合成孔径雷达-遥感原理与应用课件

合成孔径雷达原理方法与应用张继超测绘与地理科学学院张继超测绘与地理科学学院内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念1合成孔径雷达（SAR）的基本概念雷达(Radar)Radar–RadioDetectionandRanging

无线电探测和测距合成孔径雷达(SAR)SAR–SyntheticApertureRadar

合成孔径雷达1合成孔径雷达（SAR）的基本概念雷达是主动遥感，一般工作在微波（射频）波段，可分为成像雷达和非成像雷达。成像雷达又可分为真实孔径雷达（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，SpotlightMode；干涉式，Interferometry；逆合成孔径，InverseSAR；斜视，Squint；地面动目标指示，GMTI，GroundMovingTargetIndicator.合成孔径雷达（SAR）的基本概念雷达是主动遥感，一般工作在微波（射频）波段，可分为成像雷达和波段名称波长（cm）频率区间（GHz）Ka0.75-1.1840.0-26.5K1.19-1.6726.5-18.0Ku1.67-2.418.0-12.5X2.4-3.812.5-8.0C3.9-7.58.0-4.0S7.5-15.04.0-2.0L15.0-30.02.0-1.0P30.0-1001.0-0.3常用雷达遥感波段表合成孔径雷达（SAR）的基本概念波段名称波长（cm）频率区间（GHz）Ka0.75-1.18雷达遥感波段地球资源应用中的常用波段：X，C，L波长增加，穿透能力增加。在晴朗天气状况下，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（用于机载天气探测雷达系统）雷达遥感波段地球资源应用中的常用波段：X，C，L雷达遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。C波段可以用来对海洋及海冰进行成像，而L波段可以更深地穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用。较长的波长可以穿透的更深，在冠层、树干及土壤间发生多次散射。雷达遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JER合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR原始数据及其相应的SAR图像（北京·颐和园·2009.9·RADARSAT-2）合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR原始数据及其相应的SA合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR图像及其相应的光学影像（北京·颐和园·2009.9·RADARSAT-2；2009.6·QuickBird）合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR图像及其相应的光学影像合成孔径雷达（SAR）的基本概念同一地区的光学图像（云的干扰严重）与SAR图像合成孔径雷达（SAR）的基本概念同一地区的光学图像（云的干扰机载SAR系统机载SAR系统1978SeasatLHH1981,SIR-ALHH1984,SIR-BLHH1994,SIR-C/X-SARL,CQudPol,XVV2000,SRTM,InSARCWideSwathXnarrow,HiRes1990,Magellan1991,ERS-1CVV2002,ENVISATASARC,Mutli-POL1996,ERS-2CVV2007,COSMO-SkyMed10CCRS,CanadaNASDA,Japan1992JERS-1LHH2007,12Radarsat-2,CQudPol1996RADARSAT-1,CHH2006ALOS-PALSARL,MultiPol2007,TerraSAR星载SAR系统1978Seasat1981,SIR-A1984,SI内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法侧视雷达

侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面，发射一个窄的波束，覆盖地面上这一侧面的一个条带，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，不断地发射这种脉冲波束，又不断地接收回波，从而形成一幅一幅的雷达图像。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，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。2SAR的基本原理与方法侧视雷达侧视雷达工作原理电磁波在空间中的传播速度c是一定的,当雷达在时间t1发射出一个窄脉冲,被目标反射后,在时间t2返回,则目标地物的距离为:

