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合成孔径雷达遥感道理与使用

发布时间:2019-08-02   浏览次数:

  合成孔径雷达道理方式取使用 张继超 测绘取地舆科学学院 辽宁工程手艺大学 内容撮要 ? 1 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 ? 2 SAR的根基道理取方式 ? 3 SAR的使用范畴和劣势 ? 4 SAR的成长标的目的取研究热点 辽宁工程手艺大学 1 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 ? 雷达(Radar) Radar– Radio Detection and Ranging 无线电 探测 和 测距 ? 合成孔径雷达(SAR) SAR – Synthetic Aperture Radar 合成 孔径 雷达 辽宁工程手艺大学 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 ? 雷达是自动遥感,一般工做正在微波(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,Spotlight Mode; 式,Interferometry; 逆合成孔径,Inverse SAR; 斜视,Squint; 地面动方针,GMTI,Ground Moving Target Indicator. 辽宁工程手艺大学 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 常用雷达遥感波段表 波段名称 Ka K Ku X C S L P 波长(cm) 0.75-1.18 1.19-1.67 1.67-2.4 2.4-3.8 3.9-7.5 7.5-15.0 15.0-30.0 30.0-100 频次区间(GHz) 40.0-26.5 26.5-18.0 18.0-12.5 12.5-8.0 8.0-4.0 4.0-2.0 2.0-1.0 1.0-0.3 辽宁工程手艺大学 雷达遥感波段 ? 地球资本使用中的常用波段:X,C,L ? 波长添加,穿透能力添加。 ? 正在晴朗气候情况下,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 载气候探测雷达系统) 辽宁工程手艺大学 雷达遥感波段 ERS及RADARSAT操纵C波段,日本的JERS操纵L波段。 C波段 能够用来对海洋及海冰进行成像,而L波段能够更深地穿透 植被,所以正在林业及植被研究中更有用。 较长的波长能够穿透的 更深,正在冠层、树干及 土壤间发生多次散射。 辽宁工程手艺大学 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 SAR原始数据及其响应的SAR图像 (· 颐和园· 2009.9· RADARSAT-2) 辽宁工程手艺大学 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 SAR图像及其响应的光学影像 (· 颐和园· 2009.9· RADARSAT-2;2009.6·Quick Bird) 辽宁工程手艺大学 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 统一地域的光学图像(云的干扰严沉)取SAR图像 辽宁工程手艺大学 机载SAR系统 辽宁工程手艺大学 星载SAR系统 2000, SRTM,InSAR 1994, SIR-C/X-SAR C Wide Swath 1990,Magellan L,C Qud Pol, X VV X narrow, Hi Res 1981, SIR-A L HH 1984, SIR-B L HH 1978 Seasat L HH 2007,COSMO-SkyMed 2007, TerraSAR 1996, ERS-2 C VV NASDA, Japan 1992 JERS-1 L HH 2002,ENVISAT ASAR C, Mutli-POL 2006 ALOS-PALSAR L, Multi Pol 1991, ERS-1 C VV CCRS, Canada 1996 RADARSAT-1, C HH 2007,12 Radarsat-2, 10 C Qud Pol 辽宁工程手艺大学 内容撮要 ? 