SAR基础知识

SAR基础知识技术支持邮箱：[e-mail]技术支持热线：400-819-2881-5官方技术博客：•1、SAR基础•2、InSAR基础•3、InSAR技术与地表形变主要内容1、SAR基础Radar概念•Radar（RadioDetectionAndRanging），一个Radar系统主要包括三个功能：–发射微波信号到场景–接收从场景中传回的部分后向散射能量–观测返回的强度（检测）和延时（测距）信号RAR——真实孔径雷达成像分辨率雷达天线长度•SAR（SyntheticApertureRadar）：合成孔径雷达–用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理的侧视雷达。可以获取高分辨率的地球表面图像，是目前广泛使用的雷达系统。SAR——合成孔径雷达•波长λ和频率f的关系：λ=c/f•振幅A和强度I：I=A2–反映电磁波能量•相位（phase）：描述波的振动状态的物理量∅=𝟐𝝅𝑳λ，L：传播距离•极化（polarization)，光学中叫偏振几个波的概念SAR参数——波长•雷达遥感使用的微波部分的电磁频谱，频率​​从0.3GHz至300GHz，波长从1米到1毫米。•微波中常用的波段有：–P-band=~65cmAIRSAR–L-band=~23cmJERS-1SAR,ALOSPALSAR–S-band=~10cmAlmaz-1–C-band=~5cmERS-1/2SAR,RADARSAT-1/2,ENVISATASAR,RISAT-1–X-band=~3cmTerraSAR-X-1,COSMO-SkyMed–K-band=~1.2cm军事领域•波长越长穿透能力就越强，如波长大于2cm的雷达系统不会受到云的影响。SAR参数——波长•雷达频率的应用：–冰雪识别，小型特征，使用X-band–地质制图，大型特征，使用L-band–叶面渗透，最好使用低频率，如P-band–一般情况，C-band是折中波段波段名称的字母是早起军事应用遗留下来的SAR参数——极化•极化：电磁波振动的矢量方向，即电场的方向SAR参数——极化•特点–当雷达作用于地球表面时，其极化方式可能改变，产生随机极化反射信号，其中包含水平和垂直两种分量–极化方式是否改变取决于目标的物理和电特性–雷达可以接收反射信号的水平和垂直极化分量–四种模式：HH、VV、HV、VH–对于同一区域，不同极化方式获取的图像不同SAR参数——极化•美国航天飞机SAR获取的XVV、CHV、LHV的图像•不同波长、不同极化的散射机理差异SAR参数——入射角(视角)•入射角是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角（θ）。–微波与表面的相互作用复杂，不同的角度区域会产生不同的回波。–小入射角通常返回较强的信号，随入射角增加，返回信号逐渐减弱•根据雷达距离地表高度的情况，入射角会随着近距离到远距离的改变而改变，从而影响成像几何。SAR参数——入射角•反射率随着入射角的增大而减小•不同地物随入射角变化的反射率变化情况•入射角与雷达后向散射的关系•不同的应用选择相应装置的依据•距离向(Range)：像平面内垂直于飞行方向–斜距(Slantrange)：雷达到目标的距离方向，雷达探测斜距方向的回波信号–地距(Groundrange)：将斜距投影到地球表面，是地面物体间的真实距离•方位向(Azimuth)：平行于飞行方向SAR的观测几何SAR图像几何分辨率•距离分辨率Range–侧视方向上的分辨率称为距离分辨率–包括斜距分辨率和地距分辨率•方位分辨率Azimuth–沿航线方向上的分辨率，也称沿迹分辨率SAR图像几何特征•雷达图像的构像几何学属于斜距投影类型–斜距投影是以天线为中心，以斜距为半径的同心圆在像面空间上的投影–方位向的比例尺是个常量–距离向的比例尺由地面目标的位置由该目标到雷达天线的距离决定斜距影像地距影像SR=GR*sinθSAR图像几何特征•在雷达成像中，地物目标的位置在方位向是按飞行平台的时序记录成像的•在距离向上是按照地物目标反射信息的先后记录成像的–在高程上即使微小变化都可造成相当大范围的扭曲–这些诱导因子包括透视收缩、叠掩、阴影SAR图像几何特征：透视收缩•透视收缩–山上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的亮度SAR图像几何特征•需要提供高分辨率的DEM数据，透视收缩可通过几何校正和辐射定标进行校正用DEM校正不用DEM校正SAR图像几何特征：叠掩•叠掩–当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达，因此在图像的距离方向，山顶与山底的相对位置出现颠倒SAR图像几何特征：叠掩•叠掩SAR图像几何特征：阴影•阴影–地面上雷达信号照射不到的部分SAR图像几何特征•在地形起伏的区域–一般迎面坡是前向收缩–坡度较大时，顶底叠置–背面坡坡度较大时出现阴影阴影顶底叠置SAR散射机制•雷达图像表示的是地面雷达后向散射的估算值•主要可分为5种散射：–表面和体散射–双回波(DoubleBounce)–组合散射–穿透散射–介电属性散射。SAR散射机制•表面和体散射–粗糙的表面能得到更高的后向散射，平整表面在雷达图像上经常表现暗区域。•双回波SAR散射机制•组合散射–一般发生在低频SAR系统（如L、P波段）–包括表面、体散射、双回波等森林的组合散射（上-林冠层，中-树干层，下-地面层）SAR散射机制•穿透散射–根据极化方式和波长情况，微波可以透入植被、裸土（干雪或沙地）–一般情况，波长越长，穿透能力越强。–交叉极化(VH/HV)相比同极化（HH/VV）的渗透能力弱。SAR散射机制SAR穿透地表，可以清晰的看到沙漠下的地下河道SAR图像的理解•图像亮度代表后向散射强度•像元内表面越粗糙，后向散射越强。