第12章课件 第十二章 合成孔径雷达 （Synthetic-Aperture Radar） 卫星海洋学 PPT.ppt

第十二章合成孔径雷达（Synthetic-ApertureRadar）,12.1合成孔径雷达简介（IntroductiontoSyntheticApertureRadar）12.2合成孔径雷达的原理（PrincipleofSynthetic-ApertureRadar）12.3合成孔径雷达的应用（ApplicationofSAR）,当合成孔径雷达对地球表面扫描的时候，雷达波束（radarbeam）达到地面，经后向散射（backscatter）返回的电磁波被雷达接收。接收后的信号经过数字化处理变成数字资料（digitaldata），这些数字资料包含着被探测点的斜率（slope）和粗糙度（roughness）信息。每个探测点的数据代表一个像素（pixel=pictureelement），许多像素合成一个二维图像（image）。,测量原理是微波与满足条件的海面微尺度波浪的布拉格共振散射。,12.1.1加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达（CanadasRADARSAT&OnboardSAR）,加拿大的雷达卫星（RADARSAT）采用圆形、太阳同步轨道，经过“降轨点”（descendingnode）的当地时间是18:00左右，卫星飞行高度（altitude）是798km，轨道平面的倾角（inclination）是98.6，轨道周期（orbitperiod）是100.7minutes，每天运行14又7/24个轨道周期，循环周期（recurrentperiod）是24days，子循环周期（sub-cycles）是7days和3days，全球覆盖（globalcoverage）的再访问时间（revisittime）是4或5days，北美洲覆盖的再访问时间（revisittime）是3days。,加拿大的雷达卫星RADARSAT携带的合成孔径雷达对地面扫描的五种方式。RADARSAT携带有C波段5.3GHz水平极化的合成孔径雷达.标准工作方式下，它的刈幅是100km，距离分辨率是25m，方位分辨率是28m，入射角范围是2049。在宽视场工作方式下，它的刈幅是150km，三种距离分辨率分别是35m、27m和23m，方位分辨率是28m，入射角范围是2045。在精细分辨率工作方式下，它的刈幅是50km，距离分辨率是89m，方位分辨率是9m，入射角范围是3549。在狭窄扫描工作方式下，它的刈幅是300km，距离分辨率是50m，方位分辨率是50m，入射角范围是2040或3246。在宽扫描工作方式下，它的刈幅是500km或440km，距离分辨率是100m，方位分辨率是100m，入射角范围是2050。在扩展的高入射角工作方式下，它的刈幅是75km，距离分辨率是25m，方位分辨率是28m，入射角范围是5060。在扩展的低入射角工作方式下，它的刈幅是75km，距离分辨率是25m，方位分辨率是28m，入射角范围是1020。,图12-2显示了在500km刈幅的宽扫描工作方式（SCANSARWideMode）下，RADARSAT星上合成孔径雷达（SAR）在一天内的地面扫描覆盖。,图12-3显示了RADARSAT星上合成孔径雷达（SAR）1998年9月29日监测到的溢油在海表面分布图像（上图）和机载侧视雷达SLAR（Side-LookingAirborneRadar）的准同步监测图像（下图）,12.1.2欧空局的环境卫星和高级合成孔径雷达,欧洲环境卫星ENVISAT-1最主要的传感器是C波段5.3GHz多极化的高级合成孔径雷达ASAR与欧洲遥感卫星ERS1/2携带的合成孔径雷达SAR相比，ENVISAT-1携带的高级合成孔径雷达ASAR具有多极化、可变观测角度和宽幅成像等独特性质。五种工作模式：1）成像模式,可以提供七种不同入射角的图像2）交互极化模式,提供同一地区的两种不同极化方式的图像，用户可根据需要从以下三种极化方式组合中选择：VV和HH，HH和HV，VV和VH。3）宽刈幅模式4）全球探测模式5）波浪模式在上述五种工作模式中，高数据率的成像模式、交互极化模式和宽刈幅模式可提供其它国家的各地面站接收，低数据率的全球探测模式和波浪模式仅供欧空局的地面站接收。