微波遙感系統(tǒng)課件

微波遙感系統(tǒng)合成孔徑雷達SAR系統(tǒng)及其應用1微波遙感系統(tǒng)合成孔徑雷達1被動與主動遙感微波觀測方式主動方式:利用遙感器向地面發(fā)射微波然后接受其散射波的方式。被動方式:觀測地表目標的輻射方式。2被動與主動遙感微波觀測方式2微波傳感器非成像傳感器：通過發(fā)射雷達信號，再接收回波信號測定參數，不以成像為目的。微波散射計：測量地物的散射或反射特性。

雷達高度計：測量目標物與遙感平臺間的距離，從而準確得知地表高度變化，海浪的高度等參數。根據發(fā)射波和接收波間的時間差，測出距離。成像傳感器：獲取在地面掃描所得到的帶有地物信息的電磁波信號并形成圖象微波輻射計、側視雷達、合成孔徑雷達3微波傳感器非成像傳感器：3F.Ulabyetal.,<微波遙感>4F.Ulabyetal.,<微波遙感>4①微波輻射計微波輻射計主要用于探測地面各點的亮度溫度并生成亮度溫度圖像。由于地面物體都具有發(fā)射微波的能力,其發(fā)射強度與自身的亮度溫度有關。通過掃描接收這些信號并換算成對應的亮度溫度圖,對地面物體狀況的探測很有意義。屬被動遙感5①微波輻射計5②側視雷達?側視雷達是在飛機或衛(wèi)星平臺上由傳感器向與飛行方向垂直的側面,發(fā)射一個窄的波束,覆蓋地面上這一側面的一個條帶,然后接收在這一條帶上地物的反射波,從而形成一個圖像帶。隨著飛行器前進,不斷地發(fā)射這種脈沖波束,又不斷地接收回波,從而形成一幅一幅的雷達圖像。雷達成像的基本條件：雷達發(fā)射的波束照在目標不同部位時，要有時間先后差異，這樣從目標反射的回波也同時出現時間差，才有可能區(qū)分目標的不同部位。6②側視雷達?6③合成孔徑雷達合成孔徑雷達與側視雷達類似,也是在飛機或衛(wèi)星平臺上由傳感器向與飛行方向垂直的側面發(fā)射信號。所不同的是將發(fā)射和接收天線分成許多小單元,每一單元發(fā)射和接收信號的時刻不同。由于天線位置不同，記錄的回波相位和強度都不同。目的：提高圖象在飛行方向的分辨率。7③合成孔徑雷達7側視雷達工作原理電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當雷達在時間t1發(fā)射出一個窄脈沖,被目標反射后,在時間t2返回,則目標地物的距離為:

(t2-t1)*c/28側視雷達工作原理電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當雷達在微波傳播示意圖脈沖雷達pulseradar：脈沖:一個物理量在短持續(xù)時間內突變后迅速回到其初始狀態(tài)的過程。脈沖信號是一種離散信號，形狀多種多樣，與普通模擬信號（如正弦波）相比，波形之間在時間軸不連續(xù)（波形與波形之間有明顯的間隔）但具有一定的周期性是它的特點。最常見的脈沖波是矩形波（也就是方波）。脈沖信號可以用來表示信息，也可以用來作為載波.脈沖寬度：就是高電平持續(xù)的時間。chirpradar線性調頻雷達9微波傳播示意圖脈沖雷達pulseradar：chirp遙感平臺向前飛行，天線發(fā)射和接收