微波遥感系统幻灯片.ppt

1第1页，共33页，编辑于2022年，星期六微波遥感系统n合成孔径雷达合成孔径雷达nSAR系统及其应用2第2页，共33页，编辑于2022年，星期六被动与主动遥感被动与主动遥感微波观测方式微波观测方式主动方式主动方式:利用遥感器向地面发射微波然后接受其散射波的方式。利用遥感器向地面发射微波然后接受其散射波的方式。被动方式被动方式:观测地表目标的辐射方式。观测地表目标的辐射方式。3第3页，共33页，编辑于2022年，星期六微波传感器微波传感器 非成像传感器：非成像传感器：通过发射雷达信号，再接收回波信号测定参数，不以成像为目的。通过发射雷达信号，再接收回波信号测定参数，不以成像为目的。微波散射计：测量地物的散射或反射特性。微波散射计：测量地物的散射或反射特性。雷达高度计雷达高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高度变化，：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。海浪的高度等参数。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。成像传感器：成像传感器：获取在地面扫描所得到的带有地物信息的电磁波信号并形成图象获取在地面扫描所得到的带有地物信息的电磁波信号并形成图象微波辐射计、侧视雷达、微波辐射计、侧视雷达、合成孔径雷达合成孔径雷达4第4页，共33页，编辑于2022年，星期六F.Ulaby et al.,5第5页，共33页，编辑于2022年，星期六 微波辐射计微波辐射计 微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力,其发射强度其发射强度与自身的亮度温度有关。通过与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信号并换算成对应扫描接收这些信号并换算成对应的亮度温度图的亮度温度图,对地面物体状况的探测很有意义。对地面物体状况的探测很有意义。属被动遥感属被动遥感6第6页，共33页，编辑于2022年，星期六 侧视雷达侧视雷达?侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面向垂直的侧面,发射一个窄的波束发射一个窄的波束,覆盖地面上这一侧覆盖地面上这一侧面的一个条带面的一个条带,然后接收在这一条带上地物的反射波然后接收在这一条带上地物的反射波,从而形成一个图像带。随着飞行器前进从而形成一个图像带。随着飞行器前进,不断地发射这不断地发射这种脉冲波束种脉冲波束,又不断地接收回波又不断地接收回波,从而形成一幅一幅的从而形成一幅一幅的雷达图像。雷达图像。雷达成像的基本条件：雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。才有可能区分目标的不同部位。7第7页，共33页，编辑于2022年，星期六 合成孔径雷达合成孔径雷达 合成孔径雷达与侧视雷达类似合成孔径雷达与侧视雷达类似,也是在飞机或卫星平台上也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元射和接收天线分成许多小单元,每一单元发射和接收信号的时每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。目的：目的：提高图象在飞行方向的分辨率。提高图象在飞行方向的分辨率。8第8页，共33页，编辑于2022年，星期六侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理电磁波在空间中的传播速度电磁波在空间中的传播速度c是一定的是一定的,当当雷达在时间雷达在时间t1发射出一个窄脉冲发射出一个窄脉冲,被目标反被目标反射后射后,在时间在时间t2返回返回,则目标地物的距离为则目标地物的距离为:(t2-t1)*c/2(t2-t1)*c/29第9页，共33页，编辑于2022年，星期六微波传播示意图微波传播示意图l脉冲雷达脉冲雷达 pulse radar：脉冲脉冲:一个物理量在短持续时间内突变一个物理量在短持续时间内突变后迅速回到其初始状态的过程。后迅速回到其初始状态的过程。脉冲信号是一种离散信号，形状多种多脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波（也就是方波）。脉冲信号可以用来波（也就是方波）。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波表示信息，也可以用来作为载波.脉冲宽度脉冲宽度：就是高：就是高电平电平持续持续的时间。的时间。lchirp radar线性调频雷达线性调频雷达 10第10页，共33页，编辑于2022年，星期六 遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录反射回波的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来。