SAR技术ppt课件.ppt

合成孔径雷达技术2005年6月 合成孔径雷达技术内容 回顾 1合成孔径雷达的基本特点2合成孔径雷达采用的技术3合成孔径雷达系统的组成6SAR系统类型7SAR系统总体指标8雷达主要技术指标9SAR成像处理原理 回顾1合成孔径雷达的基本特点 载机运动 载机匀速直线运动 相干系统 获取信号的相位信息 信号存储 高速 大容量 成像处理 高速 大容量 二维 运动补偿 减小运动误差影响 SAR是一种微波全息 SAR是微波全息成像 SAR原始数据就是数字化的全息图 成像处理就是图像重建 在方位向通过载机飞行和PRF进行全息图的采样 因此要求载机直线飞行 采样间隔必须固定不变 因此通常PRF随地速成正比变化 或记录飞行速度 或加速度 在成像处理中进行校正 l在距离向通过距离采样时钟进行全息图的采样 SAR是一种微波全息 l为了保证全息图不发生畸变 要采用运动补偿 用一部分SAR原始数据就能处理出完整的图像 只是分辨率降低 这是多视处理和SCANSAR的依据 SAR全息图方位向和距离向二维不对称 因此成像处理时方位向和距离向二维处理方法有区别 SAR原始数据的动态范围比目标和图像动态范围小很多 这对原始数据的压缩很有利 回顾2合成孔径雷达采用的先进技术 l宽频带的天线馈线系统 l分布式有源相控阵天线系统 l距离向多波束扫描方式 ScanSAR l方位向多波束工作方式 l聚束工作方式 Spotlight l多频段 多极化SAR技术 l干涉SAR技术 l宽频带相干发射接收系统 l高稳定度信号源 l线性调频脉冲产生和脉冲压缩技术 回顾2合成孔径雷达采用的先进技术 l高速数据采集 量化 数据压缩技术 l高速大容量的数据存储器 l高速数据传输技术 l计算机系统控制和故障监测 l高精度运动补偿系统 包括高精度天线平台 INS GPS IMU l高精度导航及定位 INS GPS 系统 l高速大容量SAR数据成像处理 快视处理 实时成像处理 地面成像处理 lSAR图像压缩 传输技术 lSAR图像处理和判读技术等 回顾3合成孔径雷达系统的组成 第二章合成孔径雷达技术 6SAR系统类型7SAR系统总体指标雷达主要技术指标SAR成像处理原理 6SAR系统类型 6 1机载SAR系统的特点 l飞行高度较低 速度较慢 机动性好 运动误差大 l工作距离较近 距离模糊 方位模糊的限制较小 距离徙动影响较小 多数情况下距离向和方位向的聚焦可以分别独立进行 成像适用R D算法 l对运动补偿系统要求较高 大多采用实时运动补偿 可在机上直接记录原始数据和图像数据 采用实时成像处理器 l飞行高度较高 速度较快 运动较规律 但机动性差 l工作距离很远 距离模糊 方位模糊的限制很大 l成像处理必须考虑距离徙动的影响 主要在地面数据处理中进行运动补偿 较少采用实时补偿 但对卫星姿态及姿态稳定度有一定要求 l必须使用星地数据传输 l必须使用遥控遥测和程序控制 设备要满足火箭发射和空间工作的环境条件 振动 冲击 噪声 温度 真空 辐射 l体积 质量 功耗受卫星尺寸 载荷能力 供电能力限制 l不可维修 对可靠性要求高 大多采用冗余设计 6 2星载SAR系统的特点 1 工作平台 机载 星载等载机的形式和性能参数 2 波段和极化 工作波段 极化形式和极化组合方式 3 工作模式 分辨率 成像带宽度 工作距离 工作方式的组合 分辨率 距离分辨率 方位分辨率 高程分辨率 辐射分辨率 成像带宽 与分辨率是一对矛盾 工作距离 与分辨率有密切关系 4 系统灵敏度 检测弱目标的能力 与所有参数都有关 5 系统定标精度 辐射精度 内定标精度 外定标精度等 7SAR系统总体指标 7 1SAR工作平台 1 机载SAR的工作平台是各种飞机 性能参数 飞机型号 飞行高度 飞行速度 运动误差 安装空间和位置 载荷能力 供电能力 2 星载SAR的工作平台是各种航天器 主要性能参数 航天器类型 航天飞机 人造卫星 宇宙飞船 空间站 星际探测器 卫星轨道 普遍采用近圆形的太阳同步轨道 轨道高度 已经用过的航天SAR轨道有三种 a 低轨道 轨道高度在200 300公里之间b 中高轨道 轨道高度在500 800公里之间c 环绕行星的轨道 例如环绕金星的椭圆轨道 飞行速度 一般在7公里 秒左右 随轨道高度变化 运动误差 角的变化取决于的姿态控制精度和稳定度 速度取决于轨道精度 是有规律的 安装空间和位置 安装空间和载荷能力是有限的 供电能力 卫星电源供电能力是有限的 7 2波段和极化 目前SAR的工作波段已经几乎覆盖了全部雷达波段 多波段SAR系统是一个发展方向 不同目标对不同极化的电磁波散射特性也不同 并会产生不同的极化方向旋转 多极化SAR系统是一个发展方向 同时多波段 多极化的SAR系统过于复杂 目前大多 多数SAR系统还是单波段 单极化的 应对不同应用目的 优选适当的波段和极化方式 波长较长的电磁波具有较强的穿透能力 波长较短的电磁波具有较强的观测小目标和物体细部结构能力 7 3SAR工作模式 条带成像模式 是成像SAR最基本的工作模式 扫描成像模式 SCANSAR模式 超宽成像带 低分辨率的成像工作模式 聚束成像模式 Spotlight模式 超高分辨率 局部地域成像工作模式 多极化成像模式 HH VV HV VH四种极化以不同方式组合 获取目标极化信息 干涉SAR模式 三维立体图像 测量地形高度 