合成孔径雷达SAR

,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300MHz3GHz,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30GHz-300GHz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(SyntheticApertureRadar,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(RealApertureRadar)。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(SyntheticApertureRadar)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(StripmapSAR)，聚束式(SpotlightSAR)，扫描式(ScanSAR)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-580C/XSAR系统,美国NASA的AirSAR系统,空中SAR概况1.1951年,CarlWiley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ALOSPALSAR.9.2007年,德国发射TerraSAR-X10.2007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,通用原子航空系统（GA-ASI）公司已经在第1批次的MQ-1C“天空勇士”（SkyWarrior）无人机上试飞了改进型“山猫”（Lynx）合成孔径雷达（SAR）。,欧宇卫星见证北冰洋海冰覆盖面积,2005年至2007年间ENVISAT上的先进合成孔径雷达(ASAR)传回的北冰洋图像的合成，见证了海冰三年间的变迁。,解放军空中电子战机：图-154MD装合成孔径雷达,我国图-154MD上的合成孔径雷达的资料是保密的。该系统将采用双波段多极化、高分辨率及干涉SAR等三个方案中的一个，或综合其中两个，研制出实用化SAR系统。,中国航天科工集团公司二院23所研制第一部机载C波段合成孔径雷达(简称CSAR)。,中航工业雷电院展出SAR/GMTI机载雷达,Falcon100型SAR/GMTI机载雷达是高性能合成孔径雷达，可装备有人机或无人机，用于全天候/全天时条件下的空-地情报侦察监视、环境监测、灾害评估等。,1民用领域机载合成孔径雷达容易实现较高的分辨力。当然，对分辨力的要求要视具体的用途而定。通常民用距离和方位二维分辨力10m10m即可。二维成像合成孔径雷达民用领域有:（1）区域性(例如数十万平方公里)大面积小比例尺寸全貌图;（2）水文学应用(例如水灾区实时成像);（3）农作物监测和森林监测;（4）降雨量估计;（5）土壤含水量估计和冬季积雪面积判断;（6）大城市及其四周城镇的规划布局;（7）对地面岩石分析，可初步估计地下是否有石油或其它矿产资源;（8）能对考古作贡献，例如古城市遗迹、黄河故道等;（9）对海洋中船只监测和海难救援;（10）高纬度地区海洋中的冰层流动，并判定新生成易破冰层。为更准确满足上列某些要求，现代机载合成孔径雷达均采用多频段多极化的手段。,2军用领域合成孔径雷达在军事领域应用广泛，各类星载和机载合成孔径雷达成为监视、侦察的中坚力量。军用合成孔径雷达要求的分辨力高，带条成像1.0m1.0m，聚束成像0.3m0.3m。二维成像的主要军用领域有:(1)探测敌方纵深军情;(2)侦察敌方炮兵阵地、坦克和部队结集区;(3)侦察敌方较前沿机场和场内飞机类型;(4)侦察敌方交通枢纽，例如火车站及军港;(5)经过导弹或飞机轰炸敌方军事设施后评估敌方损失;(6)从地杂波中发现敌方运动目标。,合成孔径雷达的发展趋势,随着科学技术的发展，SAR技术正朝着能够为人们提供更广、更丰富的目标信息的方向发展。未来SAR技术发展的趋势主要有：高分辨率和超高分辨率成像；多波段，多极化，可变视角和多模式；能够产生目标三维图像的干涉SAR；动目标成像；实时SAR成像处理器。其中追求更高分辨率成像是SAR技术发展的核心。2000年2月，美国奋进号航大飞机顺利地实现了全球范围内的高精度三维成像，在全世界引起了小小的震动。当前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一D，它将是多频段(可能有4个)、多极化的星载成像雷达。另外，美国目前正在进行“发现者二号”天基雷达的研究。,纵观国外空间SAR的发展过程，随着需求的扩增和科学技术的发展，合成孔径雷达技术主要向以下几个方向发展：（1）未来的星载SAR将越来越多地使用多频段、多极化、可变视角和可变波束的有源相控阵天线，且向着柔性可展开的轻型薄膜天线方向发展；（2）未来的星载SAR将进一步向着超高分辨率和多模式工作方向发展；（3）干涉式合成孔径雷达技术将获得进一步的发展；（4）动目标检测与动目标成像技术将取得新的突破；（5）星载SAR的小型化技术和星座对地观测技术将受到更大的重视；（6）实时信号处理和先进的成像技术；（7）小卫星SAR和无人机SAR等。,聚束SAR聚束式工作模式,是指在SAR飞行过程中，通过调整天线波束的指向，使波束始终“聚焦”照射在同一目标区域。由于实行了“聚束”手段，增加了SAR在方位向的合成孔径时间，等效地增加了合成孔径的长度，根据SAR方位向的理论极限分辨率约为天线方位向尺寸的一半，由此可以提高SAR方位向的分辨率。显然，SAR以聚束模式工作时不能形成连续的地面观测带，但它获得的高方位分辨率在许多应用场合是非常有价值的。因此，聚束SAR技术应当得到重视。美国密执安环境研究所（ERIM）与空军共同开发的聚束SAR数据采集系统，可以在几百米到几千米区域范围，获得距离和方位分辨率均达到1m的高分辨率图像。