(t2-t1)×c/2侧视雷达工作原理电磁波在空间中的传播速度c是一定的,当雷达在脉冲宽度发一个脉冲,陆续收到一连串回射,而且回射的特性随地物不同而异飞行方向侧视雷达工作原理脉冲宽度发一个脉冲,陆续收到一连串回射,而且回射的特性随地物A：飞行方向B：天底

nadirE：方位向

azimuthflightdirection

D：距离向

lookdirection

C：扫描宽度有关术语（1）A：飞行方向有关术语（1）A:入射角

incidenceangle;B:视角;C:斜距Slantdistance;D:地距

Grounddistance;有关术语（2）A:入射角有关术语（2）A:近射程nearrangeB:远射程farrange有关术语（3）A:近射程有关术语（3）在侧视方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力)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，分辨率越低【距离越近，距离向分辨率越低】理论上讲,斜距分辨率等于脉冲宽度的一半距离分辨率有关术语（4）在侧视方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力)φ越大，P计算示例：设俯角50,脉冲宽度0.1s则距离分辨力Pg=0.50.110-6(s)2.998108(m/s)/cos50=0.50.12.998/0.642788100=23.2mPg=0.5c／cos距离分辨率有关术语（5）计算示例：Pg=0.5c／cos距离分辨率有关距离越近，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ra=×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天线越长，ra越小，方位分辨率越高有关术语（6）方位分辨率距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。沿航线计算示例：设卫星天线孔径D=4m,波长=3cm,距目标地物200km,则方位分辨力若要求方位分辨率达到3m,则天线孔径需2000m。（这是不可能的）距离分辨率有关术语（7）ra=[310-2(m)/4(m)]200103(m)=1500mra=(/L)×R计算示例：距离分辨率有关术语（7）ra=[310-提高距离分辨率和方位分辨率的方法：1）采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度；2）用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。合成孔径雷达侧视雷达工作原理提高距离分辨率和方位分辨率的方法：合成孔径雷达侧视雷达工作原2SAR的基本原理与方法合成孔径雷达

合成孔径雷达（SAR），也是侧视雷达。

基本原理：

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，相位和强度不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地面的实际影像。2SAR的基本原理与方法合成孔径雷达合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辨率为:Rs=(λ/Ls)R由于天线最大的合成孔径为:Ls=Ra=(λ/D)R则有Rs=D由于双程相移,方位分辨率还可提高一倍,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。合成孔径雷达工作原理合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辨率为:合成孔径雷达工作原合成孔径雷达工作原理理论计算表明：合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：Pa=l/2l为天线长度合成孔径雷达工作原理理论计算表明：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。SAR图像的几何特征斜距图像和地距图像的比较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。SA雷达图像变形：距离向SAR图像的几何特征雷达图像变形：距离向SAR图像的几何特征地距图像与斜距图像SAR图像的几何特征斜距图像地距图像地距图像与斜距图像SAR图像的几何特征斜距图像地距图像地形畸变透视收缩foreshortening山体面向雷达的一面在图像上被压缩，这一部分往往表现为较高亮度；坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。叠掩(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，因此，在图像的距离方向，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阴影(Shadow)：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，图像上出现暗区。SAR图像的几何特征地形畸变透视收缩foreshortening叠掩(Layov透视收缩示例：SAR图像的几何特征C波段ERS-1侧视角：23°L波段ERS-1侧视角：36°侧视方向↓中等入射角，透视收缩明显。透视收缩示例：SAR图像的几何特征C波段ERS-1叠掩示例：SAR图像的几何特征侧视方向→小入射角，叠掩明显。叠掩示例：SAR图像的几何特征侧视方向→小入射角，叠掩阴影示例：SAR图像的几何特征侧视方向→大入射角，阴影严重。阴影示例：SAR图像的几何特征侧视方向→大入射角，阴影与光学图像的比较SAR图像的几何特征光学影像雷达影像侧视方向→与光学图像的比较SAR图像的几何特征光学影像雷达影像侧视方向雷达方程其中Pt：发射功率(发射机到天线)Pr：接收功率(天线到接收机)R：作用距离(天线到目标)λ：工作波长G：天线增益(发射机或接收机)б：雷达散射截面积雷达方程描述了雷达系统、散射体和接收信号三者之间的基本关系：雷达方程其中雷达方程描述了雷达系统、散射体和接收信号三者之间SAR数据处理方法□辐射校正□斑点噪声抑制□几何校正□干涉处理2SAR的基本原理与方法SAR数据处理方法2SAR的基本原理与方法SAR校正的一个重要方面是辐射校正，也就是把SAR图像像元值与场景的雷达后向散射系统定量地关联起来。经过校正的SAR图像应当具有逐日逐帧的可重复性，具有图像帧内和各通道之间的稳定性，并且具有已知的、合理的精度。对SAR校准的要求：达到±1dB的绝对精度，±0.5dB的长期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：极化通道在幅度上的失衡小于0.4dB，相位失衡小于10º，通道之间的串扰小于-30dB。辐射校正SAR校正的一个重要方面是辐射校正，也就是把SAR图像像元值