动目标检测成像 用不同方法检测动目标和成像 多波段SAR 多波段成像 获取目标对不同频段散射特性的信息 7 4分辨率 分辨率分为 空间分辨率 又称为几何分辨率 辐射分辨率 检测目标辐射特性的能力 7 4 1分辨率概念 l分辨率通常指空间分辨率l空间分辨率分为 距离分辨率方位分辨率高程分辨率 干涉SAR l本节讨论空间分辨率的距离分辨率 方位分辨率l辐射分辨率在后面讨论 高程分辨率不讨论 7 4 2分辨率的理论基础 l 函数 冲激函数 定义 l 函数描述的是 位置在x 0处 宽度无限窄 幅度无穷大 但能量有限 积分等于1 的一个脉冲信号 冲激函数是一个理想 点 目标的数学模型 1 系统的冲激响应 l冲激响应 当系统输入 函数 冲激函数 型信号时 系统的输出波形称为系统的冲激响应 l 点 目标 本身尺寸远小于分辨单元的目标 是物理的 点 目标模型 例如应答器 ARC 角反射器等 雷达测试用的 点 目标 强度应适当 使主瓣在图像线性动态范围内 并尽可能看得到旁瓣 目标太强会使图像饱和失真 目标太弱会受到噪声的干扰 都会降低对目标测量的精度 2 系统的传递函数 式中 H t 系统的传递函数当系统的输入为 函数时 其输出就是系统的传递函数H t 系统的传递函数H t 系统的冲激响应 7 4 3分辨率的定义 1 雷达图像地面分辨率l雷达图像地面分辨率是图像中能区分的两个相邻点目标对应的地面最小距离 这是最基本的定义 但有问题 l地面分辨率分为距离向地面分辨率 简称距离分辨率 和方位向地面分辨率 简称方位分辨率 l距离分辨率分为斜距分辨率 r和地距分辨率 g l沿距离向的分辨率为斜距分辨率 r 雷达系统的斜距分辨率由信号带宽决定 是固定的 l斜距分辨率 r投影到地面对应的长度定义为地距分辨率 g 地距分辨率是随入射角不同而变化的 2 单点目标分辨率 l单点目标分辨率定义 点目标冲激响应主瓣半功率点 3dB 处宽度对应的空间长度 3 相邻两点目标分辨率 相邻两点目标分辨率定义 相邻两个点目标的冲激响应叠加后 中间的波谷小于 3dB 则认为这两个点目标能分辨 否则就认为不能分辨 4 两种分辨率的关系 l单点目标分辨率定义明确 多数系统使用这种定义 l两 相邻 点目标分辨率与目标回波相位有关 与判读人员眼睛分辨能力有关 影响因素多 情况复杂 较难得到统一的测量结果 通常需要进行多次测量和多人判读 并对测量结果进行统计 l距离分辨率和方位分辨率都可以有这两种定义方法 l无论哪种分辨率定义都必须在系统线性动态范围内进行测量 目标太强或太弱都不能得到准确的分辨率测量结果 两点目标分辨率与目标回波相位有关 1 距离分辨率计算l斜距分辨率计算公式B 信号带宽 MHz k 展宽系数 处理加权和系统误差造成 l地距分辨率计算公式 雷达波束在地面的入射角 7 4 4SAR系统分辨率的计算 斜距分辨率 r与地距分辨率 g关系 g 雷达 地面 地距 r 脉冲宽度 脉冲宽度 R斜距 距离分辨率的极限 l理论距离分辨率计算公式 实用形式 脉冲宽度 单位 sB 信号带宽 单位MHzl特别B fMax时 信号带宽使用100 实际做不到 l信号波长是距离分辨率的极限 2 方位分辨率的计算 l星载SAR方位分辨率的工程计算公式 式中各参数的意义和取值见表7 1 表7 1与方位分辨率有关的参数 SAR图像性能与所取波束宽度的关系 均匀口面天线 Sinc2函数 l加权展宽系数 K1 K1 1 为降低副瓣采用的加权处理l天线方向图系数 K2 K2 1 双程 l星地变换系数 K3 Re Re H Re 地球半径 H 卫星高度l处理带宽系数 K4 K4 1或K4 1 根据需要确定 l处理误差展宽系数 K5 K5 1 SAR系统方位分辨率的计算 影响分辨率的其他因素 信号源频率稳定度 短稳的影响最大 信号源频谱纯度 谱线宽度 多余谱线 定时精度 定时抖动 与时钟不同步 采样间隔 采样频率限制距离分辨率PRF限制方位分辨率 运动误差 降低分辨率 产生副瓣 增加噪声 甚至不能成像 7 5成像带宽度 成像带宽定义为 雷达图像在距离方向 垂直于航向 的宽度 成像带宽需减去图像两端距离徙动和脉冲边缘效应造成的损失 影响SAR成像带宽的因素主要有 回波窗长度 距离向采样点数 波束入射角 距离徙动 距离向脉冲压缩缘效应 PRF等 雷达回波数据的采样频率和采样点数决定记录雷达数据的斜距成像带宽度 式中 Wr 记录回波数据的斜距成像带宽度 成像带宽度限制 lPRF对成像带宽度W的限制Bd 方位向多普勒带宽 脉冲宽度 tr 收发转换保护时间 n 星下点回波时间Tw 成像带宽需要的回波信号时间l方位分辨率越高 PRF越高 最大成像带宽越小 成像带宽度限制 Wr 实际图像带宽 时间以 s为单位 例1 a 5m v 7km s 33 s tr 10 s则Wr 69 4km例2 a 1m v 7km s 15 s tr 10 s则Wr 8 9km 7 6工作距离 l从SAR分辨率公式看来 分辨率与工作距离无关 l实际上SAR工作距离与分辨率有密切的关系 相同分辨率 工作距离大 合成孔径长度大 需要存储和处理的合成孔径内的数据量成比例增加 相同分辨率 工作距离大 需要的发射功率随R3成比例增大 相同分辨率 工作距离大 对运动补偿精度要求成比例提高 相同分辨率 工作距离大 对系统性能要求提高 如频率稳定度 