ERIM与海军联合开发的P-3ASAR系统，方位分辨率达0.66m。美国Norden公司研制的APG-76（V）雷达以聚束照射模式工作时，方位分辨率可以达到0.3m。SAR实现聚束模式工作，需要解决几项关键技术：天线波束控制、运动补偿和高分辨率成像处理算法等。,小型化随着战场环境的变化，大卫星逐步暴露出一些明显的弊端，主要体现于造价高昂、维护不便、应急发射困难、战术保障和快速反应能力有限等等。随着航天技术的发展，特别是轻型天线技术、集成电路技术和固态电子器件技术等的发展大大降低了卫星的重量和体积，使性能高、体积小、重量轻和成本低的小星载合成孔径雷达卫星研制成为可能。集成电路和固态电子器件降低了中央电子设备的重量和体积，以可展开折叠网状天线技术和轻型相控阵天线技术为主的轻型天线技术发展大大降低了天线的重量，大幅度降低了卫星有效载荷的重量，从而降低了卫星整体和需带燃料的重量；另一方面高效率太阳能技术和电池技术的发展也相对降低了能源系统的重量，小卫星系统及其组网技术的发展改变了卫星的工作及使用模式，缩短了卫星系统有效载荷的工作时间，从而也减小了对能源系统的要求，进一步降低了卫星的重量和体积。与大卫星相比，小卫星的战场生存能力和快速反应能力要强得多，并已经发挥了一些作用。,多功能、多模式l978年美国发射的载有SAR的海洋卫星(SeasatA)为L波段、固定入射角，单一的HH极化，现在在轨或正研制的SAR卫星(或其他航天平台的SAR)很少仅固定入射角和单一极化。今天的天基SAR，特别是星载SAR正向着多模式、多频、多极化和可变视角波束，并具有地面运动目标显示和地面高程测量功能方向发展。多模式成像主要有条带、扫描(scanSAR)和聚束(spotlight)3种工作模式。扫描scanSAR)。工作模式要求波束在距离向的快速扫描，一般采用电扫描的方式。通过改变雷达收发的极化方式，可获得HH、VV、HV和VH(H为水平极化，V为垂直极化)不同极化的图像。不同频率下目标的散射特性不同，同时获取目标的多频信息，有助于目标分类与识别。欧洲的TerraSAR就是X与L2个频段，L频段的穿透性强。天基星载合成孔径雷达可通过立体像对方式或干涉SAR(InSAR)的方式获得地面的高程信息。,合成孔径雷达的原理,雷达成像侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面,发射一个窄的波束,覆盖地面上这一侧面的一个条带,然后接收在这一条带上地物的反射波,从而形成一个图像带。随着飞行器前进,不断地发射这种脉冲波束,又不断地接收回波,从而形成一幅一幅的雷达图像。雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。,雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。,遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来,多普勒效应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,1.观察者静止，波源相对于媒质运动,波源以速度vs接近观察者经过时间T（波周期）：B点接收到的声波波长为频率为,波源运动速度vs背离观察者波长和频率分别为,上面推导用到的一个事实：波源相对观察者运动时，声波的传播速度是不变的。,2.波源静止，观察者相对于媒质运动,观察者以运动速度vo接近波源相当于声波传播速度变为v+vo，而波长不变则可获得接收到的频率表达式：,观察者以运动速度vs远离波源,S,B,上面推导用到的一个事实：观察者相对波源运动时，声波的波长是不变的。,3.波源、观察者均相对于媒质运动,波源以速度vs、观察者以速度vo互相接近相当于声波传播速度变为v+vo，则可得到接收到的频率表达式：,结果为前两种情况的结合,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（Dopplereffect）。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。,雷达发射电磁波频率为f0，卫星与被观测点之间存在相对运动，相对速度w等于卫星速度矢量w在波束方向上的投影：被观测点所接收的电磁波频率f为到达被观测点的电磁波以频率f散射，一部分被雷达接收。由于相对运动，此时被观测点成为波源。雷达接收到的回波频率f为,波束指向卫星前下方：,多普勒效应在合成孔径雷达上的应用,合成孔径原理,波束指向卫星后下方：,多普勒频率：由相对运动引起的接收频率和发射频率之间的“差频”,方位分辨率,又w/c1,多普勒频率的微分：,若以表示多普勒频率的分辨率，表示方位角分辨率,根据离散数据的谱估计理论可知，频率分辨率由采样长度决定，等于采样长度的倒数。因此，多普勒频率的分辨率|可以通过采样时间长度tS近似地表示为,：整个采样时间ts内卫星移动距离,方位方向,飞行方向,r,SAR,距离方向,合成孔径雷达的方位分辨率：,真实孔径雷达的孔径尺度D与2XDsin具有相同的作用，等同于通过合成孔径技术取得了一个比较大的天线孔径,距离分辨率,S：卫星：入射角SC：卫星与探测点之间的距离AB：距离分辨率，用y表示,根据直角三角形各边的关系，y与线段EB有关，,为了分辨A点和B点，从这两点返回的电磁波束不能重合，这就要求EB的长度大于或等于脉冲宽度的一半。,线段EB和脉冲持续时间的关系为,距离分辨率与脉冲持续时间成正比，与入射角成反比:脉冲持续时间越短，距离分辨率越高；反之越低入射角越大，距离分辨率越高；反之越低,合成孔径雷达是一种高分辨率成像雷达,所谓高分辨率包括两方面的含义:即高的角分辨率(方位向分辨率)和足够高的距离向分辨率SAR采用综合孔径原理提高雷达的角分辨率;而距离向分辨率的