合成孔径雷达SAR技术.pptx

合成孔径雷达(SAR)技术2002/12/091SAR 技术概述SAR 是一种脉冲雷达技术，具有较高的分辨率，可以获得区域目标的图像。SAR 具有广泛的应用领域，它有两种模式 机载SAR 星载SAR2SAR 发展概况1.1951年,Carl Wiley 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.8.2003年,日本准备发射ALOS SAR.3各国SAR系统美国:Seasat-1,Sir-A,Sir-B,Sir-C,LACROSSE SAR,LightSAR,Medsat SAR欧洲:ERS-1,ERS-2,XSAR,ASAR加拿大:Radarsat-1,Radarsat-2俄罗斯:Almaz-1日本:JERS-14SAR的特点 In为什么使用雷达成像技术n全天候，穿透云雾能力n全天时工作n穿透植被和树叶n目标与频率的相互关系n运动检测5SAR的特点 IIn合成孔径技术提高方位分辨率:实例:星载SAR距离850km，工作频率1.276GHz，像素分辨率25m 需要 8km 合成孔径6应用领域n地形测绘与地质研究中的应用 如埃及古河道的发现,阿尔贝托油田的分析n农业和林业中的应用如土地利用调查,土壤水分测量,作物生长与分类n海洋研究和监测方面的应用 如海面石油污染的监测n军事方面的应用 如军事目标的识别与定位n减灾防灾方面的应用 如森林火灾,地震等灾害的预报7合成孔径原理n8km 的孔径长度由小天线实现n原理8SAR合成孔径原理9SAR合成孔径原理-波束形成天线阵目标d相邻两个阵源接收信号的空间延迟为:10SAR合成孔径原理-波束形成相邻两个阵源接收信号的相位差为:M个阵源接收的信号序列为:其中 为单个阵源的天线方向图,满足:显然,M个阵源接收的信号构成等比级数11SAR合成孔径原理-波束形成对M个阵源接收信号构成的等比级数求和,可以得到:12SAR合成孔径原理-波束形成取M个信号和的包络,可以得到:上式表明,单个阵源的波束宽度被加权,等效形成新的波束.新波束的形状由上式第二个因子决定.13SAR合成孔径原理-波束形成显然,上式的形状由分子决定,其中:式中,R为目标的距离,为目标的横向分辨距离 14SAR合成孔径原理-波束形成求第一零点位置确定半功率点分辨率,令:这样,经过阵列信号处理后的波束分辨率为:15SAR合成孔径原理-波束形成考虑合成孔径雷达信号的双程相位差最后,合成孔径雷达的波束分辨率为:16SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理目标A目标By聚焦R聚焦与非聚焦示意图17SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理对于目标A,天线任意位置与其的距离为:因为目标的距离与天线横向移动的距离相比较大,则运用泰勒级数展开进似可以得到:18SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理则对于目标A,回波信号的双程相位差为:同理,对于目标B,回波信号的双程相位差为:19SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理 则对任意位置y,在整个孔径时间内积分可以得到目标在所有y位置上的信号包络.当对雷达载体沿直线飞行产生的二次相位误差不补偿时 这时的积分处理称非聚焦处理,否则称为聚焦处理.20SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理非聚焦处理在y处的点目标回波响应为:21SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理求半功率点波束宽度,令:最后得到其横向分辨率为:真实孔径天线横向分辨率为:22SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理聚焦处理聚焦处理需要对二次相位差进行补偿,有:这时回波响应为:23SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理24SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理求归一化回波功率增益:求半功率点波束宽度,令:25SAR合成孔径原理-非聚焦与聚焦处理合成孔径的最大长度为:最后得到其横向分辨率为:最终,理论上合成孔径的横向分辨率为:26SAR合成孔径原理-频率分析方法 1951年,Carl Wiley首次提出频率分析方法解决雷达角分辨率问题.