定时精度 处理速度和精度等 l工作距离受到地球是圆形的限制 机载SAR的工作距离受到飞行高度和视距的限制 星载SAR轨道高度越高 波束视角越大 工作距离就越远 但最大视角也受到地球圆形的限制 7 7系统灵敏度 lSAR系统灵敏度通常用噪声等效后向散射系数NE 表示 它表征SAR系统检测弱目标的能力 l噪声等效后向散射系数NE 定义 当雷达接收机输入信号功率等于折合到接收机输入端的噪声功率 即雷达接收机输入信噪比为0dB时 对应的目标平均后向散射系数 l假设雷达天线波束照射到的地物后向散射系数全都是NE 则接收机输入的回波信号功率与折合到接收机输入端的噪声功率相等 即S N 0dB 用绝对值表示则为S N 1 与系统灵敏度有关的参数 符号名称单位说明Pt发射峰值功率w雷达天线发射的微波脉冲峰值功率Pav发射平均功率w雷达天线发射的微波信号平均功率 脉冲宽度 s发射脉冲的持续时间PRF脉冲重复频率Hz发射脉冲的重复频率 工作波长m与发射微波信号中心频率fo对应的波长D天线长度m天线方位向的长度G天线增益dB中心频率下的天线增益 假定收发相等 S N接收信 噪比dB折合到接收机输入端的信号 噪声功率比 目标后向散射系数dB被天线照射区域的平均后向散射系数NE 噪声等效后向散射系数dB使S N 0dB的目标后向散射系数R作用距离m雷达天线到被照射区域中心的距离F接收机噪声系数dB折合到接收机输入端的噪声热噪声的功率比B系统频带宽度MHz整个SAR系统的有效 3dB频带宽度L系统损耗dB整个SAR系统系统的总损耗T绝对温度 K雷达工作环境的绝对温度k波尔兹曼常数焦耳 度热力学物理常数k 1 38 10 23焦耳 度c光速m s光在真空中的传播速度c 3 108m s 重要参数说明 目标 分为两类点目标 目标尺寸远小于雷达分辨单元 用雷达截面积 描述目标特性 雷达截面积与目标的大小 形状有关 角反射器是一种尺寸很小但雷达截面积很大的点目标 原始数据成像处理时有压缩增益和聚焦增益 分布目标 目标尺寸远大于雷达分辨单元 散射较均匀 强度和方向 用后向散射系数 描述目标特性 原始数据成像处理时没有增益 重要参数说明 发射功率Pt Pav 脉冲峰值功率Pt与平均功率Pav的关系为 天线增益G 同一部天线的收 发增益一般是相同的 接收信 噪比S N 折合到接收机输入端的信号 噪声功率比一般雷达要求S N远远大于1 0dB SAR对点目标有很高增益 使S N提高数十dBSAR对分布目标没有增益 S N不能提高SAR系统设计中根据用途 一般取S N 5 10dB A 天线面积 天线效率 去掉 为方向性系数 重要参数说明 噪声等效后向散射系数NE 又称雷达系统灵敏度假设雷达天线波束照射地物的后向散射系数全都是NE 则接收机输入的回波信号功率与折合到接收机输入端的噪声功率相等 即S N 0dB S N 1 接收机噪声系数F 折合到接收机输入端的噪声与热噪声的功率比 是接收机灵敏度的最终限制 系统频带宽度B 整个系统的有效频带宽度 一般定义 3dB 带宽决定因素 发射信号带宽 收发天线带宽 接收机带宽 数据形成带宽 数据处理带宽等 系统损耗L 整个SAR系统系统的总损耗 主要产生于 天线损耗 馈线损耗 接收系统前端插损 收发系统相位误差 数据处理误差等 雷达方程推导 合成孔径雷达方程 SAR系统灵敏度计算 实用的计算公式 S N 252 76dB Pt dBW 2 G dB 3 dBM dBS 3 R dBM D dBM B dBHz F dB L dB Sin dB dBNE 252 76dB Pt dBW 2 G dB 3 dBM dBS 3 R dBM D dBM B dBHz F dB L dB Sin dB 7 8辐射定标精度 l系统辐射定标精度也称为图像的辐射精度 l辐射定标精度决定用SAR图像测量地物辐射特性 点目标的雷达截面积或分布目标的雷达后向散射系数 的精度 l辐射定标精度由内定标精度和外内定标精度等决定 lSAR系统辐射定标是SAR图像定量遥感应用的基础 辐射精度 辐射精度分三种 l一景图像内的相对辐射精度l两景图像间的相对辐射精度l绝对辐射精度辐射精度通常以dB为单位 用最大值 3 表示 1 一景图像内的相对辐射精度 l定义 在同一景雷达图像内不同位置测定目标后向散射系数或雷达截面积相对值的最大误差 l计算公式RA1 10log 1 1 RA1 一景图像内的相对辐射精度 dB 1 在一景图像内测定目标后向散射系数或雷达截面积的最大相对误差 比值 2 两景图像间的相对辐射精度 l定义 在两景雷达图像内不同位置测定目标后向散射系数或雷达截面积相对值的最大误差 l计算公式RA2 10log 1 2 RA2 两景图像间的相对辐射精度 dB 2 在两景图像内测定目标后向散射系数或雷达截面积的最大相对误差 比值 3 绝对辐射精度 l定义 在雷达图像上测定目标后向散射系数或雷达截面积绝对值的最大误差 即目标后向散射系数或雷达截面积的测量值与其实际值之间的误差 l计算公式AA 10log 1 0 AA 一景图像内的相对辐射精度 dB 0 在图像内测定目标后向散射系数或雷达截面积的最大绝对误差 比值 影响SAR系统辐射定标精度的因素 7 9SAR图像指标 1 分辨率 l分辨率定义为 点目标响应函数主瓣 3dB处的宽度对应的地面距离 l分辨率分为 