合成孔径雷达,遥感原理与应用ppt课件

合成孔径雷达原理方法与应用,张继超,测绘与地理科学学院,内容提要,1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点,1合成孔径雷达（SAR）的基本概念,雷达(Radar)RadarRadioDetectionandRanging无线电探测和测距合成孔径雷达(SAR)SARSyntheticApertureRadar合成孔径雷达,雷达是主动遥感，一般工作在微波（射频）波段，可分为成像雷达和非成像雷达。成像雷达又可分为真实孔径雷达（RAR，SLAR，也叫机载侧视雷达）和合成孔径雷达（SAR）。合成孔径雷达分类：条带式，Stripemap；扫描式，ScanSAR；聚束式，SpotlightMode；干涉式，Interferometry；逆合成孔径，InverseSAR；斜视，Squint；地面动目标指示，GMTI，GroundMovingTargetIndicator.,合成孔径雷达（SAR）的基本概念,常用雷达遥感波段表,合成孔径雷达（SAR）的基本概念,雷达遥感波段,地球资源应用中的常用波段：X，C，L波长增加，穿透能力增加。在晴朗天气状况下，大气对于波长小于30mm的微波略有衰减。随波长减小，衰减增大。波长小于10mm时，暴雨呈现强反射（用于机载天气探测雷达系统）,雷达遥感波段,ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。C波段可以用来对海洋及海冰进行成像，而L波段可以更深地穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用。,较长的波长可以穿透的更深，在冠层、树干及土壤间发生多次散射。,合成孔径雷达（SAR）的基本概念,SAR原始数据及其相应的SAR图像（北京颐和园2009.9RADARSAT-2）,合成孔径雷达（SAR）的基本概念,SAR图像及其相应的光学影像（北京颐和园2009.9RADARSAT-2；2009.6QuickBird）,合成孔径雷达（SAR）的基本概念,同一地区的光学图像（云的干扰严重）与SAR图像,机载SAR系统,1978SeasatLHH,1981,SIR-ALHH,1984,SIR-BLHH,1994,SIR-C/X-SARL,CQudPol,XVV,2000,SRTM,InSARCWideSwathXnarrow,HiRes,1990,Magellan,1991,ERS-1CVV,2002,ENVISATASARC,Mutli-POL,1996,ERS-2CVV,2007,COSMO-SkyMed,10,CCRS,Canada,NASDA,Japan,1992,JERS-1,LHH,2007,12Radarsat-2,CQudPol,1996,RADARSAT-1,CHH,2006,ALOS-PALSAR,L,Multi,Pol,2007,TerraSAR,星载SAR系统,内容提要,1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点,2SAR的基本原理与方法,侧视雷达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。,侧视雷达工作原理,电磁波在空间中的传播速度c是一定的,当雷达在时间t1发射出一个窄脉冲,被目标反射后,在时间t2返回,则目标地物的距离为:(t2-t1)c/2,脉冲宽度,发一个脉冲,陆续收到一连串回射,而且回射的特性随地物不同而异,飞行方向,侧视雷达工作原理,A：飞行方向B：天底nadirE：方位向azimuthflightdirectionD：距离向lookdirectionC：扫描宽度,有关术语（1）,A:入射角incidenceangle;B:视角;C:斜距Slantdistance;D:地距Grounddistance;,有关术语（2）,A:近射程nearrangeB:远射程farrange,有关术语（3）,在侧视方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力)Pg=c/2cos脉冲持续期（脉冲宽度，时间s)，俯角，c光速。,越大，Pg越大，分辨率越低【距离越近，距离向分辨率越低】,理论上讲,斜距分辨率等于脉冲宽度的一半,距离分辨率,有关术语（4）,计算示例：设俯角50,脉冲宽度0.1s则距离分辨力Pg=0.50.110-6(s)2.998108(m/s)/cos50=0.50.12.998/0.642788100=23.2m,Pg=0.5ccos,距离分辨率,有关术语（5）,距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。,沿航线方向的分辨率ra=R波束宽度，R天线到该像元的倾斜距离=/L,波长，L天线长度ra=(/L)R天线越长，ra越小，方位分辨率越高,有关术语（6）,方位分辨率,计算示例：设卫星天线孔径D=4m,波长=3cm,距目标地物200km,则方位分辨力若要求方位分辨率达到3m,则天线孔径需2000m。