1 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 ? 2 SAR的根基道理取方式 ? 3 SAR的使用范畴和劣势 ? 4 SAR的成长标的目的取研究热点 辽宁工程手艺大学 2 SAR的根基道理取方式 ? 侧视雷达 侧视雷达是正在飞机或卫星平台上由传感器向取 飞翔标的目的垂曲的侧面,发射一个窄的波束,笼盖地 面上这一侧面的一个条带,然后领受正在这一条带上 地物的反射波,从而构成一个图像带。跟着飞翔器 前进,不竭地发射这种脉冲波束,又不竭地领受回 波,从而构成一幅一幅的雷达图像。 雷告竣像的根基前提:雷达发射的波束照正在方针 分歧部位时,要有时间先后差别,如许从方针反射 的回波也同时呈现时间差,才有可能区分方针的不 同部位。 辽宁工程手艺大学 侧视雷达工做道理 电磁波正在空间中的 速度c是必然的, 当雷达正在时间t1发 射出一个窄脉冲,被 方针反射后,正在时间 t2前往, 则方针地物 的距离为: (t2-t1)×c/2 辽宁工程手艺大学 侧视雷达工做道理 发一个脉冲,连续 收到连续串回射, 并且回射的特征 随地物分歧而异 飞翔标的目的 脉冲宽度 辽宁工程手艺大学 相关术语(1) A:飞翔标的目的 B:天底 nadir E:方位向 azimuth flight direction D:距离向 look direction C:扫描宽度 辽宁工程手艺大学 相关术语(2) A: 入射角 incidence angle; B: 视角; C: 斜距 Slant distance; D: 地距 Ground distance; 辽宁工程手艺大学 相关术语(3) A: 近射程 near range B: 远射程 r range 辽宁工程手艺大学 相关术语(4) 距离分辩率 正在侧视标的目的的分辩率(正在垂 曲于航向标的目的的分辩力) Pg=c×? /2cosφ ?脉冲持续期(脉冲宽度, 时间s), φ 俯角,c光速。 φ 越大, Pg越大,分辩率越低 【距离越近,距离向分辩率越低】 辽宁工程手艺大学 理论上讲,斜距分辩率 等于脉冲宽度的一半 ? 相关术语(5) 距离分辩率 计较示例: 设俯角50?,脉冲宽度0.1?s 则距离分辩力 Pg = 0.5? c /cos? Pg = 0.5 ? 0.1?10-6(s) ?2.998 ? 108(m/s)/cos 50? = 0.5 ? 0.1 ? 2.998 / 0.642788 ? 100 = 23.2m 辽宁工程手艺大学 相关术语(6) 方位分辩率 沿航路标的目的的分辩率 r a= ?×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 距离越近,方位分辩率 越高;取距离向分辩率 变化纪律相反。 天线越长,ra越小,方位分辩率越高 辽宁工程手艺大学 相关术语(7) 距离分辩率 计较示例: 设卫星天线km, 则方位分辩力 ra= (?/L)×R ra = [3 ?10-2(m)/4(m)]?200?103(m) =1500m 若要求方位分辩率达到3m,则天线m。 (这是不成能的) 辽宁工程手艺大学 侧视雷达工做道理 提高距离分辩率和方位分辩率的方式: 1) 采用脉冲压缩手艺,缩短脉冲发射宽度; 2) 用合成孔径天线来取代实正在孔径天线,以缩 短天线孔径。 合成孔径雷达 辽宁工程手艺大学 2 SAR的根基道理取方式 ? 合成孔径雷达 合成孔径雷达(SAR),也是侧视雷达。 根基道理: 操纵短的天线,通过点窜数据记实和处置手艺, 发生很长孔径天线的结果,等于通过加长天线孔径 来提高不雅测精度。 正在沿飞翔航迹标的目的上构成一个天线阵列,并取 数据记实和处置过程联系正在一路。 正在分歧领受统一地物的回波信号,信号得 到的时间分歧,相位和强度分歧,构成相关影像。 颠末复杂的处置,获得地面的现实影像。 辽宁工程手艺大学 合成孔径雷达工做道理 合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辩率为: Rs=(λ/ Ls)R 因为天线最大的合成孔径为: Ls=Ra=(λ/D)R 则有 Rs=D 因为双程相移,方位分辩率还可提高一倍,即: Rs=D/2 式中,λ:波长;D:雷达孔径;R:斜距。 由此可知,方位向的分辩率取距离无关,所以, 即便从卫星的高度上也能够获得高分辩率的图像。 