侧视雷达成像讲解

河南理工大学测绘学院 雷达遥感 Part1 雷达概述 一、雷达简介 二、SAR发展简史 三、侧视雷达的一般结构 一、雷达简介 雷达是英文 Radar的音译，源于 Radio Detection And Ranging的缩写，原意是无线电探测和测距。即用 无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。因此 雷达也称为无线电定位。随着雷达技术的发展，雷达 的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还 包括测量目标的速度，以及从目标回波中获取更多有 关目标的信息。 雷达是利用目标对电磁波的反射或散射现象来发现目 标并测定其位置的。飞机、导弹 、人造卫星、各种舰 艇、车辆、兵器、炮弹以及建筑物、山川、云雨等等 ，都可能作为雷达的探测目标。 一、雷达简介 主动式遥感器，使用微波波段，发射波长1-1000mm 特点：全天候、全天时；地面分辨率高；几何关系 复杂。 雷达测量的几个方面 1、目标斜距的测量 2、目标角位置的测量 3、相对速度的测量 4、目标尺寸和形状 （1）目标斜距的测量 （2）目标角位置的测量 目标角位置指方位角或仰角。测量这两个角位 置基本上都是利用天线的方向性来实现的。 角坐标测量原理：雷达天线将电磁能量汇集在 窄波束内，当天线波束轴对准目标时，回波信 号最强，当目标偏离天线波束轴时回波信号减 弱。根据接收回波最强时的天线波束指向，就 可确定目标的方向，这就是角坐标测量的基本 原理。 （2）目标角位置的测量 为了提高角度测量的精度，还会有一些改进的测 量方法。如：天线尺寸增加，波束变窄，测角精 度和角分辨力会提高。 回波的波前方向（角位置）还可以用测量两个分 离接收天线收到信号的相位差来决定。 目标 发射 波束 （3）相对速度的测量 当目标与雷达站之间存在相对速度时，接收到回 波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频 移，这个频移在物理学上称为多普勒频移，它的 数值为 式中fd 为多普勒频移，单位为Hz，v为雷达与目标之 间的径向速度，为载波波长。当目标向着雷达运 动时，v0，回波载频提高，反之，v0，回波载频 降低。雷达只要能够测量出回波信号的多普勒频移 fd就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。 （4）目标尺寸和形状 如果雷达测量具有足够高的分辨力，就可以 提供目标尺寸的测量。由于许多目标的尺寸 在数十米量级，因而雷达分辨能力应为数米 或更小。 雷达的应用 军 用 1、预警雷达（超远程雷达） 2、搜索和警戒雷达 3、引导指挥雷达（监视雷达） 4、火控雷达 5、制导雷达 6、战场监视雷达 7、机载雷达 8、无线电测高仪 9、雷达引信 雷达的应用 民 用 1、气象雷达 2、航行管制(空中交通)雷达 3、宇宙航行用雷达 4、遥感设备 二、SAR发展简史 1956年秋天，美国密执安大学首先完成了机载合成孔 径雷达原型样机的研制，并于1957年8月的第五次试验 飞行中取得成功； 1959年秋天，第一架正式试验样机研制成功，并于 1960年4月向全世界公布了这一成果； 1978年美国成功地在Seasat-1搭载了第一个SAR系统， 它在轨运行了100天，获得了大量的人类从未获得过的 海洋、地质和地形方面的信息； 1981年11月首次利用哥伦比亚航天飞机搭载SAR系统 SIR-A进行实验； 1984年10月又进行了航天飞机搭载SIR-B的实验，SIR- A和SIR-B系统提供了大量的地面雷达数据，为SAR的应 用提供了丰富的资料。 20世纪90年代20世纪90年代，机载和星载SAR蓬勃发展 ，获得了大量试验数据：欧空局（ESA）于1991年7月 发射了ERS-1、日本于1992年2月发射了JERS-1、前苏 联于1991年3月发射了Almaz-1、1995年11月加拿大发 射了RadarSat、1994年和1996年美国航天飞机两次搭 载了SIR-C/X-SAR。 