表12-1显示了欧洲环境卫星ENVISAT-1携带的高级合成孔径雷达ASAR五种模式的工作特性。12-2显示了成像模式提供的七种不同图像的幅宽/卫星与星下点距离和入射角等信息。,中科院遥感卫星地面站可以接收和提供普通成像模式/交互极化成像模式和宽刈幅成像模式的Level0和Level1B产品。图12-4显示了ENVISAT-1于2003年12月11日01:57:02以VV极化方式和普通成像模式探测的辽宁省丹东市鸭绿江入海口图像。,12.2合成孔径雷达的原理（PrincipleofSynthetic-ApertureRadar）,12.2.1多普勒效应（DopplerEffect）12.2.2方位分辨率（AzimuthResolution）12.2.3距离分辨率（RangeResolution）12.2.4真实孔径侧视雷达SLAR（Side-LookingApertureRadar）,12.2.1多普勒效应（DopplerEffect）,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。,对于雷达，由脉冲持续时间或者等价地说脉冲宽度确定的距离分辨率是(12-1)由多普勒效应产生的方位分辨率是(12-2)式中XD代表卫星在整个采样时间内移动的距离（distance），与真实孔径雷达的方位分辨率比较，我们发现公式（12-2）中的分母2XDsin和真实孔径（aperture）D作用一样；所以，依据多普勒效应原理工作的雷达被称为合成孔径雷达SAR（SyntheticApertureRadar）。依据多普勒效应和脉冲压缩技术，合成孔径雷达可以具有很高的地面分辨率。因为卫星到探测点的距离r在海面的投影与y平行，所以y称为距离分辨率。x近似地等于方位角分辨率与卫星到探测点的距离r的乘积，因此被称为方位分辨率。,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（12-3）图12-5给出了阐述多普勒效应的示意图。第一种情况是观察者静止.,假设波源以速度vS由S向B做匀速直线运动，在前方一个波长位置B点有一个固定的波接收装置。首先，波源在位置S发出频率为f和波长为的一个波；经过T=1/f的时间以后，波源前进到位置S。这里T是波的周期（12-4）当波前以速度v达到B点的时候，波源以速度vS达到了位置S。此时，B点接收到的声波波长为（12-5）因此，在B点接收到的波动频率f是（12-6）由于ff，故在B点接收到的波动频率比波源发出的频率要高。当波源以速度vS由S点背向B做匀速直线运动时，用同样的方法可以导出（12-7）这时在B点接收的波动波长变长，对应频率f有所降低。,第二种运动是波源不动，而位于B点的接收装置以速度vS向着波源做匀速直线运动。这相当于波动的传播速度增加，变为v+vS。这样，虽然波源发出的频率保持不变，但是接收装置接收到的波动频率变为（12-8）因此，接收装置接收到的频率比波源发出的频率要高。当B点的接收装置以速度vS背向波源运动时，同样可知接收到的波动频率f为（12-9）即接收的频率f低于波源发出的频率f。由此可见，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。,安装在卫星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球表面发射频率为f0的电磁波。卫星与被探测点之间存在相对运动，卫星与被探测点之间的相对速度w等于卫星飞行速度矢量w在波束方向上的投影，即（12-10）在探测点所接收的电磁波频率f为（12-11）式中c是电磁波的传播速度。由于海表面的镜面反射和后向散射作用，达到探测点的电磁波以f的频率向周围的空间进行散射，其中有一部分能量返回到卫星上，被雷达所吸收。由于此时卫星与探测点仍有相对运动，只是探测点变成了波源。因此，雷达接收到的回波频率,又不同于被探测点散射的频率f，根据公式（12-8），可以获得（12-12）将公式（12-11）代入（12-12），可获得雷达接收到频率f与雷达发射频率f0之间的关系，即（12-13）由上式可见，波束指向卫星前下方时ff0，即雷达接收的频率高于发射的频率。