辽宁工程手艺大学 合成孔径雷达工做道理 理论计较表白: 合成孔径雷达正在沿航 迹标的目的的分辩率为: Pa =l/2 l为天线长度 辽宁工程手艺大学 SAR图像的几何特征 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。 斜距图像和地距图像的比力 辽宁工程手艺大学 SAR图像的几何特征 雷达图像变形:距离向 辽宁工程手艺大学 SAR图像的几何特征 地距图像取斜距图像 斜 距 图 像 地 距 图 像 辽宁工程手艺大学 SAR图像的几何特征 地形畸变 叠掩 透视收缩 (Layover): foreshortening 当面向雷达的山 暗影 (Shadow): 山面子向雷达 坡很陡时,呈现 的一面正在图像上 当后坡坡度较 山顶比山底更接 被压缩,这一部 大,雷达波束不 近雷达的环境, 分往往表示为较 能达到后坡坡面 因而,正在图像的 高亮度; 时,没有回波信 距离标的目的,山顶 号发生,图像上 坡底的收缩度 和山底的相对位 呈现暗区。 比坡顶大;山坡 置; 的坡度越大,收 收缩度:坡顶的 缩量越大。 收缩度比坡底大 辽宁工程手艺大学 SAR图像的几何特征 透视收缩示例: 中等入射角,透视收缩较着。 侧 视 方 向 ↓ C波段 ERS-1 侧视角:23° L波段 ERS-1 侧视角:36° 辽宁工程手艺大学 SAR图像的几何特征 叠掩示例: 侧视标的目的 → 小入射角,叠掩较着。 辽宁工程手艺大学 SAR图像的几何特征 暗影示例: 侧视标的目的 → 大入射角,暗影严沉。 辽宁工程手艺大学 SAR图像的几何特征 取 光 学 图 像 的 比 较 光学影像 侧视标的目的 → 雷达影像 辽宁工程手艺大学 雷达方程 雷达方程描述了雷达系统、散射体和领受信号 三者之间的根基关系: 2 2 PG ? t Pr ? ? 3 4 (4? ) R 此中 Pt Pr R λ G б :发射功率(发射机到天线) :领受功率(天线到领受机) :感化距离(天线到方针) :工做波长 :天线增益(发射机或领受机) :雷达散射截面积 辽宁工程手艺大学 2 SAR的根基道理取方式 SAR数据处置方式 □ 辐射校正 □ 黑点噪声 □ 几何校正 □ 处置 辽宁工程手艺大学 辐射校正 ? SAR校正的一个主要方面是辐射校正,也就是把SAR图 像像元值取场景的雷达后向散射系统定量地联系关系起来。 颠末校正的SAR图像该当具有每日逐帧的可反复性,具 有图像帧内和各通道之间的不变性,而且具有已知的、 合理的精度。 ? 对SAR校准的要求:达到±1dB的绝对精度,±0.5dB 的持久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:极化通道正在幅度上的 失衡小于0.4dB,相位失衡小于10? ,通道之间的串扰小 于-30dB。 辽宁工程手艺大学 黑点噪声 SAR图像黑点的构成机理 正在不雅测扩散面貌 标的回波信号中,相 同地物的回波由于相 位的随机分布而分歧, 那些回波功率衰减到 远低于平均值电平的 像素亮度很低,正在图 像上就表示为黑点; 那些回波功率加强到 远高于平均值电平的 像素亮度很高,正在图 像上表示为亮点。 辽宁工程手艺大学 斑噪方针及次要方式 SAR黑点方针: 正在连结尽量多的图像细节消息同时达到最好的黑点。 成像前的多视处置 斑 点 抑 制 的 从 要 方 法 均值滤波 中值滤波 空间域滤波 成像后的滤波手艺 频次域滤波 Lee滤波 Frost滤波 Kuan滤波 高通滤波 低通滤波 辽宁工程手艺大学 几何校正 当需要切当获取SAR影像上地物特征的空间消息时, 或需要对多时相、多源消息进行分析阐发时,必需对SAR影像 进行切确的几何校正处置。 ? 光学近似模子的SAR几何切确改正 ? 共线方程G.Konecny公式正射改正 由数字摄影丈量学界成长的基于雷达共线方程的方 法。这种方式凡是基于简化的雷告竣像几何干系成立 SAR共线方程。 ? 行核心投影公式正射改正 辽宁工程手艺大学 几何校正 ? 基于成像模子的SAR几何切确改正 ?R-D模子正射改正 由SAR图像处置算法及系统开辟范畴专家提出的 基于距离——多普勒(RD)定位模子的方式,这 种算法完成从SAR成像机理出发,和SAR的信号 处置过程无机连系,曾经成为凡是SAR处置器都 具备的尺度SAR图像产物出产方式。 ?基于SAR模仿成像的正射改正 辽宁工程手艺大学 几何校正 ? 图像的几何粗校正 ? 地球自转、曲率、卫星姿势的校正 ? 