遥感技术基础-第08讲(侧视雷达成像原理)培训讲学

1、遥感技术基础-第08讲(侧视雷达成像原理) 一、为什么需要雷达成像？为什么需要雷达成像？被动遥感（可见光、红外）被动遥感（可见光、红外）在晴朗的白天使用在晴朗的白天使用云团可见光图像云团可见光图像云团可见光图像云团可见光图像雷达是最常用的成像型、主动式微波传雷达是最常用的成像型、主动式微波传感器（也称感器（也称“成像雷达成像雷达”）主动遥感（雷达成像）主动遥感（雷达成像）在夜晚、阴雨天优势明显在夜晚、阴雨天优势明显被动遥感（可见光、红外）被动遥感（可见光、红外）在晴朗的白天使用在晴朗的白天使用微波具有穿透云、雨等能力微波具有穿透云、雨等能力雷达的主动探测原理雷达的主动探测原理（全天候、全天时全

2、天候、全天时）电磁波谱的微波波段及应用场合电磁波谱的微波波段及应用场合P：很少用：很少用L：波浪：波浪S：地质：地质C：土壤、水分：土壤、水分X：降雨：降雨KU：风、冰：风、冰K：植被：植被KA：雪：雪 二、雷达是什么？n主动型、微波遥感设备n全天候、全天时的遥感装置 雷达是英文雷达是英文RadarRadar的音译，源于的音译，源于Radio Radio Detection and RangingDetection and Ranging的缩写，原意是无线的缩写，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

3、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。有关目标的信息。发展历史发展历史nmid 1800s James Clerk Maxwell first defined the essential characteristics of microwaves nin 1886 , Heinrich R. Hertz discovered that mic

4、rowaves could be reflected from various targets n1900 Guglielmo M. Marconi devised a practical antenna for transmitting & receiving radio signalsn1922 A.H. Taylor & L.C. Young (U.S. Navy) discovered the potential of radio signals for detecting the presence of large objects at a distance发展历史发

5、展历史n1935 Sir Robert Watson-Watt (U.K.) devised the first instrument which integrated the transmitter and receiver on the same antenna using a pulsed signal - the first radar n1950s development of experimental synthetic aperture radars (SARs) for military purposes using airborne platforms n1960s imag

6、ing radar was slowly declassified from the military and developed for terrain and natural resource surveys n1970s spaceborne SARs 三、雷达的一般结构和成像过程天线天线发射器转换开关接收机显示器目目标标R噪噪 声声信号信号 处理机处理机发射的电磁波发射的电磁波接收的电磁波接收的电磁波雷达的一般结构二维成像过程天线飞行方向（方位向）侧视方向（距离向） 发射脉冲波束距离向（距离向（Range dimension）：）： 近距离先收集；近距离先收集； 远距离后收集。远距离后

7、收集。方位向方位向（Azimuth dimension） ： 随平台移动成像。随平台移动成像。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)。辐射量的确定：接收机的回波辐射量的确定：接收机的回波接收机接收的雷达回波含有多种信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、目标的反射达与目标的相对速度、目标的反射特性。特性。tCR214324RGGPPrttr距离距离回波回波功率功率距离方向CRT接收

8、机天线方位方向波束宽度脉冲宽度时间反射强度四、真实孔径侧视雷达Real Aperture Side-looking Radar（RAR）方位向：平台行进方向方位向：平台行进方向距离向：平台侧向距离向：平台侧向1、成像过程收集顺序：近距离先收集，远距离后收集收集顺序：近距离先收集，远距离后收集回波强弱（色调）：回波强弱（色调）： （1）金属）金属硬目标强，硬目标强， （2）反射面方向）反射面方向向天线强向天线强 （3）平滑镜面反射）平滑镜面反射回波弱回波弱 （4）反射面性质）反射面性质草地弱草地弱 （5）阴影）阴影无反射无反射天线收集天线收集侧面天线侧面天线发射窄脉冲发射窄脉冲地物反射地物反射成

9、像处理成像处理形成影像形成影像放放大大检检波波2、地面分辨率 距离分辨率距离分辨率 在距离方向上能分辨的最小目标在距离方向上能分辨的最小目标 标的尺寸标的尺寸 方位分辨率方位分辨率 相邻的两脉冲之间，能分辩两个相邻的两脉冲之间，能分辩两个 目标的最小距离目标的最小距离 距离分辨率sin2CR斜距斜距R距离分辨率斜距分辨率2CRd为脉冲宽度，为光为脉冲宽度，为光速，速，为雷达波侧视角为雷达波侧视角 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。为什么要采取侧视雷达而不采取正为什么要采取侧