从多普率频率分辨出发,研究目标的分辨.证明当两个点目标其多普勒频率可分时,两个目标空间上也可分.27SAR合成孔径原理-频率分析方法目标的多普勒频率28SAR合成孔径原理-频率分析方法对目标P1,P2,它们多普勒频率为:它们多普勒频率差为:29SAR合成孔径原理-频率分析方法通常存在下面关系:30SAR合成孔径原理-频率分析方法所以点目标间的多普勒增量为:多普勒频率分辨与滤波器时间常数存在如下关系:只要多普勒频率增量能够被分辨,则方位分辨率为:31SAR合成孔径原理-频率分析方法当 度,多普勒滤波器的时间常数为:最终的方位分辨率为:32SAR 基本概念n最大聚焦合成孔径长度:n天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长度nSAR 聚焦分辨率:n分辨率的改善与天线尺寸有关，与距离和波长无关33SAR 基本组成SAR天线子系统高功率微波电路接收机校准系统发射机电源分配单元定时与数据处理载荷计算磁波记录器传输系统34SAR 基本组成输入数据接口 方位 预处理 距离 压缩 距离走动校正 方位 压缩幅度 检测 多视 相加 参考函数产生 控制 单元 运动参数提取几何幅度校正 输出数据调节SAR数字信号处理控制指令惯性导航系统35SAR 主要性能指标n频率与极化n分辨率与观测带宽n重复观测周期n辐射精度n定位精度n模糊特性36SAR 主要性能指标-频率与极化1.大气传输窗口2.频率与信息3.极化与信息4.系统特征与图像质量5.设备复杂性与继承性37SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽1.空间分辨率距离分辨率:为光速:为距离加权展宽系数:幅相频率特性误差引起的展宽系数:为入射角:为发射的线性调频信号带宽38SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽1.空间分辨率方位分辨率:为方位加权展宽系数:信号分布不均匀引起的展宽系数:为地速引起的改善系数:为天线加权展宽系数39SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽2.观测带宽距离向3dB波束宽度对应的地面距离跨度近距点远距点h波束中心波束宽度波束视角40SAR 主要性能指标-分辨率与观测带宽2.观测带宽近距点距离:远距点距离:测绘带宽度:41SAR 主要性能指标-重复观测周期n轨道的设计42SAR 主要性能指标-辐射精度n定量微波遥感测量n建立雷达图像与目标散射系数之间的传递函数43SAR 主要性能指标-辐射精度1.辐射分辨率:2.辐射精度:44SAR 主要性能指标-定位精度1.目标定位2.目标定位误差源 *回波时延误差 *电磁波传播效应误差 *目标高度误差 *多普勒中心频率误差 *时钟误差 *卫星的星历误差45SAR 主要性能指标-模糊特性n距离模糊n方位模糊46SAR 主要性能指标-模糊特性距离模糊测绘带模糊带h波束宽度模糊带47SAR 主要性能指标-模糊特性近距点回波时间:远距点回波时间:为满足测绘带内的单值测量,脉冲重复周期应满足:48SAR 主要性能指标-模糊特性测绘带外的回波信号会造成距离模糊当下面条件成立时,距离模糊产生49SAR 主要性能指标-模糊特性方位模糊飞行方向模糊波束指向50SAR 主要性能指标-模糊特性合成后的波束方向图:上式的函数形式具有周期重复特性,重复位置出现在:51SAR 主要性能指标-模糊特性l=0.2;N=512;vs=300;Tr=1/100;d=vs*Tr;t=-1.5*pi/180:pi/(180*512):1.5*pi/180;a=sinc(2*N*pi*d.