在观测扩散面目标的回波信号中，相同地物的回波因为相位的随机分布而不同，那些回波功率衰减到远低于平均值电平的像素亮度很低，在图像上就表现为黑点；那些回波功率增强到远高于平均值电平的像素亮度很高，在图像上表现为亮点。SAR图像斑点的形成机理斑点噪声抑制在观测扩散面目标的回波信号中，相同地物的回波斑点抑制的主要方法成像前的多视处理成像后的滤波技术空间域滤波频率域滤波均值滤波中值滤波Lee滤波Frost滤波Kuan滤波高通滤波低通滤波SAR斑点抑制目标：在保持尽量多的图像细节信息同时达到最好的斑点抑制。斑噪抑制目标及主要方法斑点抑制的主要方法成像前的多视处理成像后的滤波技术空间域滤波当需要确切获取SAR影像上地物特征的空间位置信息时，或需要对多时相、多源信息进行综合分析时，必须对SAR影像进行精确的几何校正处理。几何校正光学近似模型的SAR几何精确纠正共线方程G.Konecny公式正射纠正

由数字摄影测量学界发展的基于雷达共线方程的方法。这种方法通常基于简化的雷达成像几何关系建立SAR共线方程。行中心投影公式正射纠正当需要确切获取SAR影像上地物特征的空间位置信息时，基于成像模型的SAR几何精确纠正R-D模型正射纠正

由SAR图像处理算法及系统开发领域专家提出的基于距离——多普勒（RD）定位模型的方法，这种算法完成从SAR成像机理出发，和SAR的信号处理过程有机结合，已经成为通常SAR处理器都具备的标准SAR图像产品生产方法。基于SAR模拟成像的正射纠正几何校正基于成像模型的SAR几何精确纠正几何校正图像的几何粗校正地球自转、曲率、卫星姿态的校正斜距-地距改正利用地面控制点拟合变换公式近似进行简单校正Doppler方程独立于卫星姿态并可以消除地球自转、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几何校正图像的几何粗校正几何校正斜地变换列间隔7.9米行间隔3.9米卫星斜距地距几何校正斜地变换列间隔7.9米行间隔3.9米卫星斜距地距几何校正斜地变换（续）重采样几何校正斜地变换（续）重采样几何校正斜距图像地距图像几何校正斜距图像地距图像几何校正□多项式纠正□共线方程G.Konecny公式正射纠正几何校正□多项式纠正□共线方程G.Konecny公式正射纠正处理流程根据SAR头文件的星历信息计算卫星轨道数据，并按照坐标变换关系将卫星轨道坐标、控制点坐标、及DEM数据转换到同一坐标系（椭球割面坐标系）中。利用控制点坐标像素值与地理坐标值之间的对应关系，组建正射纠正模型。对正射纠正模型进行线性化，通过采用线角元素分开、岭估计等方法确定正射模型中的各待定参数值。依据输出图像的图幅范围，按照指定的输出像元的大小，计算DEM范围内各点的地理坐标所对应的像素坐标。利用得到的像素坐标在待纠正中的SAR影像中通过采样（最邻近差值或双线性差值）求出地面控制点其地理坐标值处所对应的像素灰度值。正射图像生成。几何校正处理流程几何校正去平地效应干涉纹图高精度配准辅图像SLC主图像SLCDEM相位解缠地理编码算法流程简图热点干涉处理去平地效应干涉纹图高精度配准辅图像主图像DEM相位解缠地理内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR的应用领域地物分类与地图制图获取地形高程信息——DEM监测地表微小形变

