合成孔径雷达SAR

1、,主讲人：邹利伟,合成孔径雷达SAR,2013年7月19日,目 录,合成孔径雷达简介,微波的概念微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。,我国现用微波分波段代号：,米波的频率范围在300 MHz 3GHz,主要用于通讯和电视广播。厘米波的频率范围在3GHz30GHz 主要用于雷达、卫星通讯，无线电导航。毫米波的频率范围在30 GHz -300 GHz用于卫星通讯。,（a)微波波段,合成孔径雷达的概念 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。它是二十世纪高新科技的产物，是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法，以

2、真实的小孔径天线获得距离向和方位向双向高分辨率遥感成像的雷达系统，在成像雷达中占有绝对重要的地位。近年来由于超大规模数字集成电路的发展、高速数字芯片的出现以及先进的数字信号处理算法的发展，使SAR具备全天候、全天时工作和实时处理信号的能力。它在不同频段、不同极化下可得到目标的高分辨率雷达图像，由于其具有克服云、雾、雨、雪的限制对地面目标成像，为人们提供非常有用的目标信息，已经被广泛应用于军事、经济和科技等众多领域，有着广泛的应用前景和发展潜力。国内外越来越多的科技研究者已投身于这一领域的研究。,在早期研究雷达成像系统时采用的是真实孔径雷达系统(Real Aperture Radar)。真实孔径雷达成像系统及处理设备相对较为简单，但它存在一个难以解决的问题，就是其方位分辨率要受到天线尺寸的限制。所以要想用真实孔径雷达系统获得较高的分辨率，就需要较长的天线。但是所采用天线的长短往往又受制于雷达系统被载平台大小的限制，不可能为了提高分辨率无休止地增加天线长度。幸运地是，随着雷达成像理论，天线设计理论、信号处理、计算机软件和硬件体系的不断完善和发展，合成孔径雷达(Synthetic Apert

3、ure Radar)的概念被提出来。 合成孔径雷达系统的成像原理简单来说就是利用目标与雷达的相对运动，通过单阵元来完成空间采样，以单阵元在不同相对空间位置上所接收到的回波时间采样序列去取代由阵列天线所获取的波前空间采样集合。 只要目标被发射能量波瓣照射到或位于波束宽度之内，此目标就会被采样并被成像。利用目标雷达相对运动形成的轨迹来构成一个合成孔径以取代庞大的阵列实孔径，从而保持优异的角分辨率。从潜在的意义上来说，其方位分辨率与波长和斜距无关，是雷达成像技术的一个飞跃，因而具有巨大的吸引力，特别是对于军事和地理遥感的应用更是如此。因此，合成孔径雷达(SAR)已经成为雷达成像技术的主流方向。,合成孔径雷达的分类一般情况下合成孔径雷达根据雷达载体的不同，可分为星载SAR，机载SAR和无人机载SAR等类型。根据SAR视角不同，可以分为正侧视、斜视和前视等模式。根据SAR工作的不同方式，又可以分为条带式(Stripmap SAR)，聚束式(Spotlight SAR)，扫描式(Scan SAR)等(如下图所示)。它们在技术上各具特点，应用上相辅相成。,目前世界上能够使用的星载和机载SAR系统共有

4、28个。其中处于使用状态的星载SAR系统共有5个。而处于使用状态的机载SAR系统有23个。合成孔径雷达(SAR)的特点（1）二维高分辨力。（2）分辨力与波长，载体的飞行高度，雷达的作用距离无关。（3）强透射性：不受气候、昼夜等因素影响，具有全天候成像优点；如果选择合适的雷达波长，还能够透过一定的遮蔽物。（4）包括多种散射信息：不同的目标，往往具有不同的介电常数、表面粗糙度等物理和化学特性，它们对微波的不同频率、透射角、及极化方式将呈现不同的散射特性和不同的穿透力，这一性质为目标分类及识别提供了极为有效的新途径。（5）多功能多用途：例如采用并行轨道或者一定基线长度的双天线，可以获得包括地面高度信息在内的三维高分辨图像。（6）多极化，多波段，多工作模式。（7）实现合成孔径原理，需要复杂的信号处理过程和设备。,合成孔径雷达发展史及现状,国外的发展史合成孔径的概念始于50年代初期。当时，美国有些科学家想突破经典分辨力的限制，提出了一些新的设想：利用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高分辨力；用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得高分辨力。50年代末，美国研制成第一批可供军事侦察用的

5、机载高分辨力合成孔径雷达。60年代中期，随着遥感技术的发展，军用合成孔径雷达技术推广到民用方面，成为环境遥感的有力工具。70年代后期，卫星载合成孔径雷达和数字成像技术取得进展。美国于1978年发射的“海洋卫星”A号和 80年代初发射的航天飞机都试验了合成孔径雷达的效果，证明了雷达图像的优越性。从90年代起，对能够提供三维信息的干涉式SAR的研究引起了世界各国的格外关注，成为SAR技术发展的新热点。一些发达国家正在筹划和研制新的可长期进行观测的各种技术先进的空间雷达卫星。如欧洲空间局预计发射的ASAR是到目前为止正在研制的最先进的星载SAR；美国下一个计划是发射SIR-D，预计2005年将研制成功，投入实用，它将是多频段(可能有4个)、多极化的星载成像雷达。,加拿大Convair-580 C/X SAR 系统,美国NASA的AirSAR系统,空中SAR概况 1. 1951年, Carl Wiley 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

