲 24 1.SAR成像原理 2.SAR成像模式 3.SAR成像过程 4.SAR成像指标 二、SAR基本概念 25 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 26 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 成 像 处 理 距离向高分辨通过发射宽带信号， 方位向高分辨通过合成孔径处理 27 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 SAR成像几何 28 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 数据收集过程： SAR 系统 场景 目标 回波 数据 目 标标、 场场景 大气 成像 几何 载载荷 指标标 29 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 目标、场景的表现形式：后向散射系数 目标：电导率、介电常数、形状结构 雷达：工作频率、波束入射角、极化方式 30 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 目标、场景的表现形式：后向散射系数 散射系数量级(单位：dBm2/m2) 典型场景 020 人工建筑物、城市区域 -100森林区域 -20-10农作物、粗糙地表 20 大型车辆、舰船 31 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 目标、场景的表现形式：后向散射系数 L波段 C波段 X波段 工作频段影响（透射效应） 频段越低，透射效应越好 20cm 6cm 1cm 32 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 目标、场景的表现形式：后向散射系数 X波段L波段 工作频段影响（透射效应） 33 二、SAR基本概念 1 SAR成像原理 目标、场景的表现形式：后向散射系数 散射系数：dbm2 波束入射角 陆地 海洋 波束入射角影响 波束入射角越小 散射系数越小 34 二、SAR基本概念 2 SAR成像模式 条带模式（StripSAR） 35 二、SAR基本概念 2 SAR成像模式 扫描模式（ScanSAR） 36 二、SAR基本概念 2 SAR成像模式 聚束模式（SpotlightSAR） 37 二、SAR基本概念 2 SAR成像模式 成像模式比较 成像模式分辨率测绘宽测绘宽 度 扫描SAR低大 条带SAR中中 聚束SAR高小 38 二、SAR基本概念 2 SAR成像模式 机载SAR成像模式：三种模式切换 39 二、SAR基本概念 2 SAR成像模式 星载SAR成像模式：三种模式变换种类多 40 二、SAR基本概念 2 SAR成像模式 星载SAR成像模式：三种模式变换种类多 41 二、SAR基本概念 3 SAR成像过程 传统雷达处理过程 波形 产生 功率 放大 双工器 接收机 发射机 A/D脉压 杂波 处理 检测跟踪 数据 记录 信号处理 42 二、SAR基本概念 3 SAR成像过程 SAR处理过程 波形 产生 功率 放大 双工器 接收机 发射机 A/D脉压 GPS/ IMU 运动 参数 成像 处理 机上信号处理 图像 处理 机下图像处理 43 二、SAR基本概念 3 SAR成像过程 距离向 脉压 运动 补偿 方位向 脉压 取模得 图像 原始回波 高分辨距离像 原始回波 高分辨距离像 最终图像 44 二、SAR基本概念 3 SAR成像过程 原始回波 高分辨距离像 最终图像 目标需要 运动补偿 45 二、SAR基本概念 3 SAR成像过程 处理过程中的运动补偿是SAR成像 的难点，不同的情况算法千变万化！ 46 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 四大类指标： Ø 点分辨率指标 Ø 面分辨指标 Ø 辐射分辨指标 Ø 定位指标 47 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 点分辨指标：分辨率、峰值旁瓣比、 理想点目标二维冲击响应图 距离分辨率： 方位分辨率： 48 分辨率：主瓣3dB宽度 峰值旁瓣比：第一旁瓣能量 与峰值能量的比值（-13.2dB） 积分旁瓣比：所有副瓣能量和 与峰值能量的比值（-13.2dB） 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 加窗 加窗效应：主瓣展宽，旁瓣降低（分辨率降低， 峰值旁瓣比和积分旁瓣比改善） 49 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 点分辨指标：方位向模糊度 50 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 点分辨指标：方位向模糊度 无方位模糊图像有方位模糊图像 距离向 方位向 51 52 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 点分辨指标：距离向模糊度 近区模糊远区模糊 主瓣回波信号 副瓣回波信号 53 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 点分辨指标：距离向模糊度 距离向 方位向 54 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 面分辨指标：图像噪声系数、等效视数、图像动态范围 