下来。侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理(真实孔径雷达真实孔径雷达)真实孔径雷达是对平台的行进方向（称方位向）的侧方真实孔径雷达是对平台的行进方向（称方位向）的侧方（称距离向）发射宽度很窄的脉冲电波波束，然后接收从目标（称距离向）发射宽度很窄的脉冲电波波束，然后接收从目标物返回的后向散射波，从接收的信号中可以获得地表的图像。物返回的后向散射波，从接收的信号中可以获得地表的图像。11第11页，共33页，编辑于2022年，星期六脉冲宽度脉冲宽度发一个脉冲发一个脉冲,陆续陆续收到一连串回射收到一连串回射,而且回射的特性随而且回射的特性随地物不同而异地物不同而异飞行方向飞行方向12第12页，共33页，编辑于2022年，星期六A：飞行方向；：飞行方向；B：天底：天底nadirnadirE：方位向：方位向azimuth flight directionazimuth flight direction；D：距离向：距离向look directionlook direction；C：扫描宽度：扫描宽度 swath;有关术语有关术语A入射角入射角incidence angleincidence angle;B视角视角;C斜距斜距Slant distance;D地距地距Ground distance;13第13页，共33页，编辑于2022年，星期六A:近距（近距（near range）B:远距（远距（far range）14第14页，共33页，编辑于2022年，星期六距离向分辨率与方位向分辨率距离向分辨率与方位向分辨率在侧视方向的分辨率在侧视方向的分辨率(在垂直于航向在垂直于航向方向的分辨力方向的分辨力)P Pg g=c=c /2cos/2cos 脉冲持续期（脉冲宽度，脉冲持续期（脉冲宽度，时间时间s)s)，俯角，俯角，c c光速。光速。越大，越大，PgPg越大，分辨率越低越大，分辨率越低即：距离越近，距离向分辨率越低即：距离越近，距离向分辨率越低理论上讲理论上讲理论上讲理论上讲,斜距分辨率斜距分辨率斜距分辨率斜距分辨率等于脉冲宽度的一半等于脉冲宽度的一半等于脉冲宽度的一半等于脉冲宽度的一半.距离分辨率距离分辨率15第15页，共33页，编辑于2022年，星期六16第16页，共33页，编辑于2022年，星期六例:设俯角50,脉冲宽度0.1s则距离分辨力Pg =0.5 0.110-6(s)2.998 108(m/s)/cos 50=0.5 0.1 2.998/0.642788 100=23.2mPg=0.5 c cos17第17页，共33页，编辑于2022年，星期六距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反.沿航线方向的分辨率沿航线方向的分辨率方位向分辨率方位向分辨率 r ra a=*R*Rb波束宽度，波束宽度，R R天线到该像元的倾斜距离天线到该像元的倾斜距离b=/L,/L,波长，波长，L L天线长度天线长度 r ra a=(=(/L/L)*R)*R天线越长，天线越长，r ra a越小，方位分辨率越高越小，方位分辨率越高.方位分辨率方位分辨率18第18页，共33页，编辑于2022年，星期六例例:设卫星天线孔径设卫星天线孔径D=4mD=4m,波长波长=3cm,=3cm,距目标地物距目标地物800km,800km,则方位则方位分分辨力辨力P Pa a =3=3 1010-2-2(m)/4(m)(m)/4(m)800800 10103 3(m)=6000m(m)=6000m若要求方位分辨率达到若要求方位分辨率达到3m,3m,则天线孔径需则天线孔径需8000m.(8000m.(这可能么这可能么)提高距离分辨率和方位分辨率的方法：提高距离分辨率和方位分辨率的方法：提高距离分辨率和方位分辨率的方法：提高距离分辨率和方位分辨率的方法：1 1 1 1）采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度2 2 2 2）用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。19第19页，共33页，编辑于2022年，星期六合成孔径合成孔径 合成孔径雷达（合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）基本原理：基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。测精度。在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。处理过程联系在一起。在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，位和强度不同，形成相干影象形成相干影象。