方位向分辨率和距离分辨率 l等幅线性调频信号压缩 聚焦 后 响应函数为sinc函数 l对线性调频信号进行幅度加权 压缩后的峰值副瓣和积分副瓣降低 主瓣宽度略展宽 即适当牺牲分辨率来降低副瓣 2 动态范围 l动态范围定义为 可能得到的最强目标与最弱目标的强度比 l分布目标图像的动态范围 雷达系统的动态范围 成像处理影响很小 l点目标图像的动态范围 雷达系统的动态范围 脉冲压缩增益 方位聚焦增益 3 几何精度 l图像几何精度定义为 图像的几何畸变 失真 大小 用相对值百分比表示 l雷达系统造成的图像距离向几何畸变很小 l图像方位向几何畸变由飞行速度误差造成 l机载SAR图像的几何畸变较大 l星载SAR图像的几何畸变很小 4 定位精度 l图像定位精度定义为 用图像确定目标在空间位置的精度 误差值 l图像的定位精度主要取决于载机本身的定位精度 l图像几何畸变对图像的定位精度有一定影响 5 辐射分辨率与多视数 l辐射分辨率是表征区分目标强度 雷达截面积或后向散射系数 能力的参数 l辐射分辨率对于分布目标的定量遥感应用非常重要 l影响SAR辐射分辨率的主要因素为相干斑噪声和雷达信噪比 lSAR辐射分辨率的理论值为 等效视数 多视处理与多视数 l多视处理 在空域或频域把SAR原始数据分为若干块 分别成像后再进行非相干的图像相加 l多视数 多视处理时原始数据所分的块数称为多视数 l多视处理是在成像后进行非相干的图像相加 可以使相干斑噪声得到平滑 提高辐射分辨率 视数越多 辐射分辨率越高 但多视处理要降低图像空间分辨率 视数越多 空间分辨率越低 多视分辨率 单视分辨率 视数l有人研究用各种方法抑制相干斑噪声 而使图像空间分辨率损失较小 即抑制相干斑噪声的等效视数较大 降低空间分辨率的倍数较小 6 峰值副瓣比 PSLR l峰值副瓣比 PSLR 定义为 系统冲激响应的最大副瓣幅度与主瓣幅度之比 通常用分贝 dB 表示 l峰值副瓣比分为方位向峰值副瓣比和距离向峰值副瓣比 l峰值副瓣比 PSLR 的计算公式为 式中 PSLR 峰值副瓣比AS 系统的冲激响应的最大副瓣幅度AM 系统的冲激响应的主瓣幅度l理想等幅线性调频信号 处理时不加权 脉冲压缩波形为Sinc函数形式 峰值副瓣比PSLR 13 26dB 为了降低峰值副比 普遍应用加权处理 但在降低峰值副瓣比时 也会降低分辨率 优选加权形式 可使分辨率和峰值副瓣比达到较好的折中 系统冲激响应的主瓣和副瓣 7 积分副瓣比 ISLR l积分副瓣比 ISLR 定义为 系统的冲激响应的副瓣总能量与主瓣能量之比 通常用分贝 dB 表示 积分副瓣比也分为方位向积分副瓣比和距离向积分副瓣比 l积分副瓣比ISLR的计算公式为 l在有误差或做加权处理的情况下 冲激响应的第一副瓣会与主瓣合并在一起 之间没有过0点 也没有明显的界限 这时 主瓣区域 a b 的宽度较难选取 作者认为 取主瓣 3dB宽度的2 3倍作为积分限 a b 的宽度较为合理 8 模糊度 l模糊度定义 模糊信号能量 或强度 与有用图像信号能量 或强度 的比值l模糊度表征模糊对SAR图像影响大小l模糊度分为方位模糊度和距离模糊度 9 距离模糊度 l距离模糊度定义为 模糊区的回波信号能量 或强度 与成像区回波信号能量 或强度 的比值 用模糊信号能量定义的是平均模糊度 是一个数值 用不同距离各点模糊信号强度定义的是距离向各 点 的模糊度 是一条曲线 l地面雷达和机载雷达工作是 发射一个脉冲 接收完回波后再发射第二个脉冲 即 发一收一 方式 所以没有距离模糊 但会有 模糊距离 限制 如果工作距离大于模糊距离RMAX 则远于模糊距离的目标回波将和近处目标回波重叠造成距离模糊 模糊距离 距离模糊度 l星载SAR的距离模糊 星载SAR的工作距离很远 PRF又不能很低 受方位模糊和信 噪比要求限制 所以发射几个脉冲后才能接收到第一个脉冲的回波 即在当前发射和接收的脉冲之间 空中路途上还存在几个传输中的脉冲 这就造成先发射的脉冲从远处返回的回波和后发射的脉冲从近处返回的回波可能同时到达雷达天线 这种不同发射脉冲 不同距离目标的回波混叠在一起被接收就造成了距离模糊 距离模糊区的数量是有限的 l距离模糊形成实际上该位置并不存在的 目标 干扰和噪声 距离模糊对图像的影响与距离模糊度大小和地物特性有关 l距离模糊度与天线距离向方向图 工作距离 重复频率PRF值等有关 降低天线距离向方向图副瓣 降低脉冲重复频率 PRF 可以降低距离模糊度 距离模糊与天线方向图 PRF和成像带宽的关系 10 方位模糊度 l方位模糊度定义为 混叠频谱能量和成像有用频谱能量的比值 理论上方位模糊区有无限多个 实际上只有主瓣两边近处各2 3个副瓣起主要作用 l方位模糊是由于雷达发射脉冲重复频率 PRF 不够高 成像处理时 有用图像多普勒频带以外的信号频谱 折叠 到有用图像的多普勒频带内 产生虚假影像 对有用图像造成干扰 l机载SAR的方位模糊 机载SAR一般工作距离较近 PRF可以较高 通常PRF为多普勒带宽的2 4倍 所以方位模糊的影响很小 只在天线副瓣区域有特别强的目标时才能看到方位模糊 当方位分辨率很高 多普勒带宽很宽 且工作距离较远时 选择PRF可能受到限制 方位模糊的影响就不能忽视了 方位模糊 l星载SAR的方位模糊 受距离模糊限制 PRF不能很高 通常只能取PRF为多普勒带宽的1 2倍左右甚至更小 