侧视雷达成像PPT课件

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RadioDetectionAndRanging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 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 v 0 回波载频提高 反之 v 0 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 1991 7 171995 4 21 1992 2 11 1991 3 31 1995 11 28 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110Mbits S获取数据 洛杉机地区SEASAT图像 1978 SEASATImageofDeathValley 1978 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 ShuttleImagingRadar 苏丹西北部撒哈拉沙漠SIR A1981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 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 JetPropulsionLaboratory 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 47TB 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 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 60TB 为了获取INSAR数据 本次飞行严格重复4月的飞行轨道 用SIR C3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 785km侧视角 23 刈幅宽 100km波长 5 7cm工作波段 C极化方式 VV分辨率 30m ERS 1 1993年圣 路易斯安那州洪水期间ERS 1图像 ERS 21995 4 21发射25m分辨率C波段 波长5 6m极化方式 VV侧视角 23 亚利桑那州盆地ERS 2图像 1997 6 1 1997 1 12 1997 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 568km侧视角 35 刈幅宽 75km波长 23cm工作波段 L极化方式 HH分辨率 18m国家 日本 JERS 1 冰川上的火山口 RADARSAT分辨率10 100m工作波段 C极化方式 HH侧视角 20 50 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20世纪90年代以来SAR技术得到很大发展 获取了大量数据 2000年SRTM计划获取了全球80 地表三维数据 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 国内研究现状中科院电子所成功研制了机载双天线SAR系统 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 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 12 24颗 体积更小 能力更强的新型遥感侦察卫星组成 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 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 小型化 轻型化 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 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 真实孔径雷达 RAR 合成孔径雷达 SAR 侧视雷达 side lookingradar SLR 机载侧视雷达 side lookingairborneradar 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 RealApertureSide lookingRadar 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 