2.3-微波遥感基础原理

2微波遥感基础原理2012-11-19§2.1微波遥感物理基础§2.2真实孔径雷达基本原理§2.3SAR系统基本原理§2.4SAR影像的主要特性章节内容22012-11-1932012-11-19真实孔径雷达的分辨率CτCτΔRr=ΔRg=(斜距分辨率)2(地距分辨率)2cosβΔL=βR=λRd(方位向分辨率)=λHdsinβ==波束之脉冲时间τ越小，距离向分辨率越高，但τ太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比脉冲压缩技术42012-11-19如何提高雷达分辨率理论上增加孔径d就可以提高方位向分辨率，但实际上难以实现，因为孔径的大小决定了天线几何尺寸的大小合成孔径技术==2.3SAR系统基本原理2012-11-191SAR工作原理2SAR分辨率3聚焦补偿4脉冲压缩原理5多普勒频移与方位压缩6SAR图像的成像主要内容62012-11-19SAR的出发点72012-11-19•SAR通过飞行平台的向前运动实现合成孔径。利用天线的移动，可以将小孔径的天线虚拟成一个大孔径的天线，可以获得类似大孔径天线的探测效果•地物对雷达发射的信号散射后会返回包含有地物信息（反射特性等）的信号•如果雷达天线是固定不动的，则只能接受到一小部分从地物返回（后向散射）的信号•如果雷达是快速移动的，就有可能收集到从地物后向散射到各个方向的信号，获得的信息量大为增加SAR的出发点82012-11-19用一个小天线沿一直线方向不断移动，在移动中每一个位置发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号，同时存储相位和振幅。天线移动了一段距离L之后，存储的信号和长度为L的天线阵列所接收的信号非常相似SAR在不同位置接收同一地物的回波信号，真实孔径雷达则在一个位置上接收目标的回波SAR工作原理SAR工作过程92012-11-19SAR在每一个位置都记录回波信号，针对同一地物，目标和飞行器间距离不同、相位不同、强度不同，此外还要产生多普勒效应，频率也会发生变化处理器针对不同的相位进行相移补偿（聚焦补偿，补偿不同位置之间的相位差异），再将每个位置接收的信号叠加起来，就形成了最终的合成孔径雷达信号SAR工作原理两种天线接收信号的相似性102012-11-19SAR工作原理3412SAR多次成像分解示意图112012-11-19SAR工作原理Throughthemovingofantennaalongaline,imageasceneforanumberoftimes.通过沿着一条直线移动天线，对同一地物多次成像Synthesizethemultipleimagingdataofascenetooneimage.把同一地物的多次成像合成为一幅图像Equivalentto“enlarge”theantenna,formingaverylongantennaandthusimprovingtheazimuthresolution.等效于增大天线，形成一根很长的天线，从而改善分辨率122012-11-19方位向分辨率132012-11-19方位向分辨率142012-11-19合成孔径大小要求152012-11-19方位向分辨率162012-11-19方位向分辨率172012-11-19实际波束宽度：实际分辨率：(合成孔径长度)合成波束宽度：合成分辨率：d=sLRL==dRLss22==2dRLss==SAR方位向分辨率182012-11-19距离向分辨率与真实孔径雷达相同方位向分辨率只与真实孔径大小有关cos2cRr=2dRs=SAR分辨率192012-11-19Antennalength:L=10mTypicalrange:计算合成孔径、距离向/方位向分辨率km85323cos/==satHRm25)23sin(1055.152103sin268===RrBcRGroundrangeresolution:km510/056.0853000==DRRAzimuthresolution:m52/102===DRExample:ERS-1/-2SARResolution202012-11-19Syntheticantenna:Example:ERS-1/-2SARResolutionForERS-1/2,a10mantennaisusedtosynthesizeanearly5kmantenna.About1000radarimagesareusedtogetoneSARimage.212012-11-19(Crimea,Ukraine)RealApertureRadarSyntheticApertureRadar5x14kmpixels4x20mpixels222012-11-19RARVsSARSAR工程应用问题232012-11-19随着平台的前进，平台和目标之间的相对位置关系会发生变化，X1，…，Xi，…，XN各个位置接受到从P点回来的信号的延迟或相位不同，需要进行补偿（聚焦处理）242012-11-19SAR在不同位置接收反射波聚焦补偿聚焦252012-11-19天线距离变化262012-11-19聚焦标准272012-11-19282012-11-19数据采集292012-11-19数据采集302012-11-19相干求和312012-11-19脉冲压缩原理问题：波束的脉冲时间τ越小，距离向分辨率越高，但τ太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比解决方法：采用功率大的宽脉冲进行线性调频调制(啁啾,chirp)后发射，对接收的微波用具有相反频率特性的匹配滤波器(matchedfilter)滤波，用假设的窄脉冲宽度得到大输出即：使接收的低频微波在滤波器上有较大的延迟，使高频微波有较小的延迟，从而把接收的微波信号作为脉冲宽度很小的被压缩信号提取出来脉冲压缩(pulsecompression)，解线性调频调制(de-chirping)在脉冲宽度τ的时间内，通过脉冲压缩和频率∆f调制，振幅为原来的(τ∆f)1/2倍，脉冲宽度为原来的1/(τ∆f)倍，因此，随着∆f的提高，距离分辨率和信噪比也提高322012-11-19脉冲压缩原理距离压缩来自两个相邻目标的回波可能重叠，但重叠区中两个回波在某一时刻的频率不同，也能被分开在返回的脉冲上还会产生由多普勒效应引起的频率偏移（DopplerShift），这种偏移等效于线性调频调制，利用这个特性，在接受端设置具有逆特性的匹配滤波器，就可以改善方位向的分辨率。