所以方位模糊较严重 l方位模糊形成实际上该位置并不存在的 目标 干扰和噪声 方位模糊对图像的影响与方位模糊度大小和地物特性有关 l方位模糊度与天线方位向方向图特性 脉冲重复频率 PRF 的大小 成像处理带宽的大小有关 方位模糊 方位模糊 由于PRF不够高 数据的多普勒频谱发生混叠产生的 方位模糊与天线方向图 PRF和处理带宽的关系 方位模糊与PRF的关系 PRF PRF PRF够高方位模糊很小 方位模糊与PRF的关系 11 辐射分辨率 l辐射分辨率 区分不同强度目标能力的参数 定义 l均值和方差是对均匀分布目标图像的功率测量数据统计得到的 l辐射分辨率对于大面积分布目标的定量遥感应用非常重要 影响辐射分辨率的主要因素为 相干斑噪声 接收信噪比 背景噪声 积分副瓣 模糊 雷达的增益稳定度等 12 辐射精度 又称辐射定标精度 详见7 8节 l内定标精度 决定相对辐射精度l外定标精度 决定绝对辐射精度 均值 方差 8雷达主要技术指标 8 1波段和工作频率不同工作频率时雷达系统性能的主要差别 电磁波波段表 无线电波段表 8 2极化方式 l极化类型 单极化 HH VV 交叉极化 HV VH l极化工作方式 单极化 HH或VV多极化 选择极化 可以选择四种极化中的任一种成像 同时双极化 HH和HV 或VV和VH 两种极化同时成像 全极化 HH VV HV VH四种极化同时成像 l物体对不同极化的电磁波反应不同 不同极化的图像反映物体不同的特性 因此不同极化的图像有不同的应用 多极化图像可以获得更多的信息 多极化雷达系统的主要技术指标 图像的极化纯度或雷达的极化隔离度 8 3天线尺寸 l天线方位向尺寸决定方位分辨率l天线距离向尺寸决定成像带宽度 天线最大尺寸限制 方位分辨率和成像带宽度要求的限制 再大不能满足分辨率或成像带宽要求 波束宽度过窄 天线最小尺寸限制 星载SAR方位分辨率限制最大成像带宽度 再小距离模糊大 增益低 需要功率大 波束宽度过宽 计算举例 最小限制 再小了距离模糊大 增益低 需要功率大 计算举例 最大限制 再大了不能满足分辨率或成像带宽要求 天线尺寸限制 举例 二者区别 前者是由天线宽度决定的成像带宽度 后者是在分辨率限制下可达到的实际成像带宽度 后者一般小于前者 天线面积 8 4天线增益 l天线增益定义 由于天线具有方向性 使天线方向图主瓣方向的发射 或接收 的能量密度增大的倍数 通常以分贝 dB 为单位 l一般无源天线的发射和接收方向图是相同的 发射增益和接收增益也是相同的 互易定理 相控阵天线和有源天线可以设计为发射方向图和接收方向图不同 l天线增益计算公式 A 天线面积 工作波长 天线效率 8 5天线波束宽度 lSAR大多采用扇形波束天线 方位向波束宽度较窄 距离向波束宽度较宽 以保证需要的成像带宽度 l距离向波束宽度 3dB 计算公式为l方位向波束宽度 3dB 计算公式为 Dr 天线距离向宽度 Da 天线距离向宽度 工作频率工作带宽极化方式 单极化 HH或VV 交叉极化 HV或VH 多极化 HH VV HV VH l极化纯度或极化隔离度 l发射峰值功率 天线发射的微波脉冲峰值功率Pt 功率容量或最大耐受功率 天线可承受的最大功率 输入 输出驻波比 结构形式 重量等等 天线的其它性能参数 8 6发射功率 l发射功率 雷达天线发射的微波脉冲功率 l两个参数 脉冲峰值功率Pt 平均功率Pav l雷达需要的发射功率根据系统参数由雷达方程计算 l雷达发射功率受以下因素现制 发射机的功率 天线效率 天线馈线承受功率 载机供电能力等 l脉冲峰值功率Pt和平均功率Pav的关系为 式中 为脉冲宽度 8 7脉冲工作比 占空比 l脉冲工作比定义为 式中 TP为脉冲周期l脉冲工作比决定了脉冲峰值功率Pt和平均功率Pav的关系 所以通常只需给出脉冲峰值功率Pt和最大脉冲工作比就够了 8 8脉冲宽度 l对于线性调频脉冲 雷达距离分辨率只由信号带宽决定 与脉冲宽度无关 l增大脉冲宽度 对雷达系统有以下影响 增大发射平均功率 提高接收信 噪比 增大工作距离 降低线性调频率 容易产生和获得高线性度的线性调频脉冲 增大脉冲占据的距离宽度 对去斜率工作方式有利 增大脉冲占据的距离宽度 会损失成像带宽度 减小量为 W 150 米 以 s为单位 8 9脉冲重复频率 PRF l脉冲重复频率 PRF 定义为 1秒钟内的脉冲数 l最低PRF受多普勒带宽Bd限制 PRF Bdl最高PRF受成像带宽度W限制 式中 W 斜距成像带宽度 这里是记录数据的宽度 实际图像宽度还要减去一个脉冲宽度占据的图像宽度 脉冲宽度 c 光速 t 收发转换保护时间星载SAR还需要加上星下点回波所占的时间 1 2 8 10信号频带宽度B lLFM信号频带宽度B决定雷达距离分辨率 8 11线性调频率 l线性调频率 也称线性调频斜率 定义为信号频率随时间的变化率 l对理想线性调频信号 线性调频率是固定值 线性调频率 8 12线性调频信号误差 l线性调频信号误差分为 线性调频斜率误差和非线性 l线性调频斜率误差使脉冲压缩主瓣展宽 距离分辨率降低 l固定的调频斜率误差可以在脉冲压缩处理时补偿 消除影响 l调频斜率的变化主要是线性调频信号产生电路 例如声表面波SAW器件 参数随温度变化造成的 l用数字方法产生的线性调频信号精度高 稳定性好 灵活性强 比SAW器件等产生的线性调频信号好 