（这是不可能的）,距离分辨率,有关术语（7）,ra=310-2(m)/4(m)200103(m)=1500m,ra=(/L)R,提高距离分辨率和方位分辨率的方法：1）采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度；2）用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。,合成孔径雷达,侧视雷达工作原理,2SAR的基本原理与方法,合成孔径雷达合成孔径雷达（SAR），也是侧视雷达。基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地面的实际影像。,合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辨率为:Rs=(/Ls)R由于天线最大的合成孔径为:Ls=Ra=(/D)R则有Rs=D由于双程相移,方位分辨率还可提高一倍,即：Rs=D/2式中，：波长；D：雷达孔径；R：斜距。由此可知，方位向的分辨率与距离无关，所以，即使从卫星的高度上也可以获得高分辨率的图像。,合成孔径雷达工作原理,合成孔径雷达工作原理,理论计算表明：合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：Pa=l/2l为天线长度,斜距图像的比例尺变化,A、B、C为三个长度相等的线性地物。,SAR图像的几何特征,斜距图像和地距图像的比较,雷达图像变形：距离向,SAR图像的几何特征,地距图像与斜距图像,SAR图像的几何特征,斜距图像,地距图像,地形畸变,透视收缩foreshortening山体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亮度；坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。,叠掩(Layover)：当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，因此，在图像的距离方向，山顶和山底的相对位置颠倒；收缩度：坡顶的收缩度比坡底大,阴影(Shadow)：当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时，没有回波信号产生，图像上出现暗区。,SAR图像的几何特征,透视收缩示例：,SAR图像的几何特征,C波段ERS-1侧视角：23,L波段ERS-1侧视角：36,侧视方向,中等入射角，透视收缩明显。,叠掩示例：,SAR图像的几何特征,侧视方向,小入射角，叠掩明显。,阴影示例：,SAR图像的几何特征,侧视方向,大入射角，阴影严重。,与光学图像的比较,SAR图像的几何特征,光学影像,雷达影像,侧视方向,雷达方程,其中Pt：发射功率(发射机到天线)Pr：接收功率(天线到接收机)R：作用距离(天线到目标)：工作波长G：天线增益(发射机或接收机)：雷达散射截面积,雷达方程描述了雷达系统、散射体和接收信号三者之间的基本关系：,SAR数据处理方法辐射校正斑点噪声抑制几何校正干涉处理,2SAR的基本原理与方法,SAR校正的一个重要方面是辐射校正，也就是把SAR图像像元值与场景的雷达后向散射系统定量地关联起来。经过校正的SAR图像应当具有逐日逐帧的可重复性，具有图像帧内和各通道之间的稳定性，并且具有已知的、合理的精度。对SAR校准的要求：达到1dB的绝对精度，0.5dB的长期相对校准精度和优于0.5dB的短期相对校准精度。对于极化SAR图像的校准要求是：极化通道在幅度上的失衡小于0.4dB，相位失衡小于10，通道之间的串扰小于-30dB。,辐射校正,在观测扩散面目标的回波信号中，相同地物的回波因为相位的随机分布而不同，那些回波功率衰减到远低于平均值电平的像素亮度很低，在图像上就表现为黑点；那些回波功率增强到远高于平均值电平的像素亮度很高，在图像上表现为亮点。,SAR图像斑点的形成机理,斑点噪声抑制,SAR斑点抑制目标：在保持尽量多的图像细节信息同时达到最好的斑点抑制。,斑噪抑制目标及主要方法,当需要确切获取SAR影像上地物特征的空间位置信息时，或需要对多时相、多源信息进行综合分析时，必须对SAR影像进行精确的几何校正处理。,几何校正,光学近似模型的SAR几何精确纠正共线方程G.Konecny公式正射纠正由数字摄影测量学界发展的基于雷达共线方程的方法。这种方法通常基于简化的雷达成像几何关系建立SAR共线方程。行中心投影公式正射纠正,基于成像模型的SAR几何精确纠正R-D模型正射纠正由SAR图像处理算法及系统开发领域专家提出的基于距离多普勒（RD）定位模型的方法，这种算法完成从SAR成像机理出发，和SAR的信号处理过程有机结合，已经成为通常SAR处理器都具备的标准SAR图像产品生产方法。