同样可以得出，当波束指向卫星后下方时，接收频率f低于发射频率f0。,合成孔径雷达SAR观测陆地和海洋的示意图,12.1.3合成孔径雷达的分辨率,因为卫星到探测点的距离（range）r在海面的投影与y平行，所以y称为距离分辨率。方位角（azimuthangle）代表卫星飞行方向与观测方向之间的夹角；是方位角分辨率,x近似地等于方位角分辨率与卫星到探测点的距离r的乘积，因此被称为方位分辨率.,与合成孔径雷达观测陆地和海洋的几何学有关的变量,y：由雷达脉冲宽度确定的海面的距离分辨率（单位是m）（rangeresolutiononthesurfacedeterminedbypulsewidth）x：由多普勒效应产生的方位分辨率（azimuthresolution）（单位是m）（azimuthresolutiononthesurfacegeneratedbyDopplereffect）r：从卫星到探测点的距离（单位是m）（rangefromsatellitetothedetectedarea）c：电磁波的速度即光速（单位是ms-1）（velocityoflight）：雷达脉冲持续时间（单位是s）（radarpulseduration）r=c：雷达发出的脉冲宽度（单位是m）（pulsewidthtransmittedbyradar）：雷达波束与垂直方向之间的夹角，即入射角（incidenceanglemeasuredfromvertical）：雷达波束与卫星飞行方向之间的夹角，即方位角（azimuthangleofradarbeamfromsatellitemovingdirection）：方位角分辨率（azimuthangleresolution）：被散射的雷达信号的多普勒频率（单位是Hz）（Dopplerfrequencyofscatteredradarsignal）D：天线的孔径（apertureofantenna）,12.2.2方位分辨率（AzimuthResolution）,由相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的“差频”，通常被称为多普勒频率（Dopplerfrequency）。使用来表示多普勒频率（Dopplerfrequency）（单位是Hz），则有（12-14）由于电磁波的传播速度c远大于卫星相对海表面被探测点的运动速度w，在公式（12-14）中w/c1，所以可忽略不计。所以（12-15）式中是雷达发射的电磁波波长；是方位角（azimuthangle），即雷达波束与卫星速度w之间的夹角；卫星相对海面上探测点的运动速度w=wcos,公式（12-15）表示了多普勒频率与方位角之间的关系。使用方位角的微分来表示多普勒频率的微分，有（12-16）如果我们使用代表多普勒频率的分辨率，使用代表方位角分辨率，那么，方位角分辨率（azimuthangleresolution）可近似表示为（12-17）频率分辨率由采样长度决定，频率分辨率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（samplingperiod）tS近似地表示为(12-18)物理解释:例如，如果采样时间长度tS=1秒，即我们只在1秒钟的时间内采集了数据，那么，可分辨波动的最大周期是1秒钟；换句话说，可分辨波动的最小频率是=1赫兹。因为我们仅仅采集了1秒钟的数据，我们不可能分辨出更长周期的波动，譬如周期为10秒的、频率为1/10赫兹的波动，因为采样时间长度确定了分辨率。,将（12-18）代入到（12-17），我们获得(12-19)使用XD=wtS表示在整个采样时间tS内卫星移动的距离，则方位角分辨率（azimuthangleresolution）变为（12-20）在推导的最后一步，我们获得了合成孔径雷达的方位分辨率（azimuthresolution），即(12-21),XD=wtS表示在整个采样时间tS卫星移动的距离。比较两个公式可以发现2XDsin和真实孔径D在各自公式中的作用相同，这等同于通过合成孔径技术取得了一个比较大的天线孔径。合成孔径技术意味着依据多普勒效应，通过雷达沿其路径运动而构成孔径非常大的雷达。