精编制作SAR基础知识PPT课件

1、SAR基础知识 技术支持邮箱 ENVI IDL 技术支持热线 400 819 2881 5 官方技术博客 1 SAR基础 2 InSAR基础 3 InSAR技术与地表形变 主要内容 1 SAR基础 Radar概念 Radar Radio Detection And Ranging 一个Radar系统主 要包括三个功能 发射微波信号到场景 接收从场景中传回的部分后向 散射能量 观测返回的强度 检测 和延 时 测距 信号 RAR 真实孔径雷达 成像分辨率 雷达天线长度 SAR Synthetic Aperture Radar 合成孔径雷达 用一个小天线作为单个辐射单元 将此单元沿一直线不断移动 在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理 的侧视雷达 可以获取高分辨率的地球表面图像 是目前广泛使 用的雷达系统 SAR 合成孔径雷达 几个波的概念 SAR参数 波长 雷达遥感使用的微波部分的电磁频谱 频率从0 3GHz至 300 GHz 波长从1米到1毫米 微波中常用的波段有 P band 65 cm AIRSAR L band 23 cm JERS 1 SAR ALOS PALS

2、AR S band 10 cm Almaz 1 C band 5 cm ERS 1 2 SAR RADARSAT 1 2 ENVISAT ASAR RISAT 1 X band 3 cm TerraSAR X 1 COSMO SkyMed K band 1 2 cm 军事领域 波长越长穿透能力就越强 如波长大于2cm的雷达系统不 会受到云的影响 SAR参数 波长 雷达频率的应用 冰雪识别 小型特征 使用X band 地质制图 大型特征 使用L band 叶面渗透 最好使用低频率 如P band 一般情况 C band是折中波段 波段名称 的字母是 早起军事 应用遗留 下来的 SAR参数 极化 极化 电磁波振动的矢量方向 即电场的方向 SAR参数 极化 特点 当雷达作用于地球表面时 其极化方式可 能改变 产生随机极化反射信号 其中包 含水平和垂直两种分量 极化方式是否改变取决于目标的物理和电 特性 雷达可以接收反射信号的水平和垂直极化 分量 四种模式 HH VV HV VH 对于同一区域 不同极化方式获取的图像 不同 SAR参数 极化 美国航天飞机SAR获取的 XVV CHV LHV的图

3、像 不同波长 不同极化的 散射机理差异 SAR参数 入射角 视角 入射角是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角 微波与表面的相互作用复杂 不同的角度区域会产生不同的回波 小入射角通常返回较强的信号 随入射角增加 返回信号逐渐减弱 根据雷达距离地表高度的情况 入射角会随着近距离到远 距离的改变而改变 从而影响成像几何 SAR参数 入射角 反射率随着入射角的增大而减小 不同地物随入射角变化的反射率 变化情况 入射角与雷达后向散射的关系 不同的应用选择相应装置的依据 距离向 Range 像平面内 垂直于飞行方向 斜距 Slant range 雷达到目 标的距离方向 雷达探测斜 距方向的回波信号 地距 Ground range 将斜距 投影到地球表面 是地面物 体间的真实距离 方位向 Azimuth 平行于 飞行方向 SAR的观测几何 SAR图像几何分辨率 距离分辨率Range 侧视方向上的分辨率称为距离分辨率 包括斜距分辨率和地距分辨率 方位分辨率Azimuth 沿航线方向上的分辨率 也称沿迹分辨 率 SAR图像几何特征 雷达图像的构像几何学属于斜距投影类型 斜距投影是以天线为中心 以斜距为半径