但数字设备复杂些 l线性调频信号的非线性造成高次相位误差 l高次相位误差使脉冲压缩后的副瓣升高 副瓣不对称等 l固定的高次相位误差可在SAR系统中进行补偿 也可在成像处理中进行补偿 l慢变化的非线性误差可以用内定标信号复制成像参考信号进行脉冲压缩处理 实现相位误差补偿 快变化的相位误差 例如纹波调制 无法补偿 将会影响图像质量 线性调频信号参数 l线性调频脉冲宽度 sl线性调频脉冲带宽BMHzl中心频率foMHzl调频度 l相位误差 一次相位误差 中心频率误差 压缩脉冲位置误差二次相位误差 调频斜率误差 压缩波形主瓣展宽高次相位误差 调频非线性 压缩波形副瓣增大随机相位误差 相位噪声 信噪比降低l时间带宽积 压缩倍数理论值 B倍数l压缩脉冲宽度 理论值 1 B sl压缩脉冲副瓣 峰值副瓣比 积分副瓣比dB 8 13频率源稳定度 1 频率源稳定度 有下列三个参数l短期稳定度 在电磁脉冲发射到接收的时间间隔 1 10ms 内和合成孔径时间 几秒 内的频率变化 用阿仑方差表示 l长期稳定度 一年时间内的频率变化 用相对误差表示 l单边带相位噪声 相位噪声随频率的变化 用dBc Hz表示 2 频率源稳定度的影响 l长期稳定度对一般成像无影响 对特殊应用 如多星干涉成像 多航迹干涉成像 干涉SAR的几种形式 则可能有影响 l短期稳定度 相位噪声影响图像的分辨率和积分副瓣比 频率源的随机相位误差 2 f t y方位向积分副瓣比 ISLR 10lg 2 ISL0 式中 f 工作频率 t 回波延迟时间 双程 y t时间内的短期稳定度 阿仑方差 ISL0 没有误差时的副瓣总功率 8 14接收机带宽 l通常接收机和器件 带宽有两种定义方法 幅频特性半功率 即 3dB 点之间的频带宽度 幅频特性 1dB点之间的频带宽度大多数电子设备通常采用定义 SAR成像对幅频要求很高所以一般采用定义 l决定SAR距离分辨率的是系统带宽B 系统带宽B由发射信号带宽 调频源 发射机等带宽决定 天线馈线带宽 发 收双程 接收机带宽 数据形成带宽等决定 l接收机带宽对系统带宽的影响较大 l接收机中的各级滤波器特性对接收机带宽的影响较大 接收机带宽要合理确定 带宽太窄会降低距离分辨率 增大脉冲压缩副瓣 带宽太宽会增加噪声 降低信 噪比和系统灵敏度 l数据处理带宽与雷达无关 完全可以根据需要设计 最为灵活 8 15接收机噪声系数F l接收机噪声系数F表示把热噪声kTB增大的倍数 接收机噪声N FkTBl接收机各级的噪声全部折合到输入端来计算 N N1 N2 K1 N3 K1K2 l前级噪声对接收机噪声系数的影响最大 天线到接收机之间的所有插入损耗 馈线 旋转关节 收发开关 电缆连接器 保护开关 限幅器等 都使接收系统对有用信号的增益降低 使信号 噪声比降低 等效于使系统噪声系数增大 8 16接收机增益G l接收机增益G定义 雷达接收通道的最大总增益 l接收机输入端与接收天线连接 输出端与数据采集电路连接 接收机包括 高频放大器 镜频滤波器 混频器 中频滤波器 中频放大器 同步解调器 视频滤波器 视频放大器等 l增益G通常以分贝 dB 为单位 计算公式为 G 10 log Pomax Pimin 式中 Pimin 接收机最小输入功率Pomax 接收机最大输出功率 偏离线性 1dB l接收机最小输入功率电平Pimin确定准则1 要求接收机对于最小输入信号必须达到一定的信噪比 一般取5 10dB 此时 Pimin 10 log FkTB 5 10 dB式中 FkTB 折合到接收机输入端的噪声功率F 接收机噪声系数 k 波尔兹曼常数 B 接收机带宽 T 绝对温度 l接收机最小输入功率电平Pimin确定准则2 由于SAR成像对点目标等有很高的增益 可达数十分贝 所以 目标回波即使完全淹没在噪声中 仍然能够得到有用的图像 此时 Pimin 10 log FkTB l接收机增益G设计应留有适当的裕量 并且 SAR成像时 如果接收机增益高了 可以用MGC或AGC调低 但如果接收机最高增益低了 将无法再提高 所以 最小输入功率电平应采用准则2确定 8 17接收机动态范围 l放大器线性动态范围定义 从噪声电平到传递特性偏离线性1dB点 1dB压缩点 之间的输入 或输出 电平范围 这是接收机通常使用的定义 l另一种动态范围定义 从噪声电平到限幅电平 或饱和电平 之间的输入 或输出 电平范围 饱和工作的放大器使用此定义 l瞬时动态范围 同一时刻设备的动态范围 接收机动态范围 l接收机输入动态范围 指在增益可调的情况下 接收机输入信号的最大动态范围 这里的动态范围不是瞬时动态范围 最小信号和最大信号不是同时出现的 接收机增益也不是固定的 最小信号和最大信号的范围可能远远大于接收机的瞬时动态范围 接收机输入动态范围计算公式为 接收机输入动态范围 放大链的动态范围 增益控制范围l输入动态范围主要取决于前级低噪声放大器的输入动态范围 l输出动态范围主要取决于末级视频放大器的输出动态范围 l合理分配各级的增益是保证接收机达到最大动态范围的关键 l在各级动态范围最佳匹配的情况下 放大链的瞬时动态范围主要受其中动态范围最小的一级放大器限制 接收机各级动态范围的匹配 接收机各级动态范围的匹配 动态范围的控制 动态范围的控制 8 18增益控制 MGC l用增益控制改变接收机增益 就能改变接收机的输入动态范围 