遥感技术基础侧视雷达成像原理.pptx

一、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）在晴朗的白天使用第1页/共52页云团可见光图像云团可见光图像第2页/共52页云团可见光图像云团可见光图像第3页/共52页雷达是最常用的成像型、主动式微波传感器（也称雷达是最常用的成像型、主动式微波传感器（也称“成像雷达成像雷达”）主动遥感（雷达成像）在夜晚、阴雨天优势明显被动遥感（可见光、红外）在晴朗的白天使用第4页/共52页微波具有穿透云、雨等能力雷达的主动探测原理（全天候、全天时）第5页/共52页电磁波谱的微波波段及应用场合P：很少用L：波浪S：地质C：土壤、水分X：降雨KU：风、冰K：植被KA：雪第6页/共52页 二、雷达是什么？二、雷达是什么？主动型、微波遥感设备全天候、全天时的遥感装置 雷达是英文RadarRadar的音译，源于Radio Radio Detection and RangingDetection and Ranging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定它们在空间的位置。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有关目标的信息。第7页/共52页发展历史mid 1800s James Clerk Maxwell first defined the essential characteristics of microwaves in 1886,Heinrich R.Hertz discovered that microwaves could be reflected from various targets 1900 Guglielmo M.Marconi devised a practical antenna for transmitting&receiving radio signals1922 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第8页/共52页发展历史1935 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 1950s development of experimental synthetic aperture radars(SARs)for military purposes using airborne platforms 1960s imaging radar was slowly declassified from the military and developed for terrain and natural resource surveys 1970s spaceborne SARs 第9页/共52页三、雷达的一般结构和成像过程三、雷达的一般结构和成像过程天线发射器转换开关接收机显示器目标R噪噪 声声信号 处理机发射的电磁波接收的电磁波雷达的一般结构第10页/共52页二维成像过程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。远距离后收集。方位向方位向（Azimuth dimension）：随平台移动成像。随平台移动成像。第11页/共52页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)。第12页/共52页辐射量的确定：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。距离距离回波回波功率功率第13页/共52页距离方向CRT接收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：平台侧向第14页/共52页1、成像过程收集顺序：近距离先收集，远距离后收集回波强弱（色调）：（1）金属硬目标强，（2）反射面方向向天线强 （3）平滑镜面反射回波弱 （4）反射面性质草地弱 （5）阴影无反射天线收集侧面天线发射窄脉冲地物反射成像处理形成影像放放大大检检波波第15页/共52页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 第16页/共52页距离分辨率距离分辨率斜距R距离分辨率斜距分辨率为脉冲宽度，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。第17页/共52页为什么要采取侧视雷达而不采取正视的雷达？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。第18页/共52页脉冲压缩技术脉冲压缩技术 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f振幅A0f2f1频率f延迟时间时间t1/f发射脉冲的波形匹配滤波器滤波后的输出波形经脉冲压缩后，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也提高了，这也叫距离压缩。第19页/共52页方位分辨率方位分辨率 相邻的两脉冲之间，能分辩两个目标的最小距离 azimuth or along-track resolution第20页/共52页方位分辨率方位分辨率 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5.7cm5.7cm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。第21页/共52页由上式可知，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。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？第22页/共52页五、合成孔径雷达五、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）第23页/共52页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。合成孔径原理合成孔径原理Synthetic Aperture Side-looking Radar 第24页/共52页合成孔径原理合成孔径原理 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。对于每。对于每个天线，脉冲发射是同时进行的，接收时也个天线，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一是同时接收信号。这就如同真实孔径雷达一样。样。dL=Ndl第25页/共52页 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第26页/共52页合成孔径信号合成孔径信号的处理方法和的处理方法和过程过程输出输入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第27页/共52页 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合成孔径信号的处理方法和过程第28页/共52页成像原理成像原理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第29页/共52页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：合成孔径雷达的方位分辨率为：合成孔径天线提供的有效角分辨率或波束宽度为：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。第30页/共52页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。距离方向方位方向第31页/共52页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元）。重建处理时需要进行距离单元迁移改正（迁移改正（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，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。第32页/共52页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射信号复共轭的信号。方位向参考函数是由多普勒平移效应引起线性调频信号的复共轭信号第33页/共52页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第34页/共52页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六、侧视雷达图像的几何特性第35页/共52页1、投影方式投影方式投影方式斜距投影斜距投影天线RsRgbaBA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。第36页/共52页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第37页/共52页投影误差投影误差baBhAyly第38页/共52页投影误差图像表现雷达图像第39页/共52页机载高分辨率SAR图像树木河流第40页/共52页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学会年在京都举行的国际摄影测量与遥感学会会议上，由会议上，由G.KonecnyG.Konecny和和W.SchuhrW.Schuhr提出的提出的平距平距投影投影的的SARSAR图像成像模型，其形式上接近于摄影测图像成像模型，其形式上接近于摄影测量的投影方程。量的投影方程。第41页/共52页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。第42页/共52页3、雷达图像比例尺Slant-range scale distortionConversion comparison第43页/共52页4、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 第44页/共52页4、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，只不过斜面看起来被拉长当90时，会出现背坡的透视收缩现象。收缩比：第45页/共52页4、透视收缩与顶底位移abASBRsRs 当雷达波束到斜坡顶部的时间比雷达波束到斜坡底部的时间短的时候，顶部影像被先记录，底部影像被后记录，这种斜坡顶部影像和底部影像被颠倒显示的现象称顶底位移。第46页/共52页5、雷达阴影当90时，在斜坡的背后有一地段雷达波束不能到达，因此地面上该部分没有回波返回到雷达天线，从而在图像上形成阴影。阴影的影像在呈黑色。baShhsec 阴影的长度L与地物的高度h及侧视角有如下的关系：第47页/共52页机载高分辨率SAR图像树木河流第48页/共52页5、雷达阴影Radar shadowradar shadow effects第49页/共52页 本次课小结本次课小结 一、为什么需要雷达成像？一、为什么需要雷达成像？二、雷达是什么？二、雷达是什么？三、雷达的一般结构和成像过程三、雷达的一般结构和成像过程 四、真实孔径侧视雷达四、真实孔径侧视雷达 五、合成孔径侧视雷达五、合成孔径侧视雷达 六、侧视雷达几何特性六、侧视雷达几何特性第50页/共52页本次课作业题：本次课作业题：1 1、微波遥感具有哪些优势？、微波遥感具有哪些优势？2 2、什么叫真实孔径雷达？、什么叫真实孔径雷达？3 3、什么叫合成孔径雷达？、什么叫合成孔径雷达？4 4、RARRAR图像的方位向分辨率、距离向分辨率的图像的方位向分辨率、距离向分辨率的 表达式及其含义？表达式及其含义？5 5、SARSAR图像的方位向分辨率、距离向分辨率图像的方位向分辨率、距离向分辨率 表达式及其含义？表达式及其含义？6 6、简述雷达图像的几何变形规律。、简述雷达图像的几何变形规律。7 7、简述雷达图像透视收缩、顶底位移形成原因。、简述雷达图像透视收缩、顶底位移形成原因。第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页