第3章-合成孔径原理

微波成像理论及实现曹宗杰，2014第三章合成孔径原理本章内容重点:合成孔径雷达(SAR)基本概念；方位分辨力的概念；了解成像雷达发展概况。一、SAR概念合成孔径雷达1.SyntheticApertureRadar，简称SAR；2.SAR的出现扩展了雷达概念，使雷达具备了对目标成像和识别的能力；3.因此，雷达的信息获取从一维的距离扩展到了三维的距离、方位和高度，从静止目标扩展到了运动目标和速度信息的获取，从普通的目标检测扩展到了目标的形状、大小和图像信息的获取。雷达成像定义：在微波波段对目标后向散射系数进行描述。一、SAR概念SAR系统的独特优势:全天时，主动遥感，夜晚也可以工作；(优于可见光、多光谱等)全天候，微波波段，各种气象条件可工作；(优于红外、激光等)穿透性，可发现植被遮盖的目标和地下目标一、SAR概念SAR系统的独特优势:散射信息丰富：不同频率、角度、极化的微波散射特性能够精确测量距离和速度一、SAR概念低对比度场景可见光成像雷达成像一、SAR概念侧视(side-looking)观测带(Swath)成像几何1)坐标系平台坐标系目标坐标系地面坐标系2)平面数据采集平面（斜距平面）地距平面一、SAR概念3)坐标轴（图像的二维）方位alongtrack/azimuth距离crosstrack/range(slantrangeorgroundrange)机载平台SAR成像几何一、SAR概念入射角(IncidentAngle)斜距(Slantrange)一、SAR概念照射区(Footprint)入射角β(elevationangle)Ψg(grazingangle,depressionangle):Ψg=π/2-β最小距离Rmin和最大距离Rmax一、SAR概念ERS–1/2SARAntennaL:10mD:1mAltitude:785km,sun-synchronousorbitGroundVelocity:6.6km/sLookAngle:Right17-23(20.355mid-swath)SlantRange:845km(mid-swath)Frequency:C-Band(5.3GHz,5.6cm)Footprint:100kmx5km一、SAR概念ERS–1/2SARSamplingRate:18.96MHzPulseduration:37.1sSamplingDuration:300s(5616samples)PRF:1700HzDataRate:105Mb/s(5bit/sample)一、SAR概念平台分类--机载--星载一、SAR概念一、SAR概念不同平台的考虑星载平台机载平台覆盖范围宽窄成本高低天气和机场约束不受影响易受影响信号处理简单复杂分辨率低低高任意飞行受轨道约束容易工作模式模式有限容易调整频段的选择频段越低，穿透能力越强：P、L频段越高，对地物细节描述能力越强，图像的边缘轮廓越清晰：X、Ku中间频段，兼顾穿透性和细节描述，综合性能好：S、C最好发展多频段SAR：L、C、X一、SAR概念不同频段SAR设计考虑频段低－电子设备实现相对简单－合成孔径长，信号处理困难－天线大频段高－电子设备实现相对困难－需要的发射功率大－容易实现高分辨率一、SAR概念实孔径雷达成像一、SAR概念1.孔径区别－多普勒波束锐化(DopplerBeamForming)－合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)2.运动方式－合成孔径雷达(SAR)－逆合成孔径雷达(InverseSAR)－SAR/ISAR－SAR/MTI一、SAR概念4.辐射源区别－无源(Passive)和有源(Active)－双多基地(Bistatic,Multi-static)－分布式(Distributed)5.工作模式分类1)条带式(StripMode)－正侧视(Boresight)－斜视(Squint)－前视(Forward-looking)2)扫描式(ScanSAR)3)聚束式(Spotlight)一、SAR概念TerraSAR卫星成像模式二、成像雷达的发展与现状正侧视(Boresight)一、SAR概念条带式(StripMode)一、SAR概念扫描式(ScanSAR)一、SAR概念聚束式(Spotlight)一、SAR概念二、成像雷达的发展与现状SAR的发展1)1951年Goodyear飞机公司C.A.Wiley首先提出SAR的概念，1965年申请专利；2)1953年UniversityofIllinois首次试验验证3)1957年第一部SAR雷达在UniversityofMichigan实现，3cm波长X波段(中国1979)4)1962年JetPropulsionLaboratory开始研究SAR，1966年机载SAR在CV-990飞机上试飞5)70年代，Kirk等研制了第一台SAR数字处理系统（中国1994）SAR的发展6)1978年6月第一颗雷达卫星升空，SEASAT-1卫星，飞行105天后，由于电源问题，10月停工。分辨率25m的高质量对地观测图像获取成像总面积达到1亿平方公里标志着SAR技术进入空间领域。（中国2006）7)1981年，84年和94年分别成功发射了SIR-A,SIR-B和SIR-C,平台分别采用了哥伦比亚号、挑战号和奋进号航天飞机。实现了全极化和10m的分辨率二、成像雷达的发展与现状SAR的发展8)1988年和91年，使用大力神号航天飞机发射了军用的“长曲棍球”(Lacrosse)雷达卫星。分辨率高达1m，公开资料很少9)1991年和95年，欧洲空间局分别成功发射了ERS-1和ERS-2，2000年发射了Envisat卫星10)1995年加拿大发射了RadarSat-1卫星，工作模式最多，波束方式最多的雷达卫星。分辨率8m。