——火山，地震，滑坡，冰川等监测灾害防治、评估与应急抗灾

3SAR的应用领域和优势SAR的应用领域3SAR的应用领域和优势a原始影像b对影像进行分割d决策数分类结果（96%）极化SAR高精度自动分类c分类参数SAR的应用领域a原始影像b对影像进行分割d决策数分类结果（96%）获取地形高程信息——DEMSAR的应用领域获取地形高程信息——DEMSAR的应用领域地物变化监测SAR的应用领域地物变化监测SAR的应用领域Landers地震监测（Science）SAR的应用领域Landers地震监测（Science）SAR的应用领域InSAR进行滑坡监测SAR的应用领域InSAR进行滑坡监测SAR的应用领域堰塞湖监测SAR的应用领域堰塞湖监测SAR的应用领域热带雨林监测SAR的应用领域热带雨林监测SAR的应用领域南极冰川运动速度计算SAR的应用领域南极冰川运动速度计算SAR的应用领域火山监测SAR的应用领域火山监测SAR的应用领域与光学遥感相比，SAR具有如下优势:

全天候，不受云雾雪的影响，雨的影响有限全天时，主动遥感系统对地表有一定的穿透能力，与土壤含水量有关，依赖于波长对植被有一定的穿透能力，依赖于波长和入射角高分辨率，分辨率与距离无关独特的辐射和几何特性干涉测量能力多极化观测能力3SAR的应用领域和优势□SAR的优势3SAR的应用领域和优势□SAR的优势内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——干涉高程测量

4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——干涉高程4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——高分辨率

高分辨率带来工作模式的变化：20世纪90年代后期之后研制或计划研制的星载SAR基本上都具有多种工作模式；继条带式、SCANSAR、多极化模式之后，干涉、GMTI、全极化、聚束、多波束和多频等工作模式也将成为以卫星为载体的星载SAR的工作模式之一；在多种工作模式中一般要具有：适合全球覆盖和发现目标的“低分辨率、宽测绘带模式；适合识别目标的“高分辨率，窄测绘带”模式。4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——高分辨率4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——小型化

4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——小型化4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——多极化

4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——多极化4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——多时相

高时间分辨率（多时相）：又称为重复观测周期，是指相邻两次观测同一目标地区的时间间隔；理想的时间分辨率是实时观测，现实的是近实时观测；对于单颗星，在600~700公里的轨道高度，若测绘带宽500~600公里，对于特定的地区，时间分辨率可以达到5天；通过卫星组网可以显著提高时间分辨率。如DISCOVERII使用24颗星组网，时间分辨率提高到15分钟。4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——多时相4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——运动目标检测

运动目标检测：

发展多通道SAR；应用：军事运动目标检测；洋流监测。运动目标检测（德国E-SAR）4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——运动目标4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——多波段

为什么要使用多波段？SAR测量的是目标的后向散射系数，而目标的散射系数是随频率变化的；多频测量可以获得更加丰富的信息，有利于目标的分类和识别；单波段的SAR只能适合部分类型的目标观测，多波段SAR可以适用于对更多类型目标的观测；通过多频测量，还可找出各种应用情况下的最佳测量频率。多波段的实现方式：在一可卫星上配置多波段的SAR，实现真正的多波段测量，如：SIR-C/XSAR、LightSAR、IRS-3和Almaz-1B等；在不同的卫星上配置不同波段的SAR，实现近似的多波段测量，如：TerraSAR。4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——多波段4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——极化干涉SAR