•光滑表面镜面反射，后向散射很弱•与散射体的复介电常数有关•含水量越大，后向散射越强水面上的溢油SAR图像的斑点噪声•SAR是相干系统，斑点噪声是其固有特性•均匀的区域，图像表现出明显的亮度随机变化，与分辨率、极化、入射角没有直接关系，属于乘机噪声•多视和滤波可以抑制斑点噪声SAR数据类型•单视复数（SingleLookComplex-SLC）–SAR数据由实部和虚部构成–相位分布在-π~π之间–InSAR处理必须采用这种数据•振幅（Amplitude）、强度（Intensity）数据–对单通道SAR系统来说，相位没有提供任何信息，振幅（或强度、能量）是唯一有用的信息In-Phase：同相分量Quadrature：正交相位分量SAR数据类型•强度数据–对经过聚焦处理的SAR数据进行多视处理，多视得到的强度图像是距离向和/或方位向像元分辨率的平均值–一个L视数的图像，本质上是L的指数分布，星载SAR获取模式•条带模式——Stripmap–当运行StripmapSAR时，雷达天线可以灵活的调整，改变入射角以获取不同的成像宽幅。–最新的SAR系统都具有这种成像模式，包括RADARSAT-1/2，ENVISATASAR，ALOSPALSAR，TerraSAR-X-1，COSMOSkyMed和RISAT-1。星载SAR获取模式•扫描模式——ScanSAR–扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间，最后获取一个完整的图像覆盖区域。星载SAR获取模式•聚束模式——Spotlight–当执行聚束模式采集数据时，传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。•与条带模式主要区别为：–在使用相同物理天线时，聚束模式提供更好的方位分辨率；–在可能成像的以一个区域内，聚束模式在单通道上的提供更多的视角；–聚束模式可以更有效的获取多个小区域。系统发射时间波段极化图幅宽度（KM）分辨率重复周期轨道精度(cm)接受模式国家ERS-2(2011年退役)1995CVV10025m3530Stripmap欧洲RADASAT1（2013年4月出现故障）1995CVV10-50010-30-10024100StripmapScanSAR加拿大ENVISAT-ASAR（2012失去联系）2002CVV100-400203530StripmapScanSAR欧洲ALOS（2011已停止运行）2006LFull40-3507-14-10046100Stripmap日本TerraSAR-XTandem-X20072010XFull5-10-30-1001-3-161110SpotlightStripmapScanSAR德国Cosmo-skymed2007X,LFull10-30-2001-3-151-1610SpotlightStripmapScanSAR意大利RADASAT22007CFull10-5003-1001-2410SpotlightStripmapScanSAR加拿大主要星载SAR系统主要星载SAR系统系统发射时间波段极化图幅宽度（KM）分辨率重复周期轨道精度(cm)接受模式国家ALOS-22014LFull25/35/60/70/3501/3/6/10/10014100-日本哨兵”-1A(Sentinel-1A)2014cFull20/80/100/250/4005/20/4012--欧空局其他：RiSAT‐1（印度C波段）、Kompsat‐5（韩国X波段）SAR特性•与光学遥感相比，SAR具有如下特性：–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–多极化观测能力雷达的应用•雷达数据–合成孔径雷达——SAR•SAR图像基本应用–雷达可以进行全天候观测，并且可以透过云层覆盖。–自然应急救灾、农业估产、森林资源调查、军事应用、干旱监测•InSAR（干涉SAR）–合成孔径雷达干涉测量(InSAR)及差分InSAR(D-InSAR)技术是近十几年来发展非常迅速的微波遥感技术。由于它具有全天候、全天时、覆盖面广和高精度获取地表形变信息的能力。能达到厘米级精度，采用短基线干涉像对序列，能达到毫米级精度。–InSAR两个方面应用：DEM提取和地表形变监测2、InSAR基础•InSAR—SyntheticApertureRadarInterferometry•InSAR技术是利用雷达系统获取同一地区两幅SAR影像所提供的相位信息进行干涉处理，来获取地表的三维信息。InSAR—（合成孔径）雷达干涉测量InSAR技术——基本原理计算每次观测的相位，通过相位干涉求解相位差，进而反算地形及其地表形变信息。inSARimage#1:φ1=RinSARimage#2:φ2=(R+ΔR)−4πλ−4πλ•InSAR测量获取DEM时实际上假设地表没有变化干涉相位组成NoiseAtmosphereMovementnNoiseAtmosphereMovementTopographyIntRhRBRR++++++4sin4421InSAR技术获取地表形变信息（D-InSAR）雷达两次不同位置获取同一监测区域的相位，差分干涉得到形变信息地表形变φdiffΔRmov+N+A−4πλ•大范围DEM数据获取–30/90米SRTMDEM，覆盖全球80%陆地–Tandem-X全球覆盖的5米高分辨率DEM数据获取•高精度地表形变监测–InSAR技术应用最为广泛且最能发挥优势的领域–缓慢微小形变与突发形变–大覆盖范围–短周期、连续监测–高精度、低成本InSAR技术应用1.1960s，InSAR概念提出；2.1974，Graham最早提出应用InSAR测量地形；3.1986，Goldstein等首先获得机载InSAR的结果；4.1989，Gabriel等获得土壤表面形变结果；5.1993年，Massonet首先得到Landers地震的星载差分干涉结果；6.1995年，ERS2发射