合成孔径雷达技术热点及应用

彭石宝2013年12月8日合成孔径雷达技术热点及应用1彭石宝，男，1982年生，博士，博士后。主要研究方向为雷达/声纳信号处理，雷达/声纳成像，计算电磁学，目标识别等。作者简介2一、SAR发展回顾二、SAR基本概念三、SAR典型应用四、SAR技术热点提纲31.SAR发展历程2.SAR典型系统一、SAR发展回顾4SAR优点：二维高分辨率图像全天候、穿透云雾能力全天时工作低频段穿透植被和树叶一、SAR发展回顾•1SAR发展历程5SAR应用领域：一、SAR发展回顾•1SAR发展历程军事：情报、监视、侦察（SAR+GMTI）JSTAR伊拉克撤军6SAR应用领域：一、SAR发展回顾•1SAR发展历程民用：考古、测绘、防灾光学图片SIR-C7最早的对地成像雷达：H2S，实孔径成像，分辨率低一、SAR发展回顾•1SAR发展历程二战期间英国的H2S机载雷达1944年，德国的Cologne被轰炸后H2S夜间观测图像8一、SAR发展回顾•1SAR发展历程1957年第一幅SAR图像1978提出PFA算法9一、SAR发展回顾•1SAR发展历程第一颗SAR卫星SEASAT上天光学处理数字处理10一、SAR发展回顾•1SAR发展历程光学处理数字处理80年代中期ASAR出现U2麦哲伦火星探测器卡西尼土星探测器11一、SAR发展回顾•1SAR发展历程光学处理数字处理80年代中期ASAR出现U2F-35全球鹰机载SARSandiaTwinOtter分辨率1ft12一、SAR发展回顾•1SAR发展历程SAR分辨率发展历程表13一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（机载系统）14一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（机载系统）15一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（机载系统）FSAR系统：多功能多波段多极化带宽：800MHz最高重频：5KHz入射角：25°~60°16一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（机载系统）全球鹰SAR系统：多功能(SAR+GMTI,对海模式)X波段带宽：600MHz视场：正负45°MPTIP17一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（星载系统）18一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（星载系统）19一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（星载系统）20一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（星载系统）21一、SAR发展回顾•2SAR典型系统（星载系统）22一、SAR发展回顾•2SAR典型系统发展趋势：“五多”多极化（HH/HV/VH/VV）多平台（机载、星载）多功能（SAR、GMTI、INSAR等）多波段（P/L/C/X/Ku）多基地（星星、星机、机舰）23一、SAR发展回顾二、SAR基本概念三、SAR典型应用四、SAR技术热点提纲241.SAR成像原理2.SAR成像模式3.SAR成像过程4.SAR成像指标二、SAR基本概念25二、SAR基本概念•1SAR成像原理26二、SAR基本概念•1SAR成像原理成像处理距离向高分辨通过发射宽带信号，方位向高分辨通过合成孔径处理27二、SAR基本概念•1SAR成像原理SAR成像几何28二、SAR基本概念•1SAR成像原理数据收集过程：SAR系统场景目标回波数据目标、场景大气成像几何载荷指标29二、SAR基本概念•1SAR成像原理目标、场景的表现形式：后向散射系数目标：电导率、介电常数、形状结构雷达：工作频率、波束入射角、极化方式30二、SAR基本概念•1SAR成像原理目标、场景的表现形式：后向散射系数