极化SAR：对散射体的形状、方向、介电性质较为敏感；可通过极化分解技术获取对分辨单元内不同散射机理/过程的描述；干涉SAR：高程信息获取技术；可实现对平均散射中心的定位。极化干涉SAR：敏感于垂直分布散射机理，具有获取分辨单元内随高度分布变化的散射特性的能力；开展体散射体（volumescatters）三维结构研究的可能；同时完成纹理结构配准和空间特性恢复的可能；非监督分割分类和地物参数反演的可能。4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——极化干涉极化干涉SAR用于森林参数估计4SAR的发展方向与研究热点极化干涉SAR用于森林参数估计4SAR的发展方向与研究热点4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——3DSAR

4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——3DSA4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——3DSAR

4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——3DSA4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——3DSAR

4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——3DSA4SAR的发展方向与研究热点未来SAR系统的发展方向小型化、易于实现、提供各类用户感兴趣的信息、星载的实时处理以降低传输资源的消耗等。多维度微波成像从波段、极化、视角、分辨率等多个不同维度对观测物体（场景和目标）的物理和几何特性进行综合描述。未来SAR系统目标构成全球传感器网络，建立自主的全球范围的集成通讯、定位和导航能力的遥感系统；同步的机载、星载接收机群，形成具有全球覆盖、连续观测、极高分辨力和提供不同用户所需的信息的能力；获取观测对象更为丰富的信息，达到对目标的分类、辨认和识别。4SAR的发展方向与研究热点未来SAR系统的发展方向底面顶点：三种基本成像方式，实现空间单一维度上成像；三角形底边、棱边、侧面:单一维度的延伸与两个维度的综合而成的面，实现至少两个维度的成像；三角形顶点:点、线、面的汇聚，可实现多维度微波信息的综合成像（微波成像新体制）。底面顶点：三种基本成像方式，实现空间单一维度上成像；谢谢！合成孔径雷达-遥感原理与应用课件合成孔径雷达原理方法与应用张继超测绘与地理科学学院张继超测绘与地理科学学院内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念1合成孔径雷达（SAR）的基本概念雷达(Radar)Radar–RadioDetectionandRanging

无线电探测和测距合成孔径雷达(SAR)SAR–SyntheticApertureRadar

合成孔径雷达1合成孔径雷达（SAR）的基本概念雷达是主动遥感，一般工作在微波（射频）波段，可分为成像雷达和非成像雷达。成像雷达又可分为真实孔径雷达（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，SpotlightMode；干涉式，Interferometry；逆合成孔径，InverseSAR；斜视，Squint；地面动目标指示，GMTI，GroundMovingTargetIndicator.合成孔径雷达（SAR）的基本概念雷达是主动遥感，一般工作在微波（射频）波段，可分为成像雷达和波段名称波长（cm）频率区间（GHz）Ka0.75-1.1840.0-26.5K1.19-1.6726.5-18.0Ku1.67-2.418.0-12.5X2.4-3.812.5-8.0C3.9-7.58.0-4.0S7.5-15.04.0-2.0L15.0-30.02.0-1.0P30.0-1001.0-0.3常用雷达遥感波段表合成孔径雷达（SAR）的基本概念波段名称波长（cm）频率区间（GHz）Ka0.75-1.18雷达遥感波段地球资源应用中的常用波段：X，C，L波长增加，穿透能力增加。在晴朗天气状况下，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（用于机载天气探测雷达系统）雷达遥感波段地球资源应用中的常用波段：X，C，L雷达遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。C波段可以用来对海洋及海冰进行成像，而L波段可以更深地穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用。较长的波长可以穿透的更深，在冠层、树干及土壤间发生多次散射。雷达遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JER合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR原始数据及其相应的SAR图像（北京·颐和园·2009.9·RADARSAT-2）合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR原始数据及其相应的SA合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR图像及其相应的光学影像（北京·颐和园·2009.9·RADARSAT-2；2009.6·QuickBird）合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR图像及其相应的光学影像合成孔径雷达（SAR）的基本概念同一地区的光学图像（云的干扰严重）与SAR图像合成孔径雷达（SAR）的基本概念同一地区的光学图像（云的干扰机载SAR系统机载SAR系统1978SeasatLHH1981,SIR-ALHH1984,SIR-BLHH1994,SIR-C/X-SARL,CQudPol,XVV2000,SRTM,InSARCWideSwathXnarrow,HiRes1990,Magellan1991,ERS-1CVV2002,ENVISATASARC,Mutli-POL1996,ERS-2CVV2007,COSMO-SkyMed10CCRS,CanadaNASDA,Japan1992JERS-1LHH2007,12Radarsat-2,CQudPol1996RADARSAT-1,CHH2006ALOS-PALSARL,MultiPol2007,TerraSAR星载SAR系统1978Seasat1981,SIR-A1984,SI内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法侧视雷达

侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面，发射一个窄的波束，覆盖地面上这一侧面的一个条带，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，不断地发射这种脉冲波束，又不断地接收回波，从而形成一幅一幅的雷达图像。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，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。2SAR的基本原理与方法侧视雷达侧视雷达工作原理电磁波在空间中的传播速度c是一定的,当雷达在时间t1发射出一个窄脉冲,被目标反射后,在时间t2返回,则目标地物的距离为:

(t2-t1)×c/2侧视雷达工作原理电磁波在空间中的传播速度c是一定的,当雷达在脉冲宽度发一个脉冲,陆续收到一连串回射,而且回射的特性随地物不同而异飞行方向侧视雷达工作原理脉冲宽度发一个脉冲,陆续收到一连串回射,而且回射的特性随地物A：飞行方向B：天底

nadirE：方位向

azimuthflightdirection

D：距离向

lookdirection

C：扫描宽度有关术语（1）A：飞行方向有关术语（1）A:入射角

incidenceangle;B:视角;C:斜距Slantdistance;D:地距

Grounddistance;有关术语（2）A:入射角有关术语（2）A:近射程nearrangeB:远射程farrange有关术语（3）A:近射程有关术语（3）在侧视方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力)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，分辨率越低【距离越近，距离向分辨率越低】理论上讲,斜距分辨率等于脉冲宽度的一半距离分辨率有关术语（4）在侧视方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力)φ越大，P计算示例：设俯角50,脉冲宽度0.1s则距离分辨力Pg=0.50.110-6(s)2.998108(m/s)/cos50=0.50.12.998/0.642788100=23.2mPg=0.5c／cos距离分辨率有关术语（5）计算示例：Pg=0.5c／cos距离分辨率有关距离越近，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ra=×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天线越长，ra越小，方位分辨率越高有关术语（6）方位分辨率距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。沿航线计算示例：设卫星天线孔径D=4m,波长=3cm,距目标地物200km,则方位分辨力若要求方位分辨率达到3m,则天线孔径需2000m。（这是不可能的）距离分辨率有关术语（7）ra=[310-2(m)/4(m)]200103(m)=1500mra=(/L)×R计算示例：距离分辨率有关术语（7）ra=[310-提高距离分辨率和方位分辨率的方法：1）采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度；2）用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。合成孔径雷达侧视雷达工作原理提高距离分辨率和方位分辨率的方法：合成孔径雷达侧视雷达工作原2SAR的基本原理与方法合成孔径雷达

