第十章合成孔径雷达

第十章 合成孔径雷达 （Synthetic-Aperture Radar）,§10.1 合成孔径雷达简介（Introduction to Synthetic Aperture Radar） §10.2 合成孔径雷达的原理（Principle of Synthetic-Aperture Radar） §10.3 合成孔径雷达的应用（Application of SAR）,§10.1 合成孔径雷达简介（Introduction to Synthetic Aperture Radar）,§10.1.1 加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达（Canadas RADARSAT & Onboard SAR） §10.1.2 合成孔径雷达的分辨率（Resolution of Synthetic Aperture Radar）,合成孔径雷达,合成孔径雷达（SAR）是一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向散射信号的幅值及其时间相位，并通过适当的处理后，能产生标准化后向散射截面（NRCS）的图像。 标准化后向散射截面（NRCS）携带着海面信息，它反映了雷达观测到的海面粗糙度。这种图像能极为详细地显示出海面空间细节的变化，其分辨率为几米到几十米的量级。 由于合成孔径雷达（SAR）工作在微波波段，即使在黑夜也能正常工作，它发射的微波还可以穿透云层，因而不受恶劣天气的影响。这种全天候、全天时和高分辨率的海洋观测优势是可见光和红外传感器及其它微波传感器所没有的。,§10.1.1 加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达（Canadas RADARSAT & Onboard SAR）,加拿大的雷达卫星（RADARSAT）采用圆形、太阳同步轨道，经过“降轨点”（descending node）的当地时间是18:00左右，卫星飞行高度（altitude）是798 km，轨道平面的倾角（inclination）是98.6°，轨道周期（orbit period）是100.7 minutes，每天运行14又 7/24 个轨道周期，循环周期（recurrent period）是24 days，子循环周期（sub-cycles）是7 days和3 days，全球覆盖（global coverage）的再访问时间（revisit time）是4或5 days，北美洲覆盖的再访问时间（revisit time）是3 days。 当合成孔径雷达对地球表面扫描的时候，雷达波束（radar beam）达到地面，经反射（reflection）和后向散射（backscatter）返回的电磁波被雷达接收。接收后的信号经过数字化处理变成数字资料（digital data），这些数字资料包含着被探测点的斜率（slope）和粗糙度（roughness）信息。每个探测点的数据代表一个像素（pixel=picture element），许多像素合成一个二维图像（image）。,图10-1显示了加拿大的雷达卫星RADARSAT携带的合成孔径雷达（SAR）对地面扫描的几种方式。RADARSAT携带有C波段5.3 GHz水平极化的合成孔径雷达SAR。 标准工作方式（Standard Mode）,宽视场工作方式（Wide Mode）,精细分辨率工作方式（Fine Resolution Mode）,狭窄扫描工作方式（SCANSAR Narrow Mode）,宽扫描工作方式（SCANSAR Wide Mode）,扩展的高入射角工作方式（Extended High Mode）,扩展的低入射角工作方式（Extended Low Mode）,图10-2显示了在500km刈幅的宽扫描工作方式（SCANSAR Wide Mode）下，RADARSAT星上合成孔径雷达（SAR）在一天内的地面扫描覆盖。,图10-3显示了RADARSAT星上合成孔径雷达（SAR）1998年9月29日监测到的溢油在海表面分布图像。,图10-4显示了的描述合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）观测陆地和海洋的几何。,与合成孔径雷达观测陆地和海洋的几何学有关的变量,y：由雷达脉冲宽度确定的海面的距离分辨率（单位是m）（range resolution on the surface determined by pulse width） x：由多普勒效应产生的方位分辨率（azimuth resolution）（单位是m）（azimuth resolution on the surface generated by Doppler effect） r： 从卫星到探测点的距离（单位是m）（range from satellite to the detected area） c： 电磁波的速度即光速（单位是ms-1）（velocity of light） ： 雷达脉冲持续时间（单位是s）（radar pulse duration） r = c：雷达发出的脉冲宽度（单位是m）（pulse width transmitted by radar） ： 雷达波束与垂直方向之间的夹角，即入射角（incidence angle measured from vertical） ： 雷达波束与卫星飞行方向之间的夹角，即方位角（azimuth angle of radar beam from satellite moving direction） ：方位角分辨率（azimuth angle resolution） ：被散射的雷达信号的多普勒频率（单位是Hz）（Doppler frequency of scattered radar signal） D：天线的孔径（aperture of antenna）,对于雷达，由脉冲持续时间或者等价地说脉冲宽度确定的距离分辨率是(10-1)由多普勒效应产生的方位分辨率是(10-2)式中XD 代表卫星在整个采样时间内移动的距离（distance），与真实孔径雷达的方位分辨率比较，我们发现公式（10-2）中的分母2XD sin和真实孔径（aperture）D作用一样；所以，依据多普勒效应原理工作的雷达被称为合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）。