斜距-地距更正 ? 操纵地面节制点拟合变换公式近似进行简单校正 ? Doppler方程于卫星姿势并能够消弭地球 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 辽宁工程手艺大学 几何校正 列间隔7.9米 行 间 隔 3 9 米 斜地变换 斜距 地距 ?x s ? c /(2 f s ) 卫星 ?xgr ? c /(2 f s sin? ( j )) . 辽宁工程手艺大学 几何校正 斜地变换(续) 沉采样 辽宁工程手艺大学 几何校正 斜距图像 地距图像 辽宁工程手艺大学 几何校正 □ 多项式改正 x ? a00 ? a10 X ? a01Y ? a 20 X ? a11 XY ? a02Y ? ... 2 2 y ? b00 ? b10 X ? b01Y ? b20 X ? b11 XY ? a02Y ? ... 2 2 □ 共线方程G.Konecny公式正射改正 SAR影像 节制点 DEM 辽宁工程手艺大学 成像模子解算 图像沉采样 正射图输出 几何校正 ? 处置流程 ? 按照SAR头文件的星历消息计较卫星轨道数据,并按照坐 标变换关系将卫星轨道坐标、节制点坐标、及DEM数据转 换到统一坐标系(椭球割面坐标系)中。 操纵节制点坐标像素值取地舆坐标值之间的对应关系,组 建正射改正模子。 对正射改正模子进行线性化,通过采用线角元素分隔、岭 估量等方式确定正射模子中的各待定参数值。 根据输出图像的图幅范畴,按照指定的输出像元的大小, 计较DEM范畴内各点的地舆坐标所对应的像素坐标。 操纵获得的像素坐标正在待改正中的SAR影像中通过采样 (最临近差值或双线性差值)求出地面节制点其地舆坐标 值处所对应的像素灰度值。 正射图像生成。 辽宁工程手艺大学 ? ? ? ? ? 处置 从图像 SLC 高精度配准 辅图像 SLC 算 法 流 程 简 图 纹图 去平地效应 相位解缠 热点 地舆编码 DEM 辽宁工程手艺大学 内容撮要 ? 1 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 ? 2 SAR的根基道理取方式 ? 3 SAR的使用范畴和劣势 ? 4 SAR的成长标的目的取研究热点 辽宁工程手艺大学 3 SAR的使用范畴和劣势 ? SAR的使用范畴 ? 地物分类取地图制图 ? 获取地形高程消息——DEM ? 监测地表细小形变 ——火山,地动,滑坡,冰川等监测 ? 灾祸防治、评估取应急抗灾 辽宁工程手艺大学 SAR的使用范畴 a 原始影像 b 对影像进行朋分 c 分类参数 d 决策数分类成果 (96%) 辽宁工程手艺大学 极化SAR高精度从动分类 SAR的使用范畴 获取地形高程消息——DEM 辽宁工程手艺大学 SAR的使用范畴 地物变化监测 辽宁工程手艺大学 SAR的使用范畴 Landers地动监测(Science) 辽宁工程手艺大学 SAR的使用范畴 InSAR进行滑坡监测 辽宁工程手艺大学 SAR的使用范畴 堰 塞 湖 监 测 辽宁工程手艺大学 SAR的使用范畴 热 带 雨 林 监 测 辽宁工程手艺大学 SAR的使用范畴 南极冰川活动速度计较 辽宁工程手艺大学 SAR的使用范畴 火山监测 辽宁工程手艺大学 3 SAR的使用范畴和劣势 □ SAR的劣势 取光学遥感比拟,SAR具有如下劣势: ? ? ? ? ? ? ? ? 全天候,不受云雾雪的影响,雨的影响无限 全天时,自动遥感系统 对地表有必然的穿透能力,取土壤含水量相关,依 赖于波长 对植被有必然的穿透能力,依赖于波长和入射角 高分辩率,分辩率取距离无关 奇特的辐射和几何特征 丈量能力 多极化不雅测能力 辽宁工程手艺大学 内容撮要 ? 1 合成孔径雷达(SAR)的根基概念 ? 2 SAR的根基道理取方式 ? 3 SAR的使用范畴和劣势 ? 4 SAR的成长标的目的取研究热点 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——高程丈量 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——高分辩率 高分辩率带来工做模式的变化: ? 20世纪90年代后期之后研制或打算研制的星载SAR 根基上都具有多种工做模式; ? 继条带式、SCAN SAR、多极化模式之后,、 GMTI、全极化、聚束、多波束和多频等工做模式也 将成为以卫星为载体的星载SAR的工做模式之一; ? 