遥感图像判绘侧视雷达成像讲课

一、雷达简介雷达是英文Radar的音译，源于RadioDetectionandRanging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。雷达是利用目标对电磁波的反射或散射现象来发现目标并测定其位置的。飞机、导弹、人造卫星、各种舰艇、车辆、兵器、炮弹以及建筑物、山川、云雨等等，都可能作为雷达的探测目标。第1页/共60页第一页，共61页。一、雷达简介主动式遥感器，使用微波波段，发射波长0.1-100cm特点：全天候、全天时，地面分辨率明显提高；几何关系复杂第2页/共60页第二页，共61页。发展历史mid1800'sJamesClerkMaxwellfirstdefinedtheessentialcharacteristicsofmicrowavesin1886,HeinrichR.Hertzdiscoveredthatmicrowavescouldbereflectedfromvarioustargets1900GuglielmoM.Marconidevisedapracticalantennafortransmitting&receivingradiosignals1922A.H.Taylor&L.C.Young(U.S.Navy)discoveredthepotentialofradiosignalsfordetectingthepresenceoflargeobjectsatadistance第3页/共60页第三页，共61页。发展历史1935SirRobertWatson-Watt(U.K.)devisedthefirstinstrumentwhichintegratedthetransmitterandreceiveronthesameantennausingapulsedsignal-thefirstradar1950'sdevelopmentofexperimentalsyntheticapertureradars(SARs)formilitarypurposes

usingairborneplatforms1960'simagingradarwasslowlydeclassifiedfromthemilitaryanddevelopedforterrainandnaturalresourcesurveys1970'sspaceborneSARs

第4页/共60页第四页，共61页。国外主要星载雷达Seasat.SIR-A.SIR-B（美国）钻石-1（前苏联）ERS-1（欧空局）JERS-1（日本）Radarsat(加拿大)第5页/共60页第五页，共61页。侧视雷达的一般结构侧视雷达一般由脉冲发射机、接收机、发射接收转换开关、天线和显示记录器组成。脉冲发射机产生脉冲信号，由转换开关控制，经天线向观测地区发射。地物反射或者散射的电磁波也由转换开关控制进入接收机。接收的信号在显示器上显示或记录在磁带上。天线发射器转换开关接收机显示器目标R噪声信号处理机发射的电磁波接收的电磁波第6页/共60页第六页，共61页。成像雷达常用的波段波段名称频率（GHz）测量对象L1-2波浪S3-4地质C4-8土壤水分X8-12降雨Ku12-18风、冰、大地水准面K18-27植被Ka27-40雪W75附近云第7页/共60页第七页，共61页。雷达的优点1.微波能穿透云雾和雨雪，有全天候、全天时的工作能力，这对实时监测十分有利。2.微波对地物有一定的穿透能力。如微波可穿透几十米的沙层和上百米的冰层；对中度含水量的土壤能穿透几米甚至十几米，可用于地下勘探和军事目标探测。3.侧视雷达图像不仅包含了地物对微波的反射或散射的强弱，而且还包含了回波的相位信息，从而可进行雷达干涉测量（RadarInterferometry），确定目标的高度。4.侧视雷达图像的地面分辨率与平台高度无关。第8页/共60页第八页，共61页。二、真实孔径侧视雷达RealApertureSide-lookingRadar时间反射强度真实孔径侧视雷达工作原理方位向：平台行进方向距离向：平台侧向接收机第9页/共60页第九页，共61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大检波第10页/共60页第十页，共61页。2、地面分辨率

距离分辨率方位分辨率第11页/共60页第十一页，共61页。距离分辨率定义：在距离方向上能分辨的最小目标的尺寸斜距Rθ距离分辨率斜距分辨率τ为脉冲宽度，Ｃ为光速，θ为雷达波侧视角△R与距离无关，要提高△R，需要减小τ，但是减小τ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。为什么要采取侧视雷达而不采取正视的雷达？第12页/共60页第十二页，共61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τ∆f振幅A0f2f1频率τ∆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，振幅原来的倍，脉冲宽度为，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13页/共60页第十三页，共61页。方位分辨率定义：相邻的两脉冲之间，能分辩两个目标的最小距离式中β为雷达的波束宽度，L为雷达天线的孔径，R为雷达天线到地面目标的距离