依据多普勒效应和脉冲压缩技术，合成孔径雷达可以具有很高的地面分辨率。 因为卫星到探测点的距离r在海面的投影与y平行，所以y称为距离分辨率。x近似地等于方位角分辨率与卫星到探测点的距离r的乘积，因此被称为方位分辨率。,§10.2 合成孔径雷达的原理（Principle of Synthetic-Aperture Radar）,§10.2.1 多普勒效应（Doppler Effect） §10.2.2 方位分辨率（Azimuth Resolution） §10.2.3 距离分辨率（Range Resolution） §10.2.4 真实孔径侧视雷达SLAR（Side-Looking Aperture Radar）,§10.2.1 多普勒效应 （Doppler Effect）,当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率会产生差别，这种现象叫多普勒效应。两者相互接近时，观察者接收到的频率升高；两者相互远离时，观察者接收到的频率降低。例如，在铁路附近人们会听到急驶而来的火车的鸣笛声音调高昂；火车驰去时，鸣笛声音调变得低沉。1842年奥地利物理学家多普勒首先对这种现象做出了解释。波源与观察者的相对运动有三种情况：第一种是观察者静止于媒质中，波源相对于媒质运动；第二种是波源静止在媒质中，观察者相对于媒质运动；第三种情况是波源与观察者都相对于媒质运动。,我们假设某一声源发出的声波频率为f，波长为，它们与声波传播速度v的关系为 （10-3） 图10-5给出了阐述多普勒效应的示意图。,图10-5给出了阐述多普勒效应的示意图。如图所示，假设波源以速度vS由S向B做匀速直线运动，在前方一个波长位置B点有一个固定的波接收装置。首先，波源在位置S发出频率为f和波长为的一个波；经过T=1/f的时间以后，波源前进到位置S。这里T是波的周期，并且（10-4）当波前以速度v达到B点的时候，波源以速度vS达到了位置S。此时，B点接收到的声波波长为（10-5）因此，在B点接收到的波动频率f是（10-6） 由于f >f，故在B点接收到的波动频率比波源发出的频率要高。当波源以速度vS由S点背向B做匀速直线运动时，用同样的方法可以导出（10-7）这时在B点接收的波动波长变长，对应频率f有所降低。,第二种运动是波源不动，而位于B点的接收装置以速度vS向着波源做匀速直线运动。这相当于波动的传播速度增加，变为v+vS。这样，虽然波源发出的频率保持不变，但是接收装置接收到的波动频率变为（10-8）因此，接收装置接收到的频率比波源发出的频率要高。当B点的接收装置以速度vS背向波源运动时，同样可知接收到的波动频率f为（10-9）即接收的频率f低于波源发出的频率f。由此可见，只要波源与接收装置之间存在着相对运动，接收到的频率就不同于发射的频率。两者之间的距离缩短时，接收频率高于发射频率，反之，接收频率低于发射频率。这就是多普勒效应（Doppler effect）。在声波领域发现了多普勒效应以后，经过几十年的研究，1938年科学家证明了在电磁波领域内同样存在多普勒效应。目前，利用多普勒效应研制出的导航、测距、跟踪、和气象观测等雷达系统已得到了广泛的应用。,图10-4可用于解释雷达的多普勒效应。如图所示，安装在卫星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球表面发射频率为f0的电磁波。卫星与被探测点之间存在相对运动，卫星与被探测点之间的相对速度w 等于卫星飞行速度矢量w在波束方向上的投影，即（10-10） 根据（10-6）可知，在探测点所接收的电磁波频率f 为（10-11）式中c是电磁波的传播速度。由于海表面的镜面反射（也称为镜点散射）和后向散射作用，达到探测点的电磁波以的频率向周围的空间进行散射，其中有一部分能量返回到卫星上，被雷达所吸收。由于此时卫星与探测点仍有相对运动，只是探测点变成了波源。因此，雷达接收到的回波频率, 又不同于被探测点散射的频率f ，根据公式（10-8），可以获得 （10-12） 将公式（10-11）代入（10-12），可获得雷达接收到频率f与雷达发射频率f0之间的关系，即（10-13） 由上式可见，波束指向卫星前下方时f >f0，即雷达接收的频率高于发射的频率。同样可以得出，当波束指向卫星后下方时，接收频率f低于发射频率f0。,§10.2.2 方位分辨率,由相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的“差频”，通常被称为多普勒频率（Doppler frequency）。使用来表示多普勒频率（Doppler frequency）（单位是Hz），则有（10-14）由于电磁波的传播速度c远大于卫星相对海表面被探测点的运动速度w，在公式（10-14）中w/c <<1，所以可忽略不计。所以（10-15）式中是雷达发射的电磁波波长；是方位角（azimuth angle），即雷达波束与卫星速度w之间的夹角；卫星相对海面上探测点的运动速度w= w cos，由图10-4显示的示意图容易理解这个关系。这里w是卫星相对于地球的速度，w是卫星相对于海面上探测点的速度。,