使其与雷达回波信号电平相匹配 达到对回波信号充分的不失真的放大 这样就能保证得到最好的雷达图像 lMGC是用人工或程控或遥控方法控制 设定接收机的增益值 l目前广泛使用的MGC控制电路是在放大器中适当位置插入可变衰减器 可变衰减器有模拟控制的和数字控制的两种 模拟控制衰减器通常用电压控制 衰减量可连续变化 数字控制衰减器用数码控制 衰减量以一定的步距增减 lMGC的主要指标是 控制范围 增益变化范围 控制步距 或控制电压灵敏度 控制精度 增益误差 和时间常数 增益改变程需要的时间 8 19自动增益控制 AGC l接收机自动增益控制 AGC 是根据输入信号的强弱自动改变增益 使信号得到最佳放大的电路 AGC在通讯 广播 电视和雷达接收机中广泛应用 lAGC电路包括输出信号强度检测电路和增益控制电路 使放大器形成一个负反馈环路 当输出信号强度大于某个电平时 就减小放大器增益 使输出信号减小 当输出信号强度小于某个电平时 就增大放大器增益 使输出信号增大 最后使输出信号强度保持在一个事先设定的合适的范围内 所以AGC电路从开始工作到稳定状态需要一定的时间 l在SAR中 一般情况下回波信号强度变化较小 较慢 可以使用AGC 但在回波信号强度变化剧烈的区域 AGC不好用 lAGC的主要指标 增益控制范围 增益变化范围 设定电平 稳定后的输出信号电平 时间常数 增益改变过程需要的时间 l对AGC时间常数的要求是 在合成孔径时间内 增益变化不大 如 1 3 dB 时间常数太小 增益变化造成幅度调制 影响图像质量 时间常数太大 增益变化滞后于信号变化 不起控制作用 lAGC的增益变化会降低辐射精度 对定量遥感应用不利 l在系统进行内定标 外定标 时 不能使用AGC l实际使用的AGC电路有两种 模拟AGC电路和数字AGC电路 l模拟AGC电路 通常用输出信号的峰值检波作输出信号的强度检测 再经平滑滤波后控制放大器的增益 AGC时间常数主要由峰值检波器和平滑滤波器的时间常数决定 l数字AGC电路 用数字化的输出信号采样进行计算 得到输出信号强度 再根据输出信号强度和设定电平算出AGC控制码 用此码控制数字衰减器实现放大器的增益控制 AGC时间常数主要由采样点数所需的时间决定 8 20灵敏度时间控制 STC l灵敏度时间控制 STC 用增益随时间变大来补偿回波信号随距离增大而减弱 使接收机输出的信号电平变化不大 有利于信号采集记录 l由于机载SAR成像带内的距离变化很大 数倍 所以随着距离增大 回波信号强度迅速减弱 为了使成像带中的图像均匀 多采用STC l一般STC范围在10 20dB l星载SAR工作距离很大 成像带内的距离相对变化不大 由此引起的回波信号强度变化不大 星载SAR回波信号强度变化主要由天线方向图造成 强度变化不太大 并且天线波束很多 很难全部用STC补偿 所以星载SAR一般不采用STC lSTC的增益变化会带来附加误差 降低图像辐射定标精度 对定量遥感应用不利 所以定量遥感要求尽量不采用STC lSTC电路 模拟STC电路 用模拟电路产生STC曲线电压 控制放大器中的模拟衰减器 实现STC 数字STC电路 用存储在计算机中的数字化STC曲线 通过计算机控制放大器中的数字衰减器 实现STC 数字STC可以事先存储多种不同的STC曲线 也可以修改曲线 很方便 灵活 灵敏度时间控制 STC 8 21中频频率fI 射频基准频率 中频基准频率 接收机中频频率fI的选择原则 l中频频率fI选低些 放大容易 电路较稳定 相对带宽较大 幅频特性 相频特性的指标较难做得高 l中频频率fI选高些 相对带宽较小 幅频特性 相频特性的指标容易做得高 对放大器件要求高 电路较难设计 l尽量选择标准的 常用的 系列的中频频率 器件 电路成熟 容易选用元器件和设计电路 l频率关系 工作频率 射频基准频率 中频频率或工作频率 射频基准频率 中频频率 8 22视频信号形式 视频信号形式 有三种 方位偏置形式 视频信号中心频率 方位偏置频率fbfb PRF 4 2BdBd 多普勒带宽 距离偏置形式 视频信号中心频率 距离偏置频率fbfb BB 信号带宽 正交形式 I Q 视频信号中心频率 0需2路视频信号 三种视频信号形式比较 SAR信号的二维频谱示意图 8 23采样频率 fS l采样频率 对接收机输出的视频信号进行采样和量化 即A D变换 采样频率fS就是A D变换器采样时钟的频率 l根据采样定理 要求fS 2fmaxfmax 信号最高频率或fS BB 信号带宽l采用正交形式 fS BB 信号带宽l距离向采样间隔 r 150 fS 米 fS以MHz为单位 r 150 fS 150 B r r 距离向分辨率 r rl采样频率fS大于信号带宽B和要求采样间隔 r小于距离向分辨率 r是完全等效的 l也可以对中频信号进行采样量化 但要求采样时钟频率很高 fS 2fI 为了使采样起始点对应的距离不变 采样时钟fS必须和PRF同步 采样时钟脉冲前沿和PRF脉冲前沿之间相对时间抖动必须很小 采样时钟与PRF的同步关系 lPRF由采样时钟fS经整倍数分频得到 可保证PRF和fS同步 否则可能会出现不完全同步的情况 造成回波采样起始时间相对于PRF前沿跳变 8 24采样点数N l采样点数N 一个脉冲的回波信号 一条距离线 采集的样本数 l记录信号的斜距成像带宽度 W