基于SAR模拟成像的正射纠正,几何校正,图像的几何粗校正地球自转、曲率、卫星姿态的校正斜距-地距改正利用地面控制点拟合变换公式近似进行简单校正Doppler方程独立于卫星姿态并可以消除地球自转、曲率的影响斜地变换仅是视觉上的变换SAR的斜距图像是时间上的等间隔采样地距图像是等距离间隔的采样,几何校正,斜地变换,列间隔7.9米,行间隔3.9米,卫星,斜距,地距,几何校正,斜地变换（续）,重采样,几何校正,斜距图像,地距图像,几何校正,多项式纠正,共线方程G.Konecny公式正射纠正,几何校正,处理流程根据SAR头文件的星历信息计算卫星轨道数据，并按照坐标变换关系将卫星轨道坐标、控制点坐标、及DEM数据转换到同一坐标系（椭球割面坐标系）中。利用控制点坐标像素值与地理坐标值之间的对应关系，组建正射纠正模型。对正射纠正模型进行线性化，通过采用线角元素分开、岭估计等方法确定正射模型中的各待定参数值。依据输出图像的图幅范围，按照指定的输出像元的大小，计算DEM范围内各点的地理坐标所对应的像素坐标。利用得到的像素坐标在待纠正中的SAR影像中通过采样（最邻近差值或双线性差值）求出地面控制点其地理坐标值处所对应的像素灰度值。正射图像生成。,几何校正,去平地效应,干涉纹图,高精度配准,辅图像SLC,主图像SLC,DEM,相位解缠,地理编码,算法流程简图,热点,干涉处理,内容提要,1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点,SAR的应用领域地物分类与地图制图获取地形高程信息DEM监测地表微小形变火山，地震，滑坡，冰川等监测灾害防治、评估与应急抗灾,3SAR的应用领域和优势,a原始影像,b对影像进行分割,d决策数分类结果（96%）,极化SAR高精度自动分类,c分类参数,SAR的应用领域,获取地形高程信息DEM,SAR的应用领域,地物变化监测,SAR的应用领域,Landers地震监测（Science）,SAR的应用领域,InSAR进行滑坡监测,SAR的应用领域,堰塞湖监测,SAR的应用领域,热带雨林监测,SAR的应用领域,南极冰川运动速度计算,SAR的应用领域,火山监测,SAR的应用领域,与光学遥感相比，SAR具有如下优势: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干涉测量能力多极化观测能力,3SAR的应用领域和优势,SAR的优势,内容提要,1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点,4SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之干涉高程测量,4SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之高分辨率高分辨率带来工作模式的变化：20世纪90年代后期之后研制或计划研制的星载SAR基本上都具有多种工作模式；继条带式、SCANSAR、多极化模式之后，干涉、GMTI、全极化、聚束、多波束和多频等工作模式也将成为以卫星为载体的星载SAR的工作模式之一；在多种工作模式中一般要具有：适合全球覆盖和发现目标的“低分辨率、宽测绘带模式；适合识别目标的“高分辨率，窄测绘带”模式。,4SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之小型化,4SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之多极化,4SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之多时相高时间分辨率（多时相）：又称为重复观测周期，是指相邻两次观测同一目标地区的时间间隔；理想的时间分辨率是实时观测，现实的是近实时观测；对于单颗星，在600700公里的轨道高度，若测绘带宽500600公里，对于特定的地区，时间分辨率可以达到5天；通过卫星组网可以显著提高时间分辨率。如DISCOVERII使用24颗星组网，时间分辨率提高到15分钟。,4SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之运动目标检测运动目标检测：发展多通道SAR；应用：军事运动目标检测；洋流监测。,运动目标检测（德国E-SAR）,4SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之多波段为什么要使用多波段？SAR测量的是目标的后向散射系数，而目标的散射系数是随频率变化的；多频测量可以获得更加丰富的信息，有利于目标的分类和识别；单波段的SAR只能适合部分类型的目标观测，多波段SAR可以适用于对更多类型目标的观测；通过多频测量，还可找出各种应用情况下的最佳测量频率。多波段的实现方式：在一可卫星上配置多波段的SAR，实现真正的多波段测量，如：SIR-C/XSAR、LightSAR、IRS-3和Almaz-1B等；在不同的卫星上配置不同波段的SAR，实现近似的多波段测量，如：TerraSAR。,4SAR的发展方向与研究热点,SAR的研究热点之极化干涉SAR极化SA