距离分辨率在距离方向上能分辨的最小目标标的尺寸方位分辨率 距离分辨率 为什么斜距分辨率是脉冲宽度的一半 距离分辨率 斜距R 距离分辨率 斜距分辨率 为脉冲宽度 为光速 为雷达波侧视角 R与距离无关 要提高 R 需要减小 但是减小 会使雷达的发射功率下降 从而使回波信号的信噪比 S N 下降 造成图像质量下降 为此 采用脉冲压缩技术来提高 R 脉冲压缩技术 脉冲压缩技术 利用线性调频调制技术将较宽的脉冲调制成振幅大 宽度窄的脉冲的技术 经脉冲压缩后 振幅为原来的倍 脉冲宽度为倍 且随着f的提高 距离分辨率和S N也提高了 这也叫距离压缩 方位分辨率 定义 相邻的两脉冲之间 能分辩两个目标的最小距离 azimuthoralong trackresolution 方位分辨率 定义 相邻的两脉冲之间 能分辩两个目标的最小距离 式中 为雷达的波束宽度 L为雷达天线的孔径 R为雷达天线到地面目标的距离 要提高方位分辨率 需采用较短波长的电磁波 或加大天线孔径 或缩短观测距离 如要求方位向分辨率为25m 采用波长为5 7cm的微波 卫星高度为600km 侧视角40度 则天线尺寸应为1790m 这显然难以实现 二 合成孔径雷达 特点 距离向采用脉冲压缩技术来提高分辨率方位向通过合成孔径原理来改善分辨率 SyntheticApertureRadar 二 合成孔径侧视雷达 用一系列的小天线排成一个阵列 每个小天线之间的距离为d 总长度为Nd 对于每个天线 脉冲发射是同时进行的 接收时也是同时接收信号 这就如同真实孔径雷达一样 利用小天线作为单个发射接收单元 小天线随平台移动 在移动中选若干个位置 在每个位置上发射一个信号并接收来自地物目标的回波信号 记下回波信号的振幅和相位 当小天线移动一段距离后 将所有不同时刻接收的同一目标信号消除因时间和距离不同所引起的相位差 修正到同时接收的情况 就得到如同真实孔径侧视雷达一样的效果 二 合成孔径侧视雷达 不同时刻和位置接收的同一目标的频率不同 多普勒平移效应 随着时间增加 接收信号的频率降低 频率偏移对时间而言是线性的 反射脉冲可以认为是经过线性调制处理的 因此 将不同位置接收的同一目标信号 通过与频率偏移具有逆特性的匹配滤波器滤波调制 就得到目标的唯一像点 通过调制处理后 方位向上的分辨率得以提高 这种处理也叫做方位向压缩 成像原理 A 时刻 t1 成像原理 方位分辨率 由于合成孔径长度L等于真实孔径长度的天线能够照射到的范围 即 合成孔径雷达的方位分辨率为 合成孔径天线提供的有效角分辨率或波束宽度为 合成孔径雷达的方位分辨率与距离无关 仅与实际天线的孔径有关 天线愈短 分辨率愈高 雷达记录的是回波信号的幅度和相位在空间沿方位向和距离向的分布 它是一个不可视图像 必须经过光学处理才能形成可视的雷达图像 距离方向 方位方向 三 SAR的数字成像处理 三 SAR的数字成像处理 重建原理 通过距离压缩和方位压缩把距离方向和方位方向上分布记录的地面上一点的接收信号压缩到一点上 距离单元迁移改正 由于平台的移动 地面上一点到雷达天线的距离是以时间为自变量的二次函数 因此雷达在不同时刻和位置接收到的同一地面目标的信号不是在一条直线上 这种现象称为距离迁移 RangeMigration 重建处理时需要进行距离单元迁移改正 RangeCellMigrationCorrection 四 INSAR技术 干涉合成孔径雷达InterferometerSyntheticApertureRadar原理 在同一次飞行中 使用两个相隔一定距离的天线同时接收地面的回波合成孔径雷达干涉测量SyntheticApertureRadarInterferometry原理 多次对同一地区进行SAR成像 1 干涉合成孔径雷达 在SAR系统中安装两部间隔一定距离的天线 一部天线发射并接收信号 另一部天线只接收信号 两部天线接收的信号采用相同的多谱勒中心频率滤波成像 由于两部天线所接收的是同一地区反射回来的后向散射回波 但它们到达天线的距离不同 即所接收的回波信号相位不同 因而可以通过干涉获得干涉相位 由于干涉相位与SAR系统的波长 两天线的位置 入射角 地面高度有密切的关系 所以在得到干涉相位后就可以得到地面的高程信息 1 干涉合成孔径雷达 两部天线平行于飞行方向获取地面的影像并进行干涉处理的过程称为顺迹干涉 Along traceInterferometry 两部天线垂直于飞行方向获取地面的影像并进行干涉处理的过程称为横迹干涉 Across traceInterferometry 前者只能测定水平距离 而后者才能获得地面的三维信息 2 合成孔径雷达干涉测量 这是目前星载SAR中获取INSAR数据的唯一方法 在这种情况下 获取两幅图像的时间上有所差异 为避免由于时间差异引起不良效果 一般要求 时间间隔应尽量短 基线长一般不超过1000米 