合成孔径雷达(SAR)技术

合成孔径雷达(SAR)技术中国科学院电子所2002/12/09SAR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SARSAR发展概况1.1951年,CarlWiley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ALOSSAR.各国SAR系统美国:Seasat-1,Sir-A,Sir-B,Sir-C,LACROSSESAR,LightSAR,MedsatSAR欧洲:ERS-1,ERS-2,XSAR,ASAR加拿大:Radarsat-1,Radarsat-2俄罗斯:Almaz-1日本:JERS-1SAR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:实例: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DRkmDmkmRcm8258505.23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SAR合成孔径原理SAR合成孔径原理-波束形成天线阵目标d相邻两个阵源接收信号的空间延迟为:sindSAR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:sin2dM个阵源接收的信号序列为:)}sin)1(2exp(*)(),...,sin2exp(*)(),({dMjFdjFF其中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)(FD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:)sin)1(exp()sinsin()sinsin()()sin2exp(1)sin2exp(1)(dMjdMdFdjMdjFOUTSAR合成孔径原理-波束形成取M个信号和的包络,可以得到:|)sinsin()sinsin(|)*(||dMdFOUT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.SAR合成孔径原理-波束形成|)sinsin()sinsin(|dMd显然,上式的形状由分子决定,其中:Rxsin式中,R为目标的距离,为目标的横向分辨距离xSAR合成孔径原理-波束形成RdMxRxdM求第一零点位置确定半功率点分辨率,令:dM这样,经过阵列信号处理后的波束分辨率为: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dM2最后,合成孔径雷达的波束分辨率为:SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理目标A目标By聚焦R聚焦与非聚焦示意图2Tvs2TvsRyxR2/)(2RxR2/2tvxseLSAR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:222)(1RxRxRRA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:RxRxRRA2222SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理则对于目标A,回波信号的双程相位差为:RtvRxts2424)(2221同理,对于目标B,回波信号的双程相位差为:RytyvtvRytvRyxtsss2)2(42)(42)(4)(222222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这时的积分处理称非聚焦处理,否则称为聚焦处理.RtvRxts2424)(2221SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理非聚焦处理22/2/22/2/22/2/}]2)(4sin[{}]2)(4cos[{|)(|]2)(4exp[)(dtRytvjdtRytvjyZdtRytvjyZsTTsTTsTT在y处的点目标回波响应为:SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理5.0|)0(/)(|2ZyZ求半功率点波束宽度,令:最后得到其横向分辨率为:RDyRy5.0真实孔径天线横向分辨率为:SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理聚焦处理)22(4)()(212RyRxytt聚焦处理需要对二次相位差进行补偿,有:这时回波响应为:dtRyRxyjyZTT)]2(4exp[)(22/2/SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理RTyvRTyvRyjdtRtyvjRyjdtRyRtyvjyZsssTTsTT22sin]24exp[]4exp[]24exp[)]2(4exp[)(22/2/222/2/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:222)2()2(sin|)0()(|RTyvRTyvZyZss5.0|)0(/)(|2ZyZ求半功率点波束宽度,令:RDyRy5.0SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理RDTvLse886.0合成孔径的最大长度为:RDyRy5.0最后得到其横向分辨率为:TvRys2886.0最终,理论上合成孔径的横向分辨率为:2DySAR合成孔径原理-频率分析方法1951年,CarlWiley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.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:2211cos2cos2ssvfvf它们多普勒频率差为:]cos[cos22121svfffSAR合成孔径原理-频率分析方法)]2sin()2[sin(22)]2sin()2[sin(22]cos[cos21212121212sssvvvfff通常存在下面关系:2)2sin(12SAR合成孔径原理-频率分析方法sin2svf所以点目标间的多普勒增量为:DTf1多普勒频率分辨与滤波器时间常数存在如下关系:只要多普勒频率增量能够被分辨,则方位分辨率为:sin2sDxvTRRSAR合成孔径原理-频率分析方法DvRTsD当度,多普勒滤波器的时间常数为:最终的方位分辨率为:2Dx90SAR基本概念最大聚焦合成孔径长度: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:分辨率的改善与天线尺寸有关，与距离和波长无关DRLmax22DLRmaxsarSAR基本组成SAR天线子系统高功率微波电路接收机校准系统发射机电源分配单元定时与数据处理载荷计算磁波记录器传输系统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SAR数字信号处理控制指令惯性导航系统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.大气传输窗口2.频率与信息3.极化与信息4.系统特征与图像质量5.设备复杂性与继承性SAR主要性能指标-分辨率与观测带宽1.空间分辨率距离分辨率:irrrBKKcsin21c1KrKirB: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.空间分辨率方位分辨率:4322KKKKDaaaK3K2K4K:为方位加权展宽系数:信号分布不均匀引起的展宽系数:为地速引起的改善系数:为天线加权展宽系数aRKe/3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近距点远距点h波束中心波束宽度波束视角)2/(*tghRfSAR主要性能指标-分辨率与观测带宽2.观测带宽近距点距离:远距点距离:测绘带宽度:)2/(*tghRnnfRRW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主要性能指标-辐射精度1.辐射分辨率:]1lg[10q2.辐射精度:IPH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-模糊特性距离模糊测绘带模糊带h波束宽度模糊带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:cRTnn2cRTff2rrnfrnfTcWTcRRTTTsin2)(2SAR主要性能指标-模糊特性测绘带外的回波信号会造成距离模糊2sinrcTWcWTT当下面条件成立时,距离模糊产生nTcW'sin2SAR主要性能指标-模糊特性方位模糊飞行方向模糊波束指向rsTvdo0aaSAR主要性能指标-模糊特性合成后的波束方向图:上式的函数形式具有周期重复特性,重复位置出现在:为整数nndm,sin2|)sin2sin()sin2sin(|)(dMdFSAR主要性能指标-模糊特性l=0.2;N=512;vs=300;Tr=1/100;d=vs*Tr;t=-1.5*pi/180:pi/(180*512):1.5*pi/180;a=sinc(2*N*pi*d.*sin(t)/l);b=sinc(2*pi*d.*sin(t)/l);c=a./b;plot(abs(c))SAR主要性能指标-模糊特性当n=1时,为第一对模糊波束位置:rsmmTvdd22sinsin2rmsTv1sin2SAR主要性能指标-模糊特性如果SAR天线实孔径尺寸为D,则其方向图:|)sin)sinsin(|)(dDF该方向图的零点位置:为整数nnD,sin0SAR主要性能指标-模糊特性要想模糊信号不产生影响,必须使:D0sin当n=1时,为第一零点位置:rsmmTvdDnD22sinsin200SAR主要性能指标-模糊特性方位模糊的抑制SAR系统参数选择SAR雷达方程脉冲重复频率的选择相位误差SAR系统参数选择-SAR雷达方程40322)4(LRBFKTGPSNRnt常规雷达方程:距离向脉冲压缩后,信噪比改善为:)()(SNRTBkSNRprrr方位向压缩后,信噪比改善为:)()(SNRTBkSNRsaaaSAR系统参数选择-SA