4、的同心 圆在像面空间上的投影 方位向的比例尺是个常量 距离向的比例尺由地面目标的位置由该目标到雷 达天线的距离决定 斜距影像地距影像 SR GR sin SAR图像几何特征 在雷达成像中 地物目标的位置在方位向是按飞行平台的 时序记录成像的 在距离向上是按照地物目标反射信息的先后记录成像的 在高程上即使微小变化都可造成相当大范围的扭曲 这些诱导因子包括透视收缩 叠掩 阴影 SAR图像几何特征 透视收缩 透视收缩 山上面向雷达的一面在图像上被压缩 这一部分往往表现为较高 的亮度 SAR图像几何特征 需要提供高分辨率的DEM数据 透视收缩可通过几何校正 和辐射定标进行校正 用DEM校正不用DEM校正 SAR图像几何特征 叠掩 叠掩 当面向雷达的山坡很陡时 出现山顶比山底更接近雷达 因此在 图像的距离方向 山顶与山底的相对位置出现颠倒 SAR图像几何特征 叠掩 叠掩 SAR图像几何特征 阴影 阴影 地面上雷达信号照射不到的部分 SAR图像几何特征 在地形起伏的区域 一般迎面坡是前向收缩 坡度较大时 顶底叠置 背面坡坡度较大时出现阴影 阴影 顶底叠置 SAR散射机制 雷达图像表示的是地面雷达后

5、向散射的估算值 主要可分为5种散射 表面和体散射 双回波 Double Bounce 组合散射 穿透散射 介电属性散射 SAR散射机制 表面和体散射 粗糙的表面能得到更高的后向散射 平整表面在雷达图像上经常 表现暗区域 双回波 SAR散射机制 组合散射 一般发生在低频SAR系统 如L P波段 包括表面 体散射 双回波等 森林的组合散射 上 林冠层 中 树干层 下 地面层 SAR散射机制 穿透散射 根据极化方式和波长情况 微波可以透入植被 裸土 干雪或沙地 一般情况 波长越长 穿透能力越强 交叉极化 VH HV 相比同极化 HH VV 的渗透能力弱 SAR散射机制 SAR穿透地表 可以清晰的看到沙漠下的地下河道 SAR图像的理解 图像亮度代表后向散射强度 像元内表面越粗糙 后向散 射越强 光滑表面镜面反射 后向散 射很弱 与散射体的复介电常数有关 含水量越大 后向散射越强 水面上的溢油 SAR图像的斑点噪声 SAR是相干系统 斑点噪声是其 固有特性 均匀的区域 图像表现出明显的 亮度随机变化 与分辨率 极 化 入射角没有直接关系 属于 乘机噪声 多视和滤波可以抑制斑点噪声 SAR数据类型

6、 单视复数 Single Look Complex SLC SAR数据由实部和虚部构成 相位分布在 之间 InSAR处理必须采用这种数据 振幅 Amplitude 强度 Intensity 数据 对单通道SAR系统来说 相位没有提供任何信息 振幅 或强度 能量 是唯一有用的信息 In Phase 同相分量 Quadrature 正交相位分量 SAR数据类型 强度数据 对经过聚焦处理的SAR数据进行多视处理 多视得到的强度图像是 距离向和 或方位向像元分辨率的平均值 一个L视数的图像 本质上是L的指数分布 星载SAR获取模式 条带模式 Stripmap 当运行Stripmap SAR时 雷达天线 可以灵活的调整 改变入射角以获 取不同的成像宽幅 最新的SAR系统都具有这种成像模 式 包括RADARSAT 1 2 ENVISAT ASAR ALOS PALSAR TerraSAR X 1 COSMOSkyMed和RISAT 1 星载SAR获取模式 扫描模式 ScanSAR 扫描模式是共享多个独立sub swaths的操作时间 最后获取一个完 整的图像覆盖区域 星载SAR获取模式 聚束模式

7、Spotlight 当执行聚束模式采集数据时 传感 器控制天线不停向成像区域发射微 波束 与条带模式主要区别为 在使用相同物理天线时 聚束模式 提供更好的方位分辨率 在可能成像的以一个区域内 聚束 模式在单通道上的提供更多的视角 聚束模式可以更有效的获取多个小 区域 系统发发射时时 间间 波段极化图图幅宽宽度 KM 分辨率重复周 期 轨轨道 精度 cm 接受模式国家 ERS 2 2011年退役 1995 CVV10025 m3530Stripmap欧洲 RADASAT1 2013年4月出 现现故障 1995CVV10 50010 30 10024 100Stripmap ScanSAR 加拿大 ENVISAT ASAR 2012 失去联联系 2002CVV100 400203530Stripmap ScanSAR 欧洲 ALOS 2011已停 止运行 2006LFull40 3507 14 10046 100Stripmap日本 TerraSAR X Tandem X 2007 2010 XFull5 10 30 100 1 3 161110Spotlight Stripmap Sca