散射系数量级(单位：dBm2/m2)典型场景0~20人工建筑物、城市区域-10~0森林区域-20~-10农作物、粗糙地表-20光滑面、水面、道路、干燥土地20大型车辆、舰船31二、SAR基本概念•1SAR成像原理目标、场景的表现形式：后向散射系数L波段C波段X波段工作频段影响（透射效应）频段越低，透射效应越好20cm6cm1cm32二、SAR基本概念•1SAR成像原理目标、场景的表现形式：后向散射系数X波段L波段工作频段影响（透射效应）33二、SAR基本概念•1SAR成像原理目标、场景的表现形式：后向散射系数散射系数：dbm2波束入射角陆地海洋波束入射角影响波束入射角越小散射系数越小34二、SAR基本概念•2SAR成像模式条带模式（StripSAR）35二、SAR基本概念•2SAR成像模式扫描模式（ScanSAR）36二、SAR基本概念•2SAR成像模式聚束模式（SpotlightSAR）37二、SAR基本概念•2SAR成像模式成像模式比较成像模式分辨率测绘宽度扫描SAR低大条带SAR中中聚束SAR高小38二、SAR基本概念•2SAR成像模式机载SAR成像模式：三种模式切换39二、SAR基本概念•2SAR成像模式星载SAR成像模式：三种模式变换种类多40二、SAR基本概念•2SAR成像模式星载SAR成像模式：三种模式变换种类多41二、SAR基本概念•3SAR成像过程传统雷达处理过程波形产生功率放大双工器接收机发射机A/D脉压杂波处理检测跟踪数据记录信号处理42二、SAR基本概念•3SAR成像过程SAR处理过程波形产生功率放大双工器接收机发射机A/D脉压GPS/IMU运动参数成像处理机上信号处理图像处理机下图像处理43二、SAR基本概念•3SAR成像过程距离向脉压运动补偿方位向脉压取模得图像原始回波高分辨距离像原始回波高分辨距离像最终图像44二、SAR基本概念•3SAR成像过程原始回波高分辨距离像最终图像目标需要运动补偿45二、SAR基本概念•3SAR成像过程处理过程中的运动补偿是SAR成像的难点，不同的情况算法千变万化！46二、SAR基本概念•4SAR成像指标四大类指标：点分辨率指标面分辨指标辐射分辨指标定位指标47二、SAR基本概念•4SAR成像指标点分辨指标：分辨率、峰值旁瓣比、理想点目标二维冲击响应图2rrCKB22aaaaDKK距离分辨率：方位分辨率：48分辨率：主瓣3dB宽度峰值旁瓣比：第一旁瓣能量与峰值能量的比值（-13.2dB）积分旁瓣比：所有副瓣能量和与峰值能量的比值（-13.2dB）二、SAR基本概念•4SAR成像指标加窗加窗效应：主瓣展宽，旁瓣降低（分辨率降低，峰值旁瓣比和积分旁瓣比改善）49二、SAR基本概念•4SAR成像指标点分辨指标：方位向模糊度50二、SAR基本概念•4SAR成像指标点分辨指标：方位向模糊度无方位模糊图像有方位模糊图像距离向方位向5152二、SAR基本概念•4SAR成像指标点分辨指标：距离向模糊度近区模糊远区模糊主瓣回波信号副瓣回波信号53二、SAR基本概念•4SAR成像指标点分辨指标：距离向模糊度距离向方位向54二、SAR基本概念•4SAR成像指标面分辨指标：图像噪声系数、等效视数、图像动态范围3300344sinensirattrRKTBFLNEKKPGGC反映SAR对地面反射系数的要求，该值越小，成像能力越强图像噪声系数55二、SAR基本概念•4SAR成像指标辐射分辨指标：辐射精度、辐射分辨率、辐射稳定度辐射精度：SAR测量目标散射系数的准确程度辐射分辨率：SAR区分散射系数相近目标的能力辐射稳定度：SAR在成像时间内辐射精度的稳定程度56二、SAR基本概念•4SAR成像指标图像定位指标：相对定位精度、绝对定位精度求目标在载机坐标系下的坐标求载机在地球坐标系下的坐标求目标在地球坐标系下的坐标求目标的经度、纬度、高度SAR图像定位流程相对定位精度绝对定位精度绝对定位经度受限于GPS经度限制57一、SAR发展回顾二、SAR基本概念三、SAR典型应用四、SAR技术热点提纲581.干涉2.极化3.