10、视雷达而不采取正视的雷达？视的雷达？sin2CR 由上式可知，如果侧视角由上式可知，如果侧视角0 0或者很小或者很小，则，则RR为无穷大，即无为无穷大，即无穷大的地物才能够分辨的出。显穷大的地物才能够分辨的出。显然，正视的时候对地进行成像观然，正视的时候对地进行成像观测是无用的。测是无用的。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时间时间t振幅A0f2f1频率频率f振幅A0f2f1频率频率f延迟时间延迟时间时间t1/f发射脉冲的波形匹配滤波器匹配滤波器滤波后的输出波形fA0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

11、提高了，这也叫距离压缩。ff/1方位分辨率 相邻的两脉冲之间，能分辩两个目标的最小距离相邻的两脉冲之间，能分辩两个目标的最小距离 azimuth or along-track resolution方位分辨率 LRRL式中式中为雷达的为雷达的波束宽度，波束宽度，L为为雷达天线的雷达天线的孔径，孔径，R为为雷达天线到地面目标的距离雷达天线到地面目标的距离 天线LLR要提高方位分辨率，需采要提高方位分辨率，需采用较短波长的电磁波，或用较短波长的电磁波，或加大天线孔径，或缩短观加大天线孔径，或缩短观测距离。测距离。如要求方位向分如要求方位向分辨率为辨率为25m25m，采用波长为，采用波长为5.7cm5

12、.7cm的微波，卫星高度的微波，卫星高度为为600km600km，侧视角，侧视角4040度，度，则天线尺寸应为则天线尺寸应为1790m1790m ，这显然难以实现。这显然难以实现。由上式可知，要提高雷达的方位向分辨率，必须减由上式可知，要提高雷达的方位向分辨率，必须减小微波的波长，增大天线的尺寸。如要求方位向分小微波的波长，增大天线的尺寸。如要求方位向分辨率为辨率为2525m m，则波长为则波长为5.75.7cmcm，卫星高度为卫星高度为600600kmkm，侧侧视角为视角为4040度度时，要求天线尺寸为时，要求天线尺寸为17901790m m。在航天遥感中难以实现。在航天遥感中难以实现。DR

13、RL为什么要采用合成孔径而不采用真实孔径雷达？为什么要采用合成孔径而不采用真实孔径雷达？五、合成孔径雷达特点特点：u 距离向采用脉冲压缩技术来提高分辨率距离向采用脉冲压缩技术来提高分辨率u 方位向通过合成孔径原理来改善分辨率方位向通过合成孔径原理来改善分辨率 Synthetic Aperture Radar （SAR）利用小天线作为单个发射接收单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，记下回波信号的标的回波信号，记下回波信号的

14、振幅和相位。当小天线移动一段振幅和相位。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，就得到如同真实时接收的情况，就得到如同真实孔径侧视雷达一样的效果。孔径侧视雷达一样的效果。 合成孔径原理Synthetic Aperture Side-looking Radar 合成孔径原理 用一系列的小天线排成一个阵列，每个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小天线之间的距离为d，总长度为，总长度为Nd。对于。对于每个天线，脉冲发射是同时进

15、行的，接收时每个天线，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也是同时接收信号。这就如同真实孔径雷达一样。一样。dL=Ndl 不同时刻和位置接收的同一目标的频率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，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标信号，通过与频率偏移具有逆特性的匹配

16、滤波器滤波调制，就得到目标的唯一像点。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，这种处理也叫做以提高，这种处理也叫做方位向压缩方位向压缩。合成孔径信号的处理方法和过程合成孔径信号的处理方法和过程输出输入f1f1f0f0延迟时间频率匹配滤波器t1t1t3t3 t4t4 t5t5f1f1f0f0时间频率滤波处理t2t2频率随时间变化时间滤波结果 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

17、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。合成孔径信号的处理方法和过程成像原理成像原理A A时刻时刻= =t1t1A A时刻时刻= =t3t3A A时刻时刻= =t4t4A A时刻时刻= =t2t2A A时刻时刻= =t5t5t1t1t3t3t4t4t5t5f1f1f0f0时间时间频率频率滤波处理滤波处理t2t2输出输出输入输入f1f1f0f0延迟时间延迟时间频率频率时间时间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： lRRL合成孔径雷达的方位分辨率为： 22