多普勒频率的电磁波携带着地球表面粗糙度的信息，而且这些地球表面信息具有比传统雷达更高的空间分辨率。,波长为50mm1m，高度为750km，d100m，D375-7.5km,12.2.3距离分辨率（RangeResolution）,图12-6显示了雷达的距离分辨率（rangeresolution）的推导示意图。如图所示，S是卫星，是入射角，线段SC代表卫星与探测点之间的距离（range），线段AB代表沿雷达波束在地面的投影方向上能够分辨的最小距离，我们称之为距离分辨率（rangeresolution），并使用y表示之。,子波束相遇是干涉加强和布喇格共振的前提条件，为了保证返回的子波束有相遇和重叠的机会，当一个雷达波束脉冲的尾部到达A点开始返回时，它的前部必须已经从B点返回并且已经到达E点。若线段EB的二倍长度等于脉冲宽度，上述条件则得到满足。否则，在线段AB内各点返回的子波束不能相遇。,距离分辨率y与脉冲宽度r=c成正比。脉冲持续时间越短，脉冲宽度r越窄，距离分辨率y越细。窄的脉冲宽度r是通过使用脉冲压缩技术实现的。距离分辨率y还与入射角成反比。入射角越小，距离分辨率y越粗。为了提高距离分辨率，必须侧视扫描，尽量保持一个较大的入射角。,依据多普勒效应和脉冲压缩技术，合成孔径雷达可以具有很高的地面分辨率。,12.3合成孔径雷达的应用（ApplicationofSAR）,12.3.1一般介绍（GeneralIntroduction）12.3.2海浪的方向谱（DirectionalSpectrumofOceanWaves）12.3.3海面风（SeaSurfaceWind）12.3.4内波（InternalWaves）,合成孔径雷达（SAR）是一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向散射信号，能产生标准化后向散射截面（NRCS）的图像。标准化后向散射截面（NRCS）携带着海面信息，它反映了雷达观测到的海面粗糙度。这种图像能极为详细地显示出海面空间细节的变化，其分辨率为几米到几十米的量级。此外，由于合成孔径雷达（SAR）工作在微波波段，即使在黑夜也能正常工作，它发射的微波还可以穿透云层，因而不受恶劣天气的影响。这种全天候、全天时和高分辨率的海洋观测优势是可见光和红外传感器及其它微波传感器所没有的。对于海洋遥感来说，海面的粗糙度是影响雷达波束后向散射的主要因素。雷达所测量的海面粗糙度是由几厘米到几十厘米的表面张力波和短重力波引起的。合成孔径雷达（SAR）对海洋学家感兴趣的任何海洋特征或现象（如风、流、海浪、锋面、海面油膜、涡旋、内波和水下地形等）的成像能力取决于这些特征或现象以各种不同方式改变海面粗糙度的程度。这为合成孔径雷达（SAR）的海洋应用开辟了新的领域，同时也促使人们对上述现象的成像机制进行广泛深入的研究。所有这些努力使得合成孔径雷达（SAR）的海洋遥感成为卫星海洋学的一个十分令人感兴趣的方向。合成孔径雷达（SAR）可以测量海浪的方向谱、海面风场、内波，还可以监测海冰移动和海面油膜。,根据布喇格共振散射理论，合成孔径雷达（SAR）接收到的海面后向散射信号与海表面上满足布喇格共振散射条件的毛细重力波的方向谱成正比，所以它能够观测海表面有毛细重力波代表的海面粗糙度，并可反演产生毛细重力波的海表面风速。因为海面油膜改变了海表面张力，而海表面张力是毛细重力波的主要恢复力，所以在海面油膜出现的海域毛细重力波难以生成，表面粗糙度减少，合成孔径雷达接收到的信号将减弱，SAR图像将显示暗区域。在海流出现的海域，海流对毛细重力波的调制会使风生毛细重力波减弱，这样SAR图像也显示暗区域。当内波出现的时候，在辐聚带海面生物膜的聚集使海表面张力减弱，在辐散带深层干净海水的上升使海表面张力加强，这些都在SAR图像产生或明或暗的条纹，从而显示出内波。海浪引起的海水流动（海水质点的长波轨道速度）对毛细重力波有调制作用，在SAR图像留下长波海浪的踪迹，所以合成孔径雷达还能够观测海浪方向谱。,12.3.2海浪的方向谱（DirectionalSpectrumofOceanWaves）,图12-8显示了合成孔径雷达（SAR）观测到的方向谱S（,）的一个例子，这里代表海浪的波长，代表某波浪分量的方向（例如以北向为参照物）。