干涉+极化三、SAR典型应用591.1干涉原理1.2InSAR1.3SAR/GMTI1.4DInSAR三、SAR典型应用•1干涉60三、SAR典型应用•1干涉条件：两幅或多幅SAR复图像联合处理有用信息从图像干涉后的相位中提取要求复图像间存在视角差交轨干涉顺轨干涉1.1干涉原理61三、SAR典型应用•1干涉交轨干涉形式：单平台双天线单平台双航过顺轨干涉形式：单平台双（多）天线形式：1.1干涉原理62三、SAR典型应用•1干涉原理：复图像相位：与距离相关干涉相位获取：SAR复图像1SAR复图像2干涉相位干涉相位通常以2π的整数倍缠绕：相位解缠1.1干涉原理63三、SAR典型应用•1干涉干涉相位：1.1干涉原理交轨干涉基线引起目标位置变化引起传播过程中的介质变化引起（单航过双天线可避免该项）噪声引起64三、SAR典型应用•1干涉典型应用：干涉名称信息特点应用形式典型应用交轨干涉天线图像间相位差TomographySAR,InSAR地形测绘顺轨干涉天线图像间相位差SAR/GMTI地面动目标监视洋流监视差分干涉图像获取间隔单位：天DInSAR冰川、火山熔岩、水文监测差分干涉图像获取间隔单位：天、年DInSAR地形沉降、地震形变、火山活动监测1.1干涉原理65三、SAR典型应用•1干涉1.2InSAR高度：难以从单幅图像中估计SAR1相位：SAR2相位：干涉相位：单幅图像散射点位置估计66三、SAR典型应用•1干涉1.2InSAR高度：基线长度B已知基线角α已知实际中基线长度和基线角测量精度要求极高：刚性基线柔性基线6768三、SAR典型应用•1干涉1.2InSARTanDEM-X垂直基线水平基线有效基线69三、SAR典型应用•1干涉1.2InSAR层次空间分辨率绝对高程精度相对高程精度DTED-190m×90m30m20mDTED-230m×30m18m12mHRTI-312m×12m10m2mHRTI-46m×6m5m0.8mDEM层次标准平方公里70三、SAR典型应用•1干涉1.2InSAR层次空间分辨率绝对高程精度相对高程精度DTED-190m×90m30m20mDTED-230m×30m18m12mHRTI-312m×12m10m2mHRTI-46m×6m5m0.8mDEM层次标准71三、SAR典型应用•1干涉1.2InSARSRTM获取的厄瓜多尔科多帕希火山DEM图72三、SAR典型应用•1干涉1.1InSARTerra-SAR双航过巴黎干涉相位解缠后相位图，300MHz，时间：2008年1.16和1.277374三、SAR典型应用•1干涉1.2InSAR地形学导航城市规划灾害应急管理冰川监测海洋监测地质测绘水文学土地监管75三、SAR典型应用•1干涉1.3SAR/GMTI基线76三、SAR典型应用•1干涉1.3SAR/GMTI基线两时刻复图像目标相位差：t时间基线（ms）losv目标径向速度77三、SAR典型应用•1干涉1.3SAR/GMTI公路运动目标静止目标方位时间距离波束中心静止目标运动目标方位时间多普勒调频率多普勒中心78三、SAR典型应用•1干涉1.3SAR/GMTIATIDPCA利用复图像干涉相位信息检测动目标不能抑制杂波，目标速度误差和位置估计容易受杂波干扰利用杂波对消凸显并检测动目标没有利用干涉相位信息，对目标速度及位置进行估计对消后幅度大小正比于目标径向速度79三、SAR典型应用•1干涉1.3SAR/GMTIATIDPCA某一距离单元干涉相位分布杂波运动目标运动目标80FSAR近实时交通控制图81FSAR近实时交通控制图（放大）82Terra-SAR交通控制图83ESAR水流监测图84三、SAR典型应用•1干涉1.3SAR/GMTI洋流监测海岸警戒冰川移动监测交通控制军事上常用来对敌运动态势监视85三、SAR典型应用•1干涉1.4DInSAR4diffdiffr地表运动或沉降引起的位移形变86三、SAR典型应用•1干涉1.4DInSAR特点：没有DEM数据的情况下，至少3个航过的复图像复图像间获取时间间隔长适合处理线性形变，可估算形变率非线性形变估计依然是个难题87三、SAR典型应用•1干涉1.4DInSAR88三、SAR典型应用•1干涉1.4DInSAR89三、SAR典型应