反映SAR对地面反射系数的要求，该值越小，成像能力越强 图像噪声系数 55 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 辐射分辨指标：辐射精度、辐射分辨率、辐射稳定度 辐射精度：SAR测量目标散射系数的准确程度 辐射分辨率：SAR区分散射系数相近目标的能力 辐射稳定度：SAR在成像时间内辐射精度的稳定程度 56 二、SAR基本概念 4 SAR成像指标 图像定位指标：相对定位精度、绝对定位精度 求目标在载机坐标系下的坐标 求载机在地球坐标系下的坐标 求目标在地球坐标系下的坐标 求目标的经度、纬度、高度 SAR图像定位流程 相对定位精度 绝对定位精度 绝对定位经度受限于GPS经度限制 57 一、SAR发展回顾 二、SAR基本概念 三、SAR典型应用 四、SAR技术热点 提纲 58 1.干涉 2.极化 3.干涉+极化 三、SAR典型应用 59 1.1 干涉原理 1.2 InSAR 1.3 SAR/GMTI 1.4 DInSAR 三、SAR典型应用 1 干涉 60 三、SAR典型应用 1 干涉 条件： Ø 两幅或多幅SAR复图像联合处理 Ø 有用信息从图像干涉后的相位中提取 Ø 要求复图像间存在视角差 交轨干涉 顺轨干涉 1.1 干涉原理 61 三、SAR典型应用 1 干涉 交轨干涉形式： Ø 单平台双天线 Ø 单平台双航过 顺轨干涉形式： Ø 单平台双（多）天线 形式： 1.1 干涉原理 62 三、SAR典型应用 1 干涉 原理： 复图像相位： 与距离相关 干涉相位获取： SAR复图像1 SAR复图像2 干涉相位 干涉相位通常以2的 整数倍缠绕：相位解缠 1.1 干涉原理 63 三、SAR典型应用 1 干涉 干涉相位： 1.1 干涉原理 交轨干涉基线 引起 目标位置变化 引起 传播过程中的 介质变化引起 （单航过双天 线可避免该项 ） 噪声引起 64 三、SAR典型应用 1 干涉 典型应用： 干涉名称信息特点应用形式典型应用 交轨干涉天线图像间相 位差 Tomography SAR, InSAR 地形测绘 顺轨干涉天线图像间相 位差 SAR/GMTI地面动目标监视 洋流监视 差分干涉图像获取间隔 单位：天 DInSAR冰川、火山熔岩、 水文监测 差分干涉图像获取间隔 单位：天、年 DInSAR地形沉降、地震形 变、火山活动监测 1.1 干涉原理 65 三、SAR典型应用 1 干涉1.2 InSAR 高度：难以从单幅 图像中估计 SAR1相位： SAR2相位： 干涉相位： 单幅图像散射点 位置估计 66 三、SAR典型应用 1 干涉1.2 InSAR 高度： 基线长度B 已知 基线角 已知 实际中基线长度和基线角测量 精度要求极高：刚性基线 柔性基线 67 68 三、SAR典型应用 1 干涉1.2 InSAR TanDEM-X 垂直基线 水平基线 有效基线 69 三、SAR典型应用 1 干涉1.2 InSAR 层次空间 分辨率 绝对高程 精度 相对高程 精度 DTED-190m×90m30m20m DTED-230m×30m18m12m HRTI-312m×12m10m2m HRTI-46m×6m5m0.8m DEM层次标准 平方公里 70 三、SAR典型应用 1 干涉1.2 InSAR 层次空间 分辨率 绝对高程 精度 相对高程 精度 DTED-190m×90m30m20m DTED-230m×30m18m12m HRTI-312m×12m10m2m HRTI-46m×6m5m0.8m DEM层次标准 71 三、SAR典型应用 1 干涉1.2 InSAR SRTM获取的厄瓜多尔科多帕希火山DEM图 72 三、SAR典型应用 1 干涉1.1 InSAR Terra-SAR双航过巴黎干涉相位解缠后相位图，300MHz，时间：2008年1.16和1.27 73 74 三、SAR典型应用 1 干涉1.2 InSAR 地形学导航城市规划 灾害应急管理 冰川监测海洋监测 地质测绘 水文学 土地监管 75 三、SAR典型应用 1 干涉1.3 SAR/GMTI 基线 76 三、SAR典型应用 1 干涉1.3 SAR/GMTI 基线 两时刻复图像目标相位差： 时间基线（ms） 目标径向速度 77 三、SAR典型应用 1 干涉1.3 SAR/GMTI 公路 运动目标 静止目标 方位时间 距离 波束中心 静止目标 运动目标 方位时间 多普勒 调频率 多普勒中心 78 三、SAR典型应用 1 干涉1.3 SAR/GMTI ATI DPCA Ø利用复图像干涉相位信息 检测动目标 Ø不能抑制杂波，目标速度 误差和位置估计容易受杂 波干扰 Ø利用杂波对消凸显并检测 动目标 Ø没有利用干涉相位信息， 对目标速度及位置进行估 计 对消后幅度大小正比于目标径向速度 79 三、SAR典型应用 1 干涉1.3 SAR/GMTI ATI DPCA 某一距离单元干涉相位分布 杂波 运动目标 运动目标 80 FSAR近实时交通控制图 81 FSAR近实时交通控制图（放大） 82 Terra-SAR交通控制图 83 ESAR水流监测图 84 三、SAR典型应用 1 干涉1.3 SAR/GMTI 洋流监测 海岸警戒 冰川移动监测交通控制 军事上常用来对敌运动态势监视 85 三、SAR典型应用 1 干涉1.4 DInSAR 地表运动或沉降 引起的位移形变 86 三、SAR典型应用 1 干涉1.4 DInSAR 特点： Ø没有DEM数据的情况下，至少3个航过的复图像 Ø复图像间获取时间间隔长 Ø适合处理线性形变，可估算形变率 Ø非线性形变估计依然是个难题 87 三、SAR典型应用 1 干涉1.4 DInSAR 88 三、SAR典型应用 1 干涉1.4 DInSAR 89 三、SAR典型应用 