2000年2月，美国“奋进号”航天飞机执行了“航天飞 机雷达地形测量任务（SRTM）”，向人们展示了干涉 雷达11天就可以获取全球80%地表三维地形数据的能力 。 二、SAR发展简史 卫星名称ERS-1/2JERS-1Almaz-1SIR-C/X-SARRadarSat 发射时间1991.7.17 1995.4.21 1992.2.111991.3.311994，19961995.11.28 国家欧空局日本前苏联美、德、意加拿大 轨道高度785公里568公里300-360 公里 250公里798公里 工作波段CLSL、C、XC 极化VVHHHH HH、HV、VH、VV （L、C）、VV（X ） HH 天线尺寸10×10米12×2.2米15×1.5米12×2.9米(L) 12×0.75米(C) 12×0.4米(X) 15×1.5米 入射角23º35º20º70º20º55º10º60º 分辨率630米18米1015米25/1030米8100米 幅宽100公里75公里350公里1070公里 1545公里 45500公里 遥感应用海洋资源 调查、干 涉测量 地球资源 调查、灾 情监测 海洋、地 质、制图 地球资源、环境变 化、极化性能、干 涉测量 海冰移动、地 形测绘、海洋 v SEASAT 卫星 发射时间: 1978.6.28 第一个星载 SAR 系统 运行 105 天 用于地球海洋遥感探测 以 110 Mbits/S获取 数据 洛杉机地区 SEASAT 图像, 1978 SEASAT Image of Death Valley, 1978 v 航天飞机成像雷达 SIR-A 由 SEASAT 剩余部件建成 搭载在哥伦比亚航天飞机上 ，1981.11 主要应用于地质探测 验证了 L 波段对干旱沙地 具有几米的穿透能力。 在二天内获取超过1千万平 方公里的地表SAR图像。 Shuttle Imaging Radar 苏丹西北部撒哈拉沙 漠SIR-A 1981年11月 影像，彩色部分为 Landsat影像。由于干 燥沙漠介电常数较小 ，SAR能穿透地表，发 现沙漠地表下面有古 河床。 v航天飞机成像雷达 SIR-B 由 SIR-A 改进 搭载在挑战号航天飞机， 1984.10 检验 L 波段在以下方面的 探测能力： - 土壤湿度 - 地质结构和岩石特征 - 海洋波浪谱 安装了变侧视角的可移动天 线 Jet Propulsion Laboratory v SIR-C, 1994.4 飞行 全新的SAR系统，工作在 L、 C和 X 波段 从1994.4.9 工作 11 天 - 获得了65小时数据 - 探测了6,600万平方公里 - 数据量为：47 TB 重点对19个不同类型地区进行成像 第一次获取了同波段不同极化的图像 - HH, VV, HV, VH v SIR-C, 1994.9 飞行 第一次进行了SAR重复飞行 目的是进行重复轨道的SAR干涉测量 检验 SCANSAR 的宽刈幅 从1994. 9.30 工作 11 天 - 获得了80小时数据，23小时INSAR数据 - 探测了8，300万平方公里 - 数据量为：60 TB 为了获取INSAR数据，本次飞行严格重复4月 的飞行轨道。 用SIR-C 3种极化方式图像合成的俄罗斯西伯利亚一火山图像 多频图像合成的旧金山 图像 红：L - HH 绿：L - HV 兰：C - HV 发射时间：1991.7.17 轨道倾角：98.5° 轨道高度：785 km 侧 视 角：23° 刈 幅 宽：100 km 波 长：5.7 cm 工作波段：C 极化方式：VV 分 辨 率：30 m ERS - 1 1993年圣.