正在多种工做模式中一般要具有: ? 适合全球笼盖和发觉方针的“低分辩率、宽测绘带 模式; ? 适合识别方针的“高分辩率,窄测绘带”模式。 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——小型化 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——多极化 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——多时相 高时间分辩率(多时相): ? 又称为反复不雅测周期,是指相邻两次不雅测统一目 标地域的时间间隔; ? 抱负的时间分辩率是及时不雅测,现实的是近及时 不雅测; ? 对于单颗星,正在600~700公里的轨道高度,若 测绘带宽500~600公里,对于特定的地域,时 间分辩率能够达到5天; ? 通过卫星组网能够显著提高时间分辩率。如 DISCOVER II利用24颗星组网,时间分辩率 提高到15分钟。 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——活动方针检测 活动方针检测: ? 成长多通道SAR; 使用: ? 军事活动方针检测; ? 洋流监测。 活动方针检测(E-SAR) 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——多波段 为什么要利用多波段? ? ? ? SAR丈量的是方针的后向散射系数,而方针的散射系数是 随频次变化的; 多频丈量能够获得愈加丰硕的消息,有益于方针的分类和 识别; 单波段的SAR只能适合部门类型的方针不雅测,多波段SAR 能够合用于对更多类型方针的不雅测; 通过多频丈量,还可找出各类使用环境下的最佳丈量频次。 正在一可卫星上设置装备摆设多波段的SAR,实现实正的多波段丈量, 如:SIR-C/X SAR、Light SAR、IRS-3和Almaz1B等; 正在分歧的卫星上设置装备摆设分歧波段的SAR,实现近似的多波段 丈量,如:Terra SAR。 辽宁工程手艺大学 ? ? ? 多波段的实现体例: 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——极化SAR 极化SAR: ? 对散射体的外形、标的目的、介电性质较为; ? 可通过极化分化手艺获取对分辩单位内分歧散射机理/过程的描 述; SAR: ? 高程消息获取手艺; ? 可实现对平均散射核心的定位。 极化SAR: ? 于垂曲分布散射机理,具有获取分辩单位内随高度分布变化 的散射特征的能力; ? 开展体散射体(volume scatters)三维布局研究的可能; ? 同时完成纹理布局配准和空间特征恢复的可能; ? 非监视朋分分类和地物参数反演的可能。 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 极化SAR用于丛林参数估量 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——3DSAR 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——3DSAR 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? SAR的研究热点之——3DSAR 辽宁工程手艺大学 4 SAR的成长标的目的取研究热点 ? 将来SAR系统的成长标的目的 ? 小型化、易于实现、供给各类用户感乐趣的消息、星载 的及时处置以降低传输资本的耗损等。 ? 度微波成像 从波段、极化、视角、分辩率等多个分歧维度对不雅测物 体(场景和方针)的物理和几何特征进行分析描述。 ? 将来SAR系统方针 ? ? ? 形成全球传感器收集,成立自从的全球范畴的集成通信、 定位和能力的遥感系统; 同步的机载、星载领受机群,构成具有全球笼盖、持续 不雅测、极高分辩力和供给分歧用户所需的消息的能力; 获取不雅测对象更为丰硕的消息,达到对方针的分类、辨 认和识别。 辽宁工程手艺大学 底面极点:三种根基成像体例,实现空间单一维度上成像; 三角形底边、棱边、侧面:单一维度的延长取两个维度的综 合而成的面,实现至多两个维度的成像; 三角形极点:点、线、面的汇聚,可实现度微波消息的 分析成像(微波成像新体系体例)。 辽宁工程手艺大学 感谢! 辽宁工程手艺大学