天线β∆LLR要提高方位分辨率，需采用较短波长的电磁波，或加大天线孔径，或缩短观测距离。如要求方位向分辨率为25m，采用波长为5.7cm的微波，卫星高度为600km，侧视角40度，则天线尺寸应为1790m

，这显然难以实现。第14页/共60页第十四页，共61页。三、合成孔径侧视雷达特点：距离向采用脉冲压缩技术来提高分辨率方位向通过合成孔径原理来改善分辨率

SyntheticApertureSide-lookingRadar

第15页/共60页第十五页，共61页。成像原理

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d，总长度为Nd。对于每个天线，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样。dL=Ndl…第16页/共60页第十六页，共61页。成像原理SyntheticApertureSide-lookingRadar

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，就得到如同真实孔径侧视雷达一样的效果第17页/共60页第十七页，共61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。成像原理第18页/共60页第十八页，共61页。成像原理输出输入f1f0延迟时间频率匹配滤波器t1t3t4t5f1f0时间频率滤波处理t2频率随时间变化时间滤波结果第19页/共60页第十九页，共61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20页/共60页第二十页，共61页。合成孔径侧视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21页/共60页第二十一页，共61页。合成孔径侧视雷达的数字成像处理重建原理：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：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（RangeMigration）。重建处理时需要进行距离单元迁移改正（RangeCellMigrationCorrection）。消除或减弱光斑噪声：由于SAR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。第22页/共60页第二十二页，共61页。合成孔径侧视雷达的数字成像处理距离向参考函数SAR原始数据距离向的傅立叶变换傅立叶变换逆傅立叶变换

转置距离压缩****

逆傅立叶变换方位向的傅立叶变换

距离单元迁移改正1视的参考函数傅立叶变换N视的参考函数傅立叶变换……把复数变成实数处理后的SAR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23页/共60页第二十三页，共61页。合成孔径侧视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24页/共60页第二十四页，共61页。四、侧视雷达图像的特性一、侧视雷达图像的几何特性

二、侧视雷达图像的物理特性

第25页/共60页第二十五页，共61页。1、侧视雷达图像的几何特性1、投影方式2、比例尺特性3、投影误差4、透视收缩与顶底位移5、雷达阴影第26页/共60页第二十六页，共61页。投影方式投影方式——斜距投影天线θRsRgbaBA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27页/共60页第二十七页，共61页。投影方式Slant-rangescaledistortionConversioncomparison第28页/共60页第二十八页，共61页。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。

在记录回波信号时，如果雷达系统中采用延时斜距传播的时差，此时雷达图像显示的为地面距离，在平坦地区以平距显示的雷达图像上比例尺处处一致。第29页/共60页第二十九页，共61页。投影误差θbaBhAδyly第30页/共60页第三十页，共61页。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。∆RθαSAB’B∆XRsRs’透视收缩第31页/共60页第三十一页，共61页。透视收缩与顶底位移θαBAS∆R∆X背坡的透视收缩对于背向天线的地面斜坡也存在透视收缩，只不过斜面长度看起来被拉长当θ＋α≤90º时，会出现背坡的透视收缩现象。收缩比：第32页/共60页第三十二页，共61页。透视收缩与顶底位移baAαθSBRsRs’顶底位移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33页/共60页第三十三页，共61页。雷达图像Radarshadowradarshadoweffects第34页/共60页第三十四页，共61页。雷达阴影当θ＋α≥90º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。baθSαh雷达阴影h·secθ阴影的长度L与地物的高度h及侧视角θ有如下的关系：

第35页/共60页第三十五页，共61页。2、侧视雷达图像的物理特性地面目标在雷达图像上的色调取决于目标的回波功率。回波功率强，影像色调浅；回波功率弱，影像色调深。影响回波功率的因素雷达的发射功率天线功率增益雷达波长目标的微波散射特性极化方式第36页/共60页第三十六页，共61页。侧视雷达图像的物理特性地面目标在雷达图像上的色调取决于目标的回波功率。回波功率强，影像色调浅；回波功率弱，影像色调深。影响雷达图像色调的主要因素平台高度侧视角复介电常数雷达波长表面粗糙度目标类型极化方式第37页/共60页第三十七页，共61页。平台高度平台高度的大小会影响微波在大气中传播路程的长短，从而会影响微波传输的透过率。微波传输会受到大气分子的吸收和散射的影响，从而产生衰减。微波衰减与平台高度H成正比，平台越高，同一目标的影像色调越深。第38页/共60页第三十八页，共61页。侧视角侧视角引起反射率变化侧视角小，反射率大，影像色调浅。侧视角与透视收缩、顶底位移及阴影有关侧视角大，发生透视收缩、顶底位移及阴影的可能性就大。随着侧视角的增加，方位向上的阴影效果被突出，会压盖许多地物而造成判读困难。第39页/共60页第三十九页，共61页。复介电常数