*sin(t)/l);b=sinc(2*pi*d.*sin(t)/l);c=a./b;plot(abs(c)52SAR 主要性能指标-模糊特性当n=1时,为第一对模糊波束位置:53SAR 主要性能指标-模糊特性如果SAR天线实孔径尺寸为D,则其方向图:该方向图的零点位置:54SAR 主要性能指标-模糊特性要想模糊信号不产生影响,必须使:当n=1时,为第一零点位置:55SAR 主要性能指标-模糊特性方位模糊的抑制56SAR 系统参数选择nSAR雷达方程n脉冲重复频率的选择n相位误差57SAR 系统参数选择-SAR雷达方程常规雷达方程:距离向脉冲压缩后,信噪比改善为:方位向压缩后,信噪比改善为:58SAR 系统参数选择-SAR雷达方程SAR雷达方程:其中,合成孔径时间:59SAR 系统参数选择-SAR雷达方程SAR雷达方程:结论:(1)与距离的三次方成反比 (2)与飞行速度成反比60SAR 系统参数选择-SAR雷达方程当目标非分布目标时:则分布目标,SAR雷达方程:61SAR 系统参数选择-脉冲重复频率脉冲重复频率间的选择:(1)方位模糊 (2)距离模糊方位信号带宽:62SAR 系统参数选择-脉冲重复频率方位信号的采样定律:距离信号测量的单值条件:远距点回波时间:63SAR 系统参数选择-相位误差相位误差目标多普勒频率相位:64SAR 系统参数选择-相位误差造成多普勒频率相位误差的原因:(1)飞机姿态的变化 (2)天线指向误差 (3)飞机速度的变化 (4)飞机位置的偏移65SAR 系统参数选择-相位误差斜距的变化会影响多普勒信号的调频斜率:66SAR 系统空间几何关系n星载系统的地心坐标系n机载系统的地面惯性坐标系67星载SAR-地心坐标系n卫星轨道设计n波束指向计算n地面坐标转换n仿真结果68星载SAR-轨道设计69星载SAR-轨道设计70星载SAR-轨道设计71星载SAR-轨道设计72星载SAR-波束指向73星载SAR-地面坐标转换74星载SAR-仿真实验75星载SAR-地心坐标系76机载SAR-惯性坐标系77机载SAR-仿真实验机载SAR测量定位系统软件78SAR成像模式nStripmap,Spotlight,Scan,ISAR(not pictured)79SAR成像模式nStripmap(条带式):n最早的成像模式，1950sn低分辨率成像的最有效方法nSpotlight(聚束式):n在1970s提出n获得较高的分辨率n一次飞行中，通过不同视角改变对同一区域成像80SAR成像模式nScan(扫描模式):n信号处理非常复杂nInSAR(干涉SAR)n获取地面高度信息,进行3D成像ISAR(逆SAR)n雷达静止,目标运动81SAR信号处理-条带式成像n图像分辨率不高n聚焦处理n距离关系n点目标提取:聚焦n数据距离校正n处理算法:匹配滤波Example:Received raw stripmap data from point targets82SAR信号处理-条带式成像n匹配滤波n计算速度n频域相乘方法n时域卷积方法83SAR信号处理-条带式成像n运动补偿问题n多普勒频率漂移问题n数据采样n距离向n方位向84SAR信号处理-条带式成像n脉冲宽度(T)n与带宽成反比n带宽增加，距离分辨率提高n线性调频信号n脉冲重复周期(PRI)或频率(PRF)n采样定理的限制n脉冲重复频率增加，方位分辨率提高85SAR信号处理-条带式成像n距离采样n满足采样定律n方位采样(PRF)n必须满足:nRfar=远距点,Rnear=近距点86SAR使用的波段nVHF/UHF 125 to 950 MHznC band 5.3 GHz nX band 7.5 to 10.2 GHznKu band 14 to 16 GHznKa band 32.6 to 37.0 GHz87SAR图像例n美国加州洛杉矶的卫星雷达图像88n南极卫星雷达图像89n军事目标的卫星雷达图像90SAR的未来n多频,多极化,可变视角,可变波束n超高分辨率,多模式n干涉合成孔径(InSAR)技术n动目标检测与动目标成像技术n小卫星雷达技术nSAR校准技术91参考文献nTony Freeman,Jet