合成孔径雷达（SAR），也是侧视雷达。

基本原理：

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，相位和强度不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地面的实际影像。2SAR的基本原理与方法合成孔径雷达合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辨率为:Rs=(λ/Ls)R由于天线最大的合成孔径为:Ls=Ra=(λ/D)R则有Rs=D由于双程相移,方位分辨率还可提高一倍,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。合成孔径雷达工作原理合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辨率为:合成孔径雷达工作原合成孔径雷达工作原理理论计算表明：合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：Pa=l/2l为天线长度合成孔径雷达工作原理理论计算表明：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。SAR图像的几何特征斜距图像和地距图像的比较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。SA雷达图像变形：距离向SAR图像的几何特征雷达图像变形：距离向SAR图像的几何特征地距图像与斜距图像SAR图像的几何特征斜距图像地距图像地距图像与斜距图像SAR图像的几何特征斜距图像地距图像地形畸变透视收缩foreshortening山体面向雷达的一面在图像上被压缩，这一部分往往表现为较高亮度；坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。叠掩(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，因此，在图像的距离方向，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阴影(Shadow)：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，图像上出现暗区。SAR图像的几何特征地形畸变透视收缩foreshortening叠掩(Layov透视收缩示例：SAR图像的几何特征C波段ERS-1侧视角：23°L波段ERS-1侧视角：36°侧视方向↓中等入射角，透视收缩明显。透视收缩示例：SAR图像的几何特征C波段ERS-1叠掩示例：SAR图像的几何特征侧视方向→小入射角，叠掩明显。叠掩示例：SAR图像的几何特征侧视方向→小入射角，叠掩阴影示例：SAR图像的几何特征侧视方向→大入射角，阴影严重。阴影示例：SAR图像的几何特征侧视方向→大入射角，阴影与光学图像的比较SAR图像的几何特征光学影像雷达影像侧视方向→与光学图像的比较SAR图像的几何特征光学影像雷达影像侧视方向雷达方程其中Pt：发射功率(发射机到天线)Pr：接收功率(天线到接收机)R：作用距离(天线到目标)λ：工作波长G：天线增益(发射机或接收机)б：雷达散射截面积雷达方程描述了雷达系统、散射体和接收信号三者之间的基本关系：雷达方程其中雷达方程描述了雷达系统、散射体和接收信号三者之间SAR数据处理方法□辐射校正□斑点噪声抑制□几何校正□干涉处理2SAR的基本原理与方法SAR数据处理方法2SAR的基本原理与方法SAR校正的一个重要方面是辐射校正，也就是把SAR图像像元值与场景的雷达后向散射系统定量地关联起来。经过校正的SAR图像应当具有逐日逐帧的可重复性，具有图像帧内和各通道之间的稳定性，并且具有已知的、合理的精度。对SAR校准的要求：达到±1dB的绝对精度，±0.5dB的长期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：极化通道在幅度上的失衡小于0.4dB，相位失衡小于10º，通道之间的串扰小于-30dB。辐射校正SAR校正的一个重要方面是辐射校正，也就是把SAR图像像元值

在观测扩散面目标的回波信号中，相同地物的回波因为相位的随机分布而不同，那些回波功率衰减到远低于平均值电平的像素亮度很低，在图像上就表现为黑点；那些回波功率增强到远高于平均值电平的像素亮度很高，在图像上表现为亮点。SAR图像斑点的形成机理斑点噪声抑制在观测扩散面目标的回波信号中，相同地物的回波斑点抑制的主要方法成像前的多视处理成像后的滤波技术空间域滤波频率域滤波均值滤波中值滤波Lee滤波Frost滤波Kuan滤波高通滤波低通滤波SAR斑点抑制目标：在保持尽量多的图像细节信息同时达到最好的斑点抑制。斑噪抑制目标及主要方法斑点抑制的主要方法成像前的多视处理成像后的滤波技术空间域滤波当需要确切获取SAR影像上地物特征的空间位置信息时，或需要对多时相、多源信息进行综合分析时，必须对SAR影像进行精确的几何校正处理。几何校正光学近似模型的SAR几何精确纠正共线方程G.Konecny公式正射纠正

由数字摄影测量学界发展的基于雷达共线方程的方法。这种方法通常基于简化的雷达成像几何关系建立SAR共线方程。行中心投影公式正射纠正当需要确切获取SAR影像上地物特征的空间位置信息时，基于成像模型的SAR几何精确纠正R-D模型正射纠正