复介电常数与物体导电、导磁性有关。复介电常数越大，反射雷达波束的作用就越强，穿透作用越小。复介电常数与物体含水量有关。含水量越大，复介电常数越大。因而色调浅。一般情况下，金属物体比非金属物体的复介电常数大；潮湿的土壤比干燥的土壤复介电常数大。第40页/共60页第四十页，共61页。色调变化?第41页/共60页第四十一页，共61页。答案第42页/共60页第四十二页，共61页。表面粗糙度光滑表面有时会发生镜面反射。如果雷达天线位于镜面反射的方向上，可以接收到很强的回波，图像上呈亮色调。雷达天线位于其它位置时，接收不到回波，影像呈深色调。

粗糙的表面，发生方向反射或者漫反射，有较强的回波，影像的色调校浅。第43页/共60页第四十三页，共61页。雷达波长雷达波长可从两个方面影响目标的回波功率。第一，按波长去衡量地物表面的有效粗糙度，对同一地物表面粗糙度，波长不同，其有效粗糙度不同，对雷达波束的作用不同。第二，波长不同，复介电常数不同，复介电常数不同会影响到地物目标的反射能力的大小和电磁波穿透力的大小。第44页/共60页第四十四页，共61页。目标类型面目标：如草地或农田，它由许许多多同一类型的物质或点组成，这些物质或点的位置分布是随机的，它们接收的电磁波相位各不相同，而且其回波的相位、振幅也是随机的，其中没有任何一个物点的回波在回波总功率中占主导地位。天线接收的信号往往是形成周期性信号，造成影像上这类地物最强信号到最弱信号的周期性变化，并非灰度均匀，而是一系列亮点和暗点相间的图斑，形成了“光斑”效应。当回波在一个分辩单元相加时，像元呈亮点，当回波在在一个分辩单元相反时，相互抵消，呈暗色调。消除“光斑”的方法：“多视”处理，低通滤波。第45页/共60页第四十五页，共61页。目标类型点目标：指比分辩单元小很多的地物目标，其回波在回波总功率中占主导地位，但它的影像比实际地物大。

第46页/共60页第四十六页，共61页。目标类型硬目标：具有较大的散射截面，在侧视雷达图像上呈亮白色影像的物体统称硬目标。这种目标既不占有相当面积，又不限制在分辩单元之内，它们在图像上表现为一系列亮点或一定形状的亮线。如：与雷达波垂直的高压线，金属板，桥梁，铁路，金属塔架，坦克等。第47页/共60页第四十七页，共61页。目标类型角反射目标：墙与墙，墙与地等构成角反射器，波按原方向返回。因此，与雷达波垂直地街道，成排房屋，街区或居民地，高于地面地堤，行树及沟堑呈白色。

cornerreflectionradarimageofacity.第48页/共60页第四十八页，共61页。目标类型亚表面粗糙度：当电磁波穿透地物时，第二层介质地表面粗糙度。亚表面粗糙度在图像上会有反映，如雪、干沙等下的地物。第49页/共60页第四十九页，共61页。机载高分辨率SAR图像（机场）飞机跑道房屋第50页/共60页第五十页，共61页。机载高分辨率SAR图像树木河流桥梁第51页/共60页第五十一页，共61页。机载高分辨率SAR图像（不同分辨率下的M-47坦克）坦克坦克坦克第52页/共60页第五十二页，共61页。海洋环境监测

海洋监测站利用Radarsat图像监测海面船只，打击滥捕、油污泄漏等污染环境事件。圆圈中的白点为船只，箭头所指的两个深色区域是被油污污染区域。第53页/共60页第五十三页，共61页。第54页/共60页第五十四页，共61页。穿透...thatanL-bandradar(23.5cmwavelength)imagingfromtheorbitingspaceshuttlewasabletodiscoverancientriverchannelsbeneaththeSaharaDesertinNorthernAfrica.Becauseofthelongwav