N NP r式中NP 发射脉冲的采样点数 fS 脉宽l回波信号采样时间Tr Tr N fSl采样时间限制 Tr TPmin tTPmin 1 PRF max t 接收保护时间l采样点数限制 Nmax TPmin t fS 8 25量化位 bit 数 l量化位数 一个信号样本 采样点 量化为二进制数的位数 l量化位 bit 数决定量化后数字信号的最大动态范围 固定量化位数与信号动态范围的关系表l量化位 bit 数决定量化后数字信号数据率 采样量化数据率 fS bit数量化平均数据率 N bit数 PRF 理论值 实际很难做到 8 26输出数据率 lSAR输出数据率定义为 每秒输出的SAR数据的bit数 数据率的单位 位 秒 bps bits sec 兆位 秒 Mbps Mbits sec 字节 秒 Bps Bytes sec 兆字节 秒 MBps MBytes sec lA D量化数据率 fS A Dbit数l输出数据率 fS 缓存比 A Dbit数 压缩比 缓存比 输入时钟频率 输出时钟频率压缩比 输入bit数 输出bit数l最大缓存比 1 PRF Max N fS l为了电路简单 缓存比一般取整数 输出时钟可用输入时钟分频得到 同时可保证同步工作 也可异步工作 但同步工作更可靠 8 27数据压缩方法 lSAR回波数据的数据率很高 数据量很大 为便于传输和存储 需要降低数据率 减小数据量 所以通常要采用数据压缩技术 有以下数据压缩方法 l减少量化位数 直接减少A D变换位数 或从多位量化数据中固定取出较少的位数 例如 从8bit量化数据中只取其中高位4bit 这样做法与直接进行4bit量化是完全等效的 但A D变换芯片多为8bit量化的 没有4bit量化的 l分组自适应量化 BAQ 把数据分组 用每组的平均值和与平均值的差值表示该组各点的数据 由于差值较小 可用较少的bit数 分组多 精度高 量化误差小 但数据率高 分组少 数据压缩比大 数据率低 但量化误差大 l其他数据压缩方法 非线性量化等 目前尚较少应用 9SAR成像处理原理9 1SAR信号的距离向特性 lSAR距离向通常采用线性调频脉冲发射信号 l理想矩形包络线性调频脉冲信号 即点目标回波信号 其中rect t 为矩形函数 其定义为 rect t 1 2 t 2 rect t 0 t 2或 2 B 信号带宽 脉冲宽度 距离向压缩处理 l首先用参考函数 相位的共轭 与V t 相乘 把信号中的相位变成0 同相位 l然后在频域进行付里叶变换 得到时域的幅度图像函数为 距离向压缩处理 l点目标的功率图像为 上式就是点目标距离向的冲激响应函数 也就是图像 l冲激响应函数的半功率点为 l距离分辨率 线性调频信号脉冲压缩波形 距离向线性调频 距离向脉冲压缩波形 SAR信号的距离向特性 lSAR距离向回波是由线性调频脉冲组成的 lSAR距离向的成像处理就是脉冲压缩 做法是 首先用参考函数 线性调频信号相位的共轭函数 与信号相乘 把信号中的相位变成同相位 然后进行傅里叶变换 就得到图像 l所有目标回波信号的线性调频斜率完全相同 与目标的位置无关 向脉冲压缩处理用的参考函数只有一个 l在完全匹配滤波处理的情况下 距离分辨率只与信号带宽有关 与相位调制的形式无关 l固定形式的相位误差可在成像处理中通过修改参考函数将其消除 SAR信号的距离向特性 l点目标距离向的冲激响应函数 是Sinc2函数形式 l在无误差和不加权处理的情况下 对于理想的矩形线性调频脉冲 理论距离分辨率为 l在有误差和加权处理的情况下 距离分辨率为 l距离分辨率公式中 系数k与SAR系统的幅相误差有关 与成像处理加权有关 系数k的理论极限值为0 8859 以冲激响应主瓣 3dB处宽度定义分辨率 一般情况下 k 0 8859 9 2SAR信号的方位向特性 SAR方位向线性调频是由于雷达与地面目标之间的相对运动造成的 点目标的方位向回波信号 回波信号 点目标的方位向聚焦处理 l回波信号相位与雷达位置x是二次方关系 频率是线性调频l成像处理 回波信号进行相位加权 然后进行付里叶即得到图像 方位向线性调频 方位向聚焦波形 SAR信号的方位向特性 lSAR方位向回波也是由线性调频信号组成的 每一个点目标产生一个线性调频回波信号 整个方位向回波信号是无数个强度和位置不同的线性调频信号叠加组成的 lSAR方位向的成像处理就是方位向线性调频的压缩 通常称为聚焦 具体做法是 首先用参考函数 线性调频信号相位的共轭函数 与信号相乘 把信号中的相位变成同相位 然后进行傅里叶变换 就得到了图像 l在不同距离的点目标 方位向线性调频斜率不同 与距离成反比 所以对不同距离的点目标聚焦用的参考函数不同 与距离成反比 SAR信号的方位向特性 l方位向成像处理可以用全信号带宽作单视成像处理 也可以用部分信号带宽作多视处理 通常多用方位向多视处理 l幅度为矩形的理想情况下 点目标方位向的冲激响应函数是Sinc2函数形式 实际上有幅度加权 l通常雷达设备本身方位向的相位误差很小 可以忽略不计 回被信号方位向的幅相误差主要是天线方向图误差 天线指向误差 载机运动误差等造成的 并且不象距离向相位误差那样容易消除 所以影响SAR方位向分辨率的因素很多 对运动补偿要求教高 9 3距离徙动 l距离徙动包括距离弯曲和距离走动两部分 l距离弯曲是由于电磁波波前是球面 同一