二、成像雷达的发展与现状SAR系统分类Space-borneSAR早期：SEASAT-A(USA,1978),SIR-A(USA,1981),SIR-B(USA,1984),SIR-C/X-SAR(USA,Germany,Italy,1994),ALMAZ-1(Russia,1991-1993),ERS-1(EU,1991-2000),ERS-2(EU,1995-),JERS-1(Japan,1992-1998),Radarsat-1(Canada,1995-),SRTM:spaceshuttle近期：ENVISAT(EU,2002),RADARSAT-2(Canada,2005)TerraSAR(Germany,2007),COSMO-SkyMed(Italy,2007)二、成像雷达的发展与现状SAR系统分类AirborneSARTOPSAR(JPL,USA),IFSARE(ERIM/Intermap,USA),DO-SAR(Donier,Germany),E-SAR(DLR,Germany),AeS-1(Aerosensing,Germany),AER-II(FGAN,Germany),C/X-SAR(CCRS,Canada),EMISAR(Denmark),Ramses(ONERA,France),ESR(DERA,UK),Lynx(USA)PlanetarySARMagellan,CassiniSAR(US,1990-1994),TitanRadarMapper(US,2004)，探月二、成像雷达的发展与现状ENVISAT卫星－ASARLaunched2002.3.1C-band,Multpol,multi-mode耗资大约20亿欧元参与国家：奥地利，比利时，加拿大，丹麦，法国，芬兰，德国，意大利，挪威，西班牙，瑞典，瑞士，荷兰和英国二、成像雷达的发展与现状二、成像雷达的发展与现状有效载荷：2050公斤设计寿命：5年--10年星上仪器数量10轨道：太阳同步轨道高度：800公里轨道倾角98°单圈时间101分钟重复周期35天ENVISAT卫星－ASAR二、成像雷达的发展与现状ENVISAT卫星－ASAR工作模式工作模式IMAGEALTERNATINGPOLARISATIONWIDESWATHGLOBALMONITORINGWAVE成像宽度100km100km400km400km5km下行数据率100Mbit/s0.9Mbit/s极化方式VV或HHVV/HH或VV/VH或HH/HVVV或HHVV或HHVV或HH分辨率30m30m150m1000m10m二、成像雷达的发展与现状ENVISAT-1WideSwath模式图象2003年12月10日02:31:45VV极化湖南发射时间：1995年11月4日太阳同步轨道（晨昏）轨道高度：796公里倾角：98.6度运行周期：100.7分钟重复周期：24天每天轨道数：14重量：2750kg二、成像雷达的发展与现状RADARSAT-1卫星二、成像雷达的发展与现状工作模式入射角（度）标称分辨率（米）标称轴宽(公里)精细模式（5个波束位置）37---481050x50标准模式（7个波位）20---4930100x100宽模式（3个波位）20---4530150x150窄幅ScanSAR（2个波位）20---40,31---4650300x300宽幅ScanSAR20---49100500x500超高入射角模式（6个波位）49---592575x75超低入射角模式10---2335170x170RADARSAT-1卫星工作模式二、成像雷达的发展与现状TerraSAR卫星(德国)Launched2007年6月15日,X-band,Antenna4.8mx0.7mx0.15mDatastorage256Gbit,Datatransmission300Mb/sOrbit514km,98°Inclination,sun-synchronousRepetitionrate11days=167orbits二、成像雷达的发展与现状TerraSAR卫星成像模式二、成像雷达的发展与现状TerraSAR卫星二、成像雷达的发展与现状高分辨率雷达卫星数据不断涌现：1)2007年6月7日，意大利1米高分辨率雷达卫星系统首颗卫星COSMO-SkyMed-1成功发射；2)2007年6月15日，德国1米高分辨率雷达卫星TerraSAR-X顺利升空；3)2007年12月9日，意大利1米高分辨率雷达卫星系统第二颗星COSMO-SkyMed-2在美国发射成功；2008年，COSMO-SkyMed-3和COSMO-SkyMed-4将发射;4)2007年12月14日，加拿大3米分辨率雷达卫星Radarsat2搭乘俄运载火箭升空。二、成像雷达的发展与现状加拿大3米分辨率雷达卫星Radarsat2二、成像雷达的发展与现状河道基本被山体滑坡阻断河床被山体滑坡覆盖,只剩较窄河道岷江穿过城区的部分河床被山体滑坡覆盖2008年5月16日汶川地区RADARSAT-2卫星影像图美国Sandia国家实验室(2006)Firstreal-time1-ftstripmappingSAR(1ft=0.3m)First100-lbclasssyntheticapertureradar(1lb=0.45kg)Firstreal-timesub-4-inchspotlightKu-bandSARFirst1-GHz48-bitDDSwith50-dBspur-freedynamicrange二、成像雷达的发展与现状二、成像雷达的发展与现状二、成像雷达的发展与现状二、成像雷达的发展与现状关键技术：宽带天线技术宽带信号产生及接收技术高精度运动补偿技术小型化芯片集成技术225Kg0.15m分辨率大小30cm，厚25cm10Kg，0.1m分辨率美国mini-SAR二、成像雷达的发展与现状Mini-SAR系统Ka波段0.075米分辨率SAR图像(2007)二、成像雷达的发展与现状多功能相控阵成像雷达——PAMIR(