,海浪的研究对海上经济和军事活动具有十分重要的意义。可以用一个二维方向谱描述海浪，某时某地的海浪场的所有统计特征均可以从海浪的方向谱获取。星载合成孔径雷达（SAR）能实现多波段、多极化、多方位、多俯角观测海浪，进而提供大范围、高精度的动态海浪场信息和二维海浪方向谱数据。二维海浪谱的测量资料有助于对海浪这种复杂的随机过程的内部物理结构和外在的统计特性的全面研究，可以为港口、海岸工程以及海上石油平台建设提供有用信息，例如波长、波高、波向等相关参数。SAR在海洋学中的主要应用之一就是对海浪的研究，合成孔径雷达（SAR）能提供任何其它技术手段不能获得的关于海浪场的空间数据。毫无疑问，它能对海浪成像并给出符合实际的波长估算值。然而，对于海浪是否能够被成像，什么方向，多长波长的海浪适于合成孔径雷达（SAR）成像，图像中的海浪与实际海浪有多少差别等问题的认识是不易通过现场观测来验证的，合成孔径雷达（SAR）的海浪仿真遥感研究因此成为解决这一问题的重要手段。,海浪引起的海水流动（海水质点的长波轨道速度）对毛细重力波有调制作用，在SAR图像留下长波海浪的踪迹，所以合成孔径雷达还能够观测海浪方向谱。,SAR对海浪的成像三种调制机制：1）短波和长波的流体力学相互作用对布拉格共振散射波的调制，为流体力学调制；通常近似为线性过程；2）长波波面引起雷达入射角的变化，为倾斜调制；通常近似为线性过程3）长波沿卫星轨道方向上的运动速度，使得后向散射元产生DOPPLER频移，导致散射元的位移和模糊，为速度聚束调制，表现为很强的非线性。,并非所有海浪都能成像！高海况和平滑海况下，SAR难以成像，直接和海况有关，有效波高和风速不能太小。,反演方向谱的方法,1）线性调制传递函数法2）Hasselmann非线性反演方法,SAR原始图像,SAR波浪谱等值线,反演的方向谱,12.3.3海面风（SeaSurfaceWind）,海面风场是海洋和大气的重要动力要素，星载微波散射计是迄今为止最主要的遥感测量全球海面风场的传感器，其风速风向测量精度分别达到2m/s和200，散射计遥感数据已广泛的应用于海面风场、海浪场、天气预报以及海洋和大气相互作用研究等领域。但是，散射计测量的分辨率通常在25km50km，不能满足某些需要高分辨率风场数据的应用。此外，散射计无法测量近岸几十公里以内的海面风场。在近海（包括海湾、海峡、河口等）及岛屿和冰缘附近海域，风场在数百米到数公里的空间尺度内就有较大变化，空间分辨率较低的散射计不适用。星载合成孔径雷达（SAR）则不同，它具有以很高的空间分辨率（数米到数十米）测量海面风场的能力，特别适用于近海、岛屿和冰缘附近海域海面风场以及局地风场的测量。欧洲的Envisat卫星将不再装载散射计，其上的SAR将作为高分辨率散射计兼任海面风场测量之重任，更推动了合成孔径雷达（SAR）海面风场的遥感研究。,作用在海面的风应力直接影响到大气与海洋环流以及海气之间的相互作用，也是推算风驱动海流和海面油污扩散的必要参数条件。随着遥感技术的发展，利用星载合成孔径雷达（SAR）对海面风应力的动力特性进行大范围、高空间分辨率测量已成为可能。,根据布喇格共振散射理论，合成孔径雷达（SAR）接收到的海面后向散射信号与海表面上满足布喇格共振散射条件的毛细重力波的方向谱成正比，所以它能够观测海表面有毛细重力波代表的海面粗糙度，并可反演产生毛细重力波的海表面风速。,12.3.4内波（InternalWaves）,内波是一种海洋中尺度现象，对海洋工程、海洋军事和海洋科学都具有重要意义。强剪切流影响海上建筑；潜艇；改变了声波在水中的传播特性。由于内波发生的随机性，采用常规观测方法获取长时间大范围的内波观测资料非常困难，因而星载合成孔径雷达（SAR）成为内波探测的重要技术手段。除海浪外，合成孔径雷达观测的明显海洋现象就是内波。自70年代末开始，美国的Seasat、欧空局ERS-1/2和加拿大的Radarsat等卫星上的合成孔径雷达已经获取了大量的内波图像，为内波研究提供了丰富的资料。经过多年的研究，人们对内波的SAR图像特征和内波的时空分布特征已有较为充分的认识。如何从提取波长、波向等内波外在属性的研究中摆脱出来，进而对内波发生深度以及内波振幅等内在特性进行定量获取，是目前内波遥感研究尤为关注的问题。,当内波出现的时候，在辐聚带海面生物膜的聚