332012-11-19多普勒频移41多普勒频移342012-11-19SAR多普勒原理352012-11-19SAR多普勒原理362012-11-19利用多普勒效应的SAR成像原理方位压缩多普勒频率372012-11-19SAR图像成像合成孔径雷达得到的原始数据还不能叫做图像,只是一组包含强度、相位、极化、时间延迟和频移等信息的大矩阵,叫做(原始)信号数据(RawSignalData)从信号数据到图像产品,要经过复杂的步骤382012-11-19SAR图像成像把方位向上分布记录的地表某点的接收信号压缩到一点的处理过程叫方位压缩；距离压缩时参考函数是与发射波复共轭的信号，方位压缩时参考函数是与多普勒效应引起的线性调频信号的复共轭信号；为高速处理，在频率域进行参考函数的互相关处理多视：用平均法减低相干观测系统上特有的乘性随机噪声光斑(speckle)；把合成孔径长度分为N个区间，每个区间内方位压缩后相加平均，N为视数392012-11-19402012-11-19SAR图像成像SAR图像还原处理过程示意图距离徙动(rangemigration)：随平台的移动，地表某点斜距以时间的二次函数关系变化；一次项叫距离游动(rangewalk)，由地球自转引起；二次项叫距离弯曲(rangecurvature)距离徙动校正：将距离徙动影响的地表某点的信号纠正到一条直线上SAR图像成像412012-11-19SAR图像成像422012-11-19432012-11-19SAR图像成像SAR图像成像442012-11-19（1）入射角ϕ和局部入射ϕl（2）视角θ（3）俯角θdSAR成像几何参数452012-11-19全极化高分辨率机载SAR的影像实例FromEMISAR,DanishCenterforRemoteSensing,TechnicalUniversityofDenmarkItisaFullPol.,L/CbandairborneSAR高分机载PolSAR影像实例462012-11-19SAR天线安装在吊舱中，用球面近场天线测量设备进行校准。Totallength4.6mandweight165kg.EMISAR472012-11-19EMISARatworkEMISARisaSARdevelopedandconstructedbyEMIscientistsandtechnicalstaffforremotesensingapplications.WhenneededitismountedonaDanishAirforceGulfstreamG-3aircraft.Installationcanbedoneinafewhours.EMISAR482012-11-19Copenhagen,DenmarkSceneCenter:55o40'N12o35'ESceneid:fl043_m1031_cphAcquisitiondate:June19th,1996Acquisitionmode:FullypolarimetricC-band.EMISAR492012-11-19Water/bridgescene,Storebælt,DKAcquired:June19th1996.Scenecenter:55o19'N10o57'ESceneid:fl043_m1048_storebaeltAcquisitionmode:FullypolarimetricC-band.EMISAR502012-11-19MappingandclassificationofvegetationTwoimagesoftheagriculturalareaaroundFoulum,Jutland,acquiredbyEMISARattwofrequencies(L-bandandC-band)withfullpolarimetry.Thisgives6independentinformationchannelsforeachfrequencyenablingclassificationofthecropsonthevariousfields.Theimagespresentsacolorcodedviewofthreeofthepolarimetricradarchannels.EMISAR512012-11-19Foulum,DenmarkSceneCenter:56o30,6'N9o35,6'ESceneid:pm025_m0930_fouluAcquisitiondate:July4,1995Acquisitionmode:FullypolarimetricCTheimageshowsthemaintestsiteforthevegetationandsoilstudyatDCRS.EMISAR522012-11-191SAR工作原理2SAR分辨率3聚焦补偿处理4脉冲压缩原理5多普勒频移与方位压缩6SAR图像的成像小结532012-11-19作业：SAR图像有哪些特点？