8、nSAR 德国 Cosmo skymed 2007X LFull10 30 2001 3 151 1610Spotlight Stripmap ScanSAR 意大利 RADASAT 2 2007CFull10 5003 1001 2410Spotlight Stripmap ScanSAR 加拿大 主要星载SAR系统 主要星载SAR系统 系统发发射时时 间间 波段极化图图幅宽宽度 KM 分辨率重复周 期 轨轨道 精度 cm 接受模式国家 ALOS 2 2014LFull25 35 60 7 0 350 1 3 6 10 100 14 100 日本 哨兵 1A Sentin el 1A 2014cFull20 80 100 250 400 5 20 4012 欧空局 其他 RiSAT 1 印度C波段 Kompsat 5 韩国X波段 SAR特性 与光学遥感相比 SAR具有如下特性 全天候 不受云雾雪的影响 雨的影响有限 全天时 主动遥感系统 对地表有一定的穿透能力 与土壤含水量有关 依赖于波长 对植被有一定的穿透能力 依赖于波长和入射角 高分辨率 分辨率与距离无关 独特的辐射和几何特性

9、干涉测量能力 多极化观测能力 雷达的应用 雷达数据 合成孔径雷达 SAR SAR图像基本应用 雷达可以进行全天候观测 并且可以透过云层覆盖 自然应急救灾 农业估产 森林资源调查 军事应用 干旱监测 InSAR 干涉SAR 合成孔径雷达干涉测量 InSAR 及差分InSAR D InSAR 技术是近十几 年来发展非常迅速的微波遥感技术 由于它具有全天候 全天 时 覆盖面广和高精度获取地表形变信息的能力 能达到厘米级 精度 采用短基线干涉像对序列 能达到毫米级精度 InSAR两个方面应用 DEM提取和地表形变监测 2 InSAR基础 InSAR Synthetic Aperture Radar Interferometry InSAR技术是利用雷达系统 获取同一地区两幅SAR影像 所提供的相位信息进行干 涉处理 来获取地表的三 维信息 InSAR 合成孔径 雷达干涉测量 InSAR技术 基本原理 计算每次观测的相位 通过相位干 涉求解相位差 进而反算地形及其 地表形变信息 in SAR image 1 1 R in SAR image 2 2 R R InSAR测量获取DEM时实际上假设地

10、表没有变化 干涉相位组成 InSAR技术获取地表形变信息 D InSAR 雷达两次不同位置获取同一监测 区域的相位 差分干涉得到形变 信息 地表形变 diff Rmov N A 大范围DEM数据获取 30 90米SRTM DEM 覆盖全球80 陆地 Tandem X 全球覆盖的5米高分辨率DEM数据获取 高精度地表形变监测 InSAR技术应用最为广泛且最能发挥优势的领域 缓慢微小形变与突发形变 大覆盖范围 短周期 连续监测 高精度 低成本 InSAR技术应用 1 1960s InSAR概念提出 2 1974 Graham最早提出应用InSAR测量地形 3 1986 Goldstein等首先获得机载InSAR的结果 4 1989 Gabriel等获得土壤表面形变结果 5 1993年 Massonet首先得到Landers地震的星载差分干涉结果 6 1995年 ERS2发射并与ERS1 1991 组合运行 提供了大量高 质量InSAR数据 全球范围内掀起了InSAR研究热潮 7 1994 1996年SIR C都进行了重复轨道干涉试验 8 2000年 美国SRTM项目的成功 9 2001年

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