18、2lLRRLsLs2合成孔径天线提供合成孔径天线提供的有效角分辨率或的有效角分辨率或波束宽度为：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。 合成孔径雷达的数字成像处理 雷达记录的是回波信号的幅度和相位在空间沿方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，必须经位向和距离向的分布，它是一个不可视图像，必须经过处理才能形成可视的雷达图像。过处理才能形成可视的雷达图像。 距离方向距离方向方位方向方位方向 合成孔径雷达的数字成像处理重建原理重建原理：通过距离压缩和方位压缩把距离方向和方位方向上：通过距离压缩和方位

19、压缩把距离方向和方位方向上分别记录的地面上一点的接收信号压缩到一点上。分别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（为距离迁移（Range MigrationRange Migration）。重建处理时需要进行距离单）。重建处理时需要进行距离单元迁移改正（元迁

20、移改正（Range Cell Migration CorrectionRange Cell Migration Correction）。）。 消除或减弱光斑噪声：消除或减弱光斑噪声：由于由于SARSAR的图像的像元灰度值服从指数分的图像的像元灰度值服从指数分布，每个像点都有一个灰度的随机涨落性，造成图像中出现颗粒布，每个像点都有一个灰度的随机涨落性，造成图像中出现颗粒状的光斑噪声，利用多视处理的方法可以消除或减弱光斑噪声。状的光斑噪声，利用多视处理的方法可以消除或减弱光斑噪声。它是将合成孔径分为若干个子孔径，在每个子孔径内分别进行方它是将合成孔径分为若干个子孔径，在每个子孔径内分别进行方位压缩

21、，再将多个子孔径的处理结果求和平均的方法。以此消除位压缩，再将多个子孔径的处理结果求和平均的方法。以此消除或减弱光斑噪声，但这样做同时也降低了方位向上的分辨率。或减弱光斑噪声，但这样做同时也降低了方位向上的分辨率。合成孔径雷达的数字成像处理距离向参考函数距离向参考函数SAR原始数据原始数据距离向的傅立叶变换距离向的傅立叶变换傅立叶变换傅立叶变换逆傅立叶变换逆傅立叶变换 转转置置距离压缩* * * * * 逆傅立叶变换逆傅立叶变换方位向的傅立叶变换方位向的傅立叶变换 距离单元迁移改正距离单元迁移改正1视的参考函数视的参考函数傅立叶变换傅立叶变换N视的参考函数视的参考函数傅立叶变换傅立叶变换把复数

22、变成实数把复数变成实数处理后的处理后的SAR图像图像方位压缩距离向参考函数是与发距离向参考函数是与发射信号复共轭的信号。射信号复共轭的信号。方位向参考函数是由多方位向参考函数是由多普勒平移效应引起线性普勒平移效应引起线性调频信号的复共轭信号调频信号的复共轭信号合成孔径雷达的数字成像处理(d) 方位压缩后的结果(c) 距离单元迁移改正后的结果(b) 距离压缩后的结果(a) 原始信号方位振幅距离方位振幅距离方位振幅距离方位振幅距离1、投影方式2、像点与地面点的坐标关系3、比例尺特性4、透视收缩与顶底位移5、雷达阴影六、侧视雷达图像的几何特性1、投影方式投影方式投影方式斜距投影斜距投影天线天线RsR

23、gbaBAsingsRR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fHyp yp1 实地实地目标目标对应的影像对应的影像投影误差baBhAyl2coscoscos/cosHhyhHylyy投影误差图像表现雷达图像机载高分辨率机载高分辨率SAR图像图像树木河流2、像点与地面点的坐标关系 FLeberl 构像模型构像模型 依据依据距离条件距离条件和和零多普勒条件零多普勒条件推导出来的像点推导出来的像点和地面点之间的坐标关系模型。和地面点之间的坐标关系模型。 Konecny 构像模型构像模型 19881988年在京都举行的国际摄影测量与遥感

24、学年在京都举行的国际摄影测量与遥感学会会议上，由会会议上，由G.KonecnyG.Konecny和和W.SchuhrW.Schuhr提出的提出的平平距投影距投影的的SARSAR图像成像模型，其形式上接近于摄图像成像模型，其形式上接近于摄影测量的投影方程。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。 3、雷达图像比例尺Slant-range scale distortionConversion comparison4、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)RSAB BXRsRs cossinXRlcossinXR4、透视收缩与顶底位移BASRX对于背向天线的地面斜坡也存在透视收缩，只不过斜面看