原理 多次对同一地区进行SAR成像 Part3侧视雷达图像的特性 一 侧视雷达图像的几何特性二 侧视雷达图像的色调特征 一 侧视雷达图像的几何特性 1 投影方式2 像点与地面点的坐标关系3 比例尺特性4 投影误差5 透视收缩与顶底位移6 雷达阴影 1 投影方式 投影方式 斜距投影 天线 Rs Rg b a B A 斜距Rs比地面距离Rg小 而且同样大小的地面目标 离天线正下方越近 在像片上的尺寸越小 1 投影方式 Slant rangescaledistortion Conversioncomparison 2 像点与地面点的坐标关系 F Leberl构像模型依据距离条件和零多普勒条件推导出来的像点和地面点之间的坐标关系模型 Konecny构像模型1988年在京都举行的国际摄影测量与遥感学会会议上 由G Konecny和W Schuhr提出的平距投影的SAR图像成像模型 其形式上接近于摄影测量的投影方程 3 雷达图像的比例尺 距离向上的比例尺主要与侧视角有关 随着侧视角的增大 图象比例尺变大 所以在图象上有近地点被压缩 远地点被拉长的感觉 飞行方向的比例尺是固定的 它取决于平台飞行的速度和胶片记录的速度 在记录回波信号时 如果雷达系统中采用延时斜距传播的时差 此时雷达图像显示的为地面距离 在平坦地区以平距显示的雷达图像上比例尺处处一致 4 投影误差 b a B h A y l 5 透视收缩与顶底位移 当雷达波束照射到位于雷达天线同一侧的斜面时 雷达波束到达斜面顶部的斜距和到达底部的斜距之差要比斜面对应的地面距离小 所以在图像上的斜面长度被缩短了 这种现象称为透视收缩 foreshortening 5 透视收缩与顶底位移 B A S R X 对于背向天线的地面斜坡也存在透视收缩 只不过斜面看起来被拉长当 90 时 会出现背坡的透视收缩现象 收缩比 5 透视收缩与顶底位移 steepmountainousterrain 5 透视收缩与顶底位移 当雷达波束到斜坡顶部的时间比雷达波束到斜坡底部的时间短的时候 顶部影像被先记录 底部影像被后记录 这种斜坡顶部影像和底部影像被颠倒显示的现象称顶底位移 顶底位移有时也称为叠掩 layover 5 透视收缩与顶底位移 Layovereffects 6 雷达阴影 Radarshadow Radarshadoweffects 6 雷达阴影 当 90 时 在斜坡的背后有一地段雷达波束不能到达 因此地面上该部分没有回波返回到雷达天线 从而在图像上形成阴影 阴影的影像在呈黑色 b a S h h sec 阴影的长度L与地物的高度h及侧视角 有如下的关系 二 侧视雷达图像的色调特征 地面目标在雷达图像上的色调取决于目标的回波功率 回波功率强 影像色调浅 回波功率弱 影像色调深 影响回波功率的因素雷达的发射功率天线功率增益雷达波长目标的微波散射特性极化方式 二 侧视雷达图像的色调特征 平台高度侧视角复介电常数雷达波长表面粗糙度目标类型极化方式 地面目标在雷达图像上的色调取决于目标的回波功率 回波功率强 影像色调浅 回波功率弱 影像色调深 影响雷达图像色调的主要因素 1 平台高度 平台高度的大小会影响微波在大气中传播路程的长短 从而会影响微波传输的透过率 微波传输会受到大气分子的吸收和散射的影响 从而产生衰减 微波衰减与平台高度H成正比 平台越高 同一目标的影像色调越深 2 侧视角 侧视角引起反射率变化侧视角小 反射率大 影像色调浅 侧视角与透视收缩 顶底位移及阴影有关侧视角大 发生透视收缩 顶底位移及阴影的可能性就大 随着侧视角的增加 方位向上的阴影效果被突出 会压盖许多地物而造成判读困难 3 复介电常数 复介电常数与物体导电 导磁性有关 复介电常数越大 反射雷达波束的作用就越强 穿透作用越小 复介电常数与物体含水量有关 含水量越大 复介电常数越大 因而色调浅 一般情况下 金属物体比非金属物体的复介电常数大 潮湿的土壤比干燥的土壤复介电常数大 4 表面粗糙度 光滑表面有时会发生镜面反射 如果雷达天线位于镜面反射的方向上 可以接收到很强的回波 图像上呈亮色调 雷达天线位于其它位置时 接收不到回波 影像呈深色调 粗糙的表面 发生方向反射或者漫反射 有较强的回波 影像的色调校浅 一般情况下 粗糙表面在图像上是亮色调 稍粗糙表面是灰色调 光滑表面影像呈暗色调 5 雷达波长 雷达波长可从两个方面影响目标的回波功率 第一 按波长去衡量地物表面的有效粗糙度 对同一地物表面粗糙度 波长不同 其有效粗糙度不同 对雷达波束的作用不同 第二 波长不同 复介电常数不同 复介电常数不同会影响到地物目标的反射能力的大小和电磁波穿透力的大小 6 目标类型 面目标 如草地或农田 它由许许多多同一类型的物质或点组成 这些物质或点的位置分布是随机的 它们接收的电磁波相位各不相同 而且其回波的