路易斯安那州洪水期间 ERS-1 图像 v ERS-2 l1995.4.21发射 l25 m 分辨率 lC 波段，波长5.6 m l极化方式：VV l侧视角：23° 亚利桑那州盆地 ERS-2 图像 1997.6.1 1997.1.121997.3.23 上图较清楚地反映了三条河流洪水泛滥的情况 发射时间：1992.2.11 轨道倾角：98.5° 轨道高度：568 km 侧 视 角：35° 刈 幅 宽：75 km 波 长：23 cm 工作波段：L 极化方式：HH 分 辨 率：18 m 国 家：日本 JERS - 1 冰川上的火山口 v RADARSAT l分辨率10-100m l工作波段：C l极化方式： HH l侧视角：20-50° l工作时间：1995- 现在 纽约世贸中心被进攻前RADARSAT-1图像（1999.6.8） 纽约世贸中心被进攻后RADARSAT-1图像（2001.9.13） SAR现状和发展趋势 国外研究现状 i20世纪90年代以来SAR技术得到很大发展，获 取了大量数据： i2000年SRTM计划获取了全球80%地表三维数据 ； i高分辨率机载SAR系统相继出现； 高分辨率国 外机载SAR图 像1 高分辨率国外机载SAR图 像2 SAR现状和发展趋势 国内研究现状 i中科院电子所成功研制了机载双天线SAR系统 ； i很多单位对SAR应用技术进行了深入研究； SAR现状和发展趋势 发展趋势： i发展小卫星并组网，形成小卫星星座：美国正 在筹划着太空遥感侦察卫星星座计划。即“发 现者2”星座计划。1998年美国国家侦察局又 提出了下一代成像侦察卫星星座及其相关的地 面控制与处理计划“未来影像体系结构（ FIA）”计划，计划星座将由数量更多(1224 颗)、体积更小、能力更强的新型遥感侦察卫 星组成； i提高分辨率、增加幅宽：有的机载雷达分辨率 已达0.1米； SAR现状和发展趋势 i多波段、多极化、多模式：如美国的对地观测 系统（EOS）具有L、C、X三种波段和四种极化 方式；双天线INSAR系统； i小型化、轻型化； i最后要特别提出的是，新的遥感卫星的轨道站 定位精度显著的提高，已经从公里量级提高到 百米以内，而且还有进一步提高的趋势，这主 要得益于GPS的应用，由于SAR图像特殊的构像 原理，轨道站定位精度的提高对于SAR图像定 位最为有利。 三、侧视雷达的一般结构 侧视雷达一般由脉冲发射机、接收机、发射接收转换 开关、天线和显示记录器组成。脉冲发射机产生脉冲 信号，由转换开关控制，经天线向观测地区发射。地 物反射或者散射的电磁波也由转换开关控制进入接收 机。接收的信号在显示器上显示或记录在磁带上。 天线 发射器转换开关 接收机 显示器 目 标 R 噪 声 信号 处理机 发射的电磁波 接收的电磁波 雷达发射机的主要质量指 标 1、工作频率或波段； 2、输出功率； 3、总效率； 发射机的总效率是指发射机的输出 功率与它的输入总功率之比； 4、信号的稳定度或频谱纯度； 5、信号形式(调制形式)。 接收机的回波信息 接收机接收的雷达回波含有多种信息 ： 目标与雷达的方位、距离，雷达与目 标的相对速度、目标的反射特性。 雷达方程 目标的回波功率为： Part2 侧视雷达成像 n 真实孔径雷达(RAR) n 合成孔径雷达(SAR) 侧视雷达（side-looking radar，SLR） 机载侧视雷达（side-looking airborne radar，SLAR） 距离方向 CRT 接收机 天线 方位方向 波束宽度 脉冲宽度 时间 反射强度 一、真实孔径侧视雷达 Real Aperture Side-looking Radar 方位向：平台行进方向 距离向：平台侧向 1、成像过程 收集顺序：近距离先收集，远距离后收集 回波强弱（色调）： （1）金属硬目标强 （2）反射面方向向天线强 （3）平滑镜面反射回波弱 （4）反射面性质草地弱 （5）阴影无反射 天线收集侧面天线发射窄脉冲地物反射 成像处理 形成影像 放 大 检 波 2、地面分辨率 Ø 距离分辨率 在