经过复杂的处理，得到地面的实际。经过复杂的处理，得到地面的实际影象。影象。20第20页，共33页，编辑于2022年，星期六合成孔径合成孔径21第21页，共33页，编辑于2022年，星期六合成后的天线孔径为合成后的天线孔径为Ls,Ls,则其方位分辨率为则其方位分辨率为:Rs=(/Ls)RRs=(/Ls)R由于天线最大的合成孔径为由于天线最大的合成孔径为:Ls=Ra=(/D)RLs=Ra=(/D)R则有则有Rs=DRs=D由于由于双程相移双程相移,方位分辨率还可提高一倍方位分辨率还可提高一倍,即即Rs=D/2Rs=D/2式中，式中，:波长；波长；D D：雷达孔径；：雷达孔径；R R：斜距。：斜距。由此可知，方位向的分辨率与距离无关，所以，即使从卫星的高度上也可由此可知，方位向的分辨率与距离无关，所以，即使从卫星的高度上也可以获得高分辨率的图像。以获得高分辨率的图像。22第22页，共33页，编辑于2022年，星期六23第23页，共33页，编辑于2022年，星期六斜距图象的比例尺变化斜距图象的比例尺变化A、B、C为三个长度相等的线性地物。为三个长度相等的线性地物。斜距图象、地距图象斜距图象、地距图象侧视雷达图象侧视雷达图象24第24页，共33页，编辑于2022年，星期六雷达图象变形：距离向雷达图象变形：距离向25第25页，共33页，编辑于2022年，星期六地距图象与斜距图象地距图象与斜距图象26第26页，共33页，编辑于2022年，星期六地形地形(几何几何)畸变畸变透视收缩（透视收缩（透视收缩（透视收缩（foreshorteningforeshortening）：山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往往表山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往往表现为较高的亮度；现为较高的亮度；坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。叠掩叠掩叠掩叠掩(Layover)(Layover)：当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，因此，在图象的距离方向，山顶和山底的相对位置颠倒；因此，在图象的距离方向，山顶和山底的相对位置颠倒；收缩度：坡顶的收缩度比坡底大收缩度：坡顶的收缩度比坡底大阴影阴影阴影阴影(Shadow)(Shadow)：当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时，没有回当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时，没有回波信号产生，图象上出现暗区波信号产生，图象上出现暗区27第27页，共33页，编辑于2022年，星期六28第28页，共33页，编辑于2022年，星期六侧视雷达的入射方位对影像的影响在山区地形情况下在山区地形情况下,在雷达影像中在雷达影像中,地形起伏一般表现为明显地形起伏一般表现为明显的的亮坡亮坡-阴影组合阴影组合特征特征.沟谷和山脊的面向入射坡为亮坡而背光沟谷和山脊的面向入射坡为亮坡而背光坡为阴影坡为阴影.因此因此,随着入射方位不同随着入射方位不同,不同方向的线状地形起伏不同方向的线状地形起伏将会得到突出将会得到突出-线状的线状的亮坡亮坡-阴影组合阴影组合总是平行于平台航向总是平行于平台航向,亮坡朝向传感器亮坡朝向传感器,阴影背对传感器阴影背对传感器.29第29页，共33页，编辑于2022年，星期六微波遥感系统n合成孔径雷达nSAR系统及其应用系统及其应用30第30页，共33页，编辑于2022年，星期六机载机载SAR 系统系统E-SARSRTM?一般使用双天线一般使用双天线31第31页，共33页，编辑于2022年，星期六星载星载 SAR系统系统NASA 1978年年 Seasat卫星卫星 L BandESA 1991年年ERS-1;1995年年ERS-2 C-Band2002年年 EnviSat-1 C-BandJAXA 2006年年 ALOS PALSARDLR 2009年年 TerraSAR-X 以及以及 TanDEM-X此外此外RadarSAT-1/2;COSMO-SKYMEDhttp:/www.esa.int/32第32页，共33页，编辑于2022年，星期六ERS-1ERS-2LaunchfromKourou,FrenchGuiana17July199121April1995LauncherAriane4Launchmass2384kg2516kgNumberofinstruments4/5includingSARwithGOMEaddedtoERS-2OrbitSunsynchronous,altitude800kmInclination98.5degreesTimeforoneorbit100minutesCycle35-dayrepeat33第33页，共33页，编辑于2022年，星期六