由SAR图像处理算法及系统开发领域专家提出的基于距离——多普勒（RD）定位模型的方法，这种算法完成从SAR成像机理出发，和SAR的信号处理过程有机结合，已经成为通常SAR处理器都具备的标准SAR图像产品生产方法。基于SAR模拟成像的正射纠正几何校正基于成像模型的SAR几何精确纠正几何校正图像的几何粗校正地球自转、曲率、卫星姿态的校正斜距-地距改正利用地面控制点拟合变换公式近似进行简单校正Doppler方程独立于卫星姿态并可以消除地球自转、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几何校正图像的几何粗校正几何校正斜地变换列间隔7.9米行间隔3.9米卫星斜距地距几何校正斜地变换列间隔7.9米行间隔3.9米卫星斜距地距几何校正斜地变换（续）重采样几何校正斜地变换（续）重采样几何校正斜距图像地距图像几何校正斜距图像地距图像几何校正□多项式纠正□共线方程G.Konecny公式正射纠正几何校正□多项式纠正□共线方程G.Konecny公式正射纠正处理流程根据SAR头文件的星历信息计算卫星轨道数据，并按照坐标变换关系将卫星轨道坐标、控制点坐标、及DEM数据转换到同一坐标系（椭球割面坐标系）中。利用控制点坐标像素值与地理坐标值之间的对应关系，组建正射纠正模型。对正射纠正模型进行线性化，通过采用线角元素分开、岭估计等方法确定正射模型中的各待定参数值。依据输出图像的图幅范围，按照指定的输出像元的大小，计算DEM范围内各点的地理坐标所对应的像素坐标。利用得到的像素坐标在待纠正中的SAR影像中通过采样（最邻近差值或双线性差值）求出地面控制点其地理坐标值处所对应的像素灰度值。正射图像生成。几何校正处理流程几何校正去平地效应干涉纹图高精度配准辅图像SLC主图像SLCDEM相位解缠地理编码算法流程简图热点干涉处理去平地效应干涉纹图高精度配准辅图像主图像DEM相位解缠地理内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念SAR的应用领域地物分类与地图制图获取地形高程信息——DEM监测地表微小形变

——火山，地震，滑坡，冰川等监测灾害防治、评估与应急抗灾

3SAR的应用领域和优势SAR的应用领域3SAR的应用领域和优势a原始影像b对影像进行分割d决策数分类结果（96%）极化SAR高精度自动分类c分类参数SAR的应用领域a原始影像b对影像进行分割d决策数分类结果（96%）获取地形高程信息——DEMSAR的应用领域获取地形高程信息——DEMSAR的应用领域地物变化监测SAR的应用领域地物变化监测SAR的应用领域Landers地震监测（Science）SAR的应用领域Landers地震监测（Science）SAR的应用领域InSAR进行滑坡监测SAR的应用领域InSAR进行滑坡监测SAR的应用领域堰塞湖监测SAR的应用领域堰塞湖监测SAR的应用领域热带雨林监测SAR的应用领域热带雨林监测SAR的应用领域南极冰川运动速度计算SAR的应用领域南极冰川运动速度计算SAR的应用领域火山监测SAR的应用领域火山监测SAR的应用领域与光学遥感相比，SAR具有如下优势:

全天候，不受云雾雪的影响，雨的影响有限全天时，主动遥感系统对地表有一定的穿透能力，与土壤含水量有关，依赖于波长对植被有一定的穿透能力，依赖于波长和入射角高分辨率，分辨率与距离无关独特的辐射和几何特性干涉测量能力多极化观测能力3SAR的应用领域和优势□SAR的优势3SAR的应用领域和优势□SAR的优势内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念2SAR的基本原理与方法3SAR的应用领域和优势4SAR的发展方向与研究热点内容提要1合成孔径雷达（SAR）的基本概念4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——干涉高程测量

4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——干涉高程4SAR的发展方向与研究热点SAR的研究热点之——高分辨率

高分辨率带来工作模式的变化：20世纪90年代后期之后研制或计划研制的星载SAR基本上都具有多种工作模式；继条带式、SCANSA