6、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. 2006年, 日本发射ALOS PALSAR. 9. 2007年, 德国发射TerraSAR-X 10.2007年底, 加拿大发射Radarsat-2 目前合成孔径雷达分辨率己经达到0.lm数量级。纵观国外空间SAR的发展过程,可以看出随着科学技术的不断进步，SAR的水平和功能也在不断提高。可以相信，科学家们将不断地挖掘SAR的技术潜力，为人类的需要服务。,SEASAT卫星雷达系统,欧空局ERS-一系列卫星雷达系统,日本JERS-一系列卫星雷达系统,国外的发展现状,国外各个国家雷达发展现状,我国的发展史目前，SAR发展水平的高低己经成为衡量一个国家军事力量与综合国力水平的标志之一，其发展受到各国越来越多的重视。根据我国的迫切需要和国际上SAR技术发展趋势，我国还安排了高分辨率机载SAR系统、部署了SAR定标技术、SAR干涉

7、技术等一系列前沿课题和相关的应用研究。70年代中期，中国科学院电子学研究所率先开展了SAR技术的研究。1979年取得突破，研制成功了机载SAR原理样机，获得我国第一批雷达图像。目前机载SAR系统已成为我国民用遥感的有效工具，近年来多次在我国洪涝监测中发挥了重要作用。自80年代末，国家863计划部署了发展SAR及相关技术的一系列课题，其中中国雷达卫星一号列为863计划重大项目，由中科院电子所、电子科技大学、航天总公司五院和北京航空航天大学联合攻关，将于最近发射升空。中国科学院空间科学与应用研究中心开展了微波遥感系统与机理、空间微波遥感技术与遥感器、遥感信息的传输和相关应用技术研究。先后建立了陆基、机载及星载主动、被动微波遥感器。主要包括:雷达高度计、微波散射计和辐射计。并己应用于地质、农业、海洋等领域研究中。另外，电子科技集团公司第14所，38所以及航天607所等单位在开展机载，星载SAR的成像以及信号处理方面的研究。,1976年开始了SAR的研究工作；1979年电子所成功地研制出机载SAR模样机，并获得我国第一幅合成孔径雷达图像，图象的距离分辨率为180米，方位分辨率为30米，采用光学

8、记录、光学成像；1980年12月，第二台改进SAR系统进行了实验，发射峰值功率提高到10KW，采用了脉冲压缩技术，并增加了天线稳定伺服平台和运动补偿电路，分辨率提高到1515米；1986年进而实现了机载SAR回波信号的非实时数字成像处理；1987年，我国“863”计划正式提出了星载SAR的研究任务，这标志着我国在空间成像领域迈出了具有重大意义的一步。1987年电子所研制成功多条带、多极化机载合成孔径雷达系统，雷达工作在X波段，可以从HH、VV、HV、VH四种极化形式中任选一种工作，具有双侧视功能，图象分辨率为10米10米，采用光学记录、光学成像。1990年成功研制出“机载SAR实时数据传输系统”1994年成功研制出X波段、多极化、多通道、数字成像处理分辨率为10米的机载SAR系统及其“机载SAR实时数字成像处理器”系统，系统吞吐量在载机最大飞行速度时达到1帧/3min，每帧图像35km35km。并获得我国第一批机载SAR实时数字成像处理图像；2000年成功研制出2.5米分辨率机载SAR及其实时数字成像处理器系统，它标志着我国机载SAR及其数字成像处理技术应用研究己达到目前国际同类产品的

9、先进水平。,我国的发展现状 国内在 SAR 研究方面也取得了很好的成绩。中国科学院电子学研究所 1979 年 研制成功机载合成孔径侧视雷达样机，并在陕西武功地区进行飞行试验，取得了清晰 的山地、平原、 河流及桥梁的图像。之后又进行了多次改进，在铁路选线、地质判 读等方面取得了一定的应用效果。1988 年，中科院电子所研制成功机载多极化合成 孔径侧视雷达系统。该系统包括机载合成孔径侧视雷达，空-地实时传输设备与地面 成像处理设备，具有多极化成像、通道带宽、作用距离大、俯仰角可变等优点。该系 统在地形地貌测绘、军事侦察与反侦察等方面取得了应用成果。该所“八五”期间承 担的国家 863 项目“机载 SAR 实时数字成像处理器”，于1994年8月通过鉴定达 到90年代初国际同类产品的先进技术水平。该设备的研制成功标志着我国合成孔径 雷达研制技术跨上了一个新台阶。另外航天部25所也研制出了合成孔径雷达。电子 科技集团第14研究所，电子科技集团第38研究所等在机载合成孔径侧视雷达的研 究方面也取得了很好的成绩，在陕西阎良地区实时地取得了3m3m分辨率的图像， 目前试飞的目标是获取1m1m，0.3m0.3m的高分辨率图像，这种图像的获取对 于军事侦察具有很重要的意义，同时以无人机为运载平台的SAR系统也在研制。当 前我国机载合成孔径雷达向实用化、产业化、标准化方向发展。,合成孔径雷达的应用,在航空方面，合成孔径雷达的分辨率可达到1米以内。航天器上的合成孔径雷达因作用距离远,为获得高分辨率，技术较为复杂。1972年发射的“阿波罗”17号飞船、1978年发射的“海洋卫星”和1981年发射的“哥伦比亚”号航天飞机上都装有合成孔径雷达。合成孔径雷达主要用于航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、航天侦察、图像匹配制导等。它能发现隐蔽和伪装的目标，如识别伪装的导弹地下发射井、识别云雾笼罩地区的地面目标等。在导弹图像匹配制导中，采用合成孔径雷达摄图，能使导弹击中隐蔽和伪装的目标。合成孔径雷达还用于深空探测，例如用合成孔径雷达探测月球、金星的地质结构。,常监视机场、道路和边境，能够提供有关军事部队集结的信息。,金星表面图像，由麦哲伦号合成孔径雷达拍摄,微型合成孔径雷达探测月球极地地下几米的永久阴暗区域是否存在冰水。,改进型“山猫”合成孔径雷达进行试飞,

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