1 干涉1.4 DInSAR 德国柏林地形沉降检测，10年 90 91 92 93 三、SAR典型应用 2 极化（PolSAR ） 反射 折射体散射 极化散射矩阵 散射方程 94 三、SAR典型应用 极化散射矩阵与目标特性相关 Ø 表面粗糙度 Ø 土壤水分 Ø 农植物涨势 Ø 地表斜度 Ø 冰层厚度 Ø 散射幅度 Ø 幅度比值 Ø 相对相位角 Ø 地表斜度 Ø 极化相干性 目标特性极化散射特性 2 极化（PolSAR ） 95 三、SAR典型应用 极化SAR处理流程 图像预处理 （相干斑抑制 ） 极化散射矩阵 （目标极化分解 ） 极化分类 四个极化维图像 分类结果 2 极化（PolSAR ） 96 97 98 三、SAR典型应用 农作物生长监测 大气水文监测森林监测 冰川分布监测地质分布监测 地物地形图制作人工探矿 军事上，目标极化分类 识别：反隐身、隐蔽 伪装揭示 2 极化（PolSAR ） 99 三、SAR典型应用 3 极化+干涉（PolInSAR） 联合利用目标的极化（PolSAR）和高程信息（lnSAR） 优势：可将同一高度上的不同目标在极化特性上进行分辨 100 101 一、SAR发展回顾 二、SAR基本概念 三、SAR典型应用 四、SAR技术热点 提纲 102 1.双多基地SAR 2.宽测高分SAR 四、SAR技术热点 103 1 双多基地SAR 四、SAR技术热点 优点： Ø 反隐身 Ø 低成本 Ø 高安全 Ø 高可靠 Ø 高性能 Ø 易组网 104 1 双多基地SAR 四、SAR技术热点 系统实现难点：三大同步问题（时间、空间、相位） 亟待解决的难题： Ø 分辨理论不完善 Ø 模糊理论不成熟 Ø 针对具体构型的高效成像算法缺乏 Ø 针对不同构型的在线同步技术研究不够 105 1 双多基地SAR 四、SAR技术热点 现状：机载+机载 ESAR(DLR)+Ramses(ONERA) 106 1 双多基地SAR 四、SAR技术热点 现状：机载+星载 TerraSAR+FSAR2007年 107 1 双多基地SAR 四、SAR技术热点 单基地SAR双基地SAR光学图片 108 1 双多基地SAR 四、SAR技术热点 单基地SAR双基地SAR光学图片 109 1 双多基地SAR 四、SAR技术热点 现状：机载+星载 TerraSAR+TanDEMSAR2010年 110 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 TerraSAR-X扫描条带聚束 分辨率16m3m1m 测绘宽度100km30km10km 为什么随着分辨率的增加而测绘宽度却在减小呢？ 未来SAR模式x模式y模式z 分辨率5m1m0.1m 测绘宽度400km100km30km 111 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 传统SAR存在的矛盾：高方位分辨率与大的测绘宽度 方位向分辨率： 平台航向速度 方位向多普勒带宽 脉冲重复频率 距离向测绘宽度： 光速 发射脉冲宽度 增加方位分辨 率-加大脉冲 重复频率 增加距离向测 绘宽度-减小 脉冲重复频率 112 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 传统SAR:相 控阵天线 加权合成 SAR成像处理 DBF SAR成像处理 DBF-SAR: 数字相控 阵天线 缓解思路：数字波束形成SAR 113 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 形式1：阵列天线，接收波束形成 距离向发射宽波束 114 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 形式1：阵列天线，接收波束形成 距离向波束形成载波束 115 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 形式2：阵列天线+馈源（发射扫描） 116 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 形式2：阵列天线+馈源（发射扫描） 阵列扫描形成宽测绘带 117 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 形式3：阵列天线+馈源（接收扫描） 118 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 形式3：阵列天线+馈源（接收扫描） 阵列扫描形成宽测绘带 119 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 DBF-SAR其他优点： Ø 利用收/发DBF-SAR技术可实现3D下视成像 Ø 具备多模式多任务同时工作能力 Ø 自适应波束形成对抗各种电子干扰能力 120 2 宽测高分（DBF-SAR） 四、SAR技术热点 DBF-SAR难点技术： Ø 数字T/R组件 Ø 多通道数字化接收技术 Ø 高速大容量数据传输技术 Ø 集成一体化收发通道设计技术 Ø 高性能软件化信号处理机 121 鸣谢 本报告完成过程中，参考了以下作者的报告，在此表示感谢！ Paco López-Dekker，Introduction to SAR I，II, PECS SAR Remote Sensing Course, 2011, Szeged Robert M. ODonnell，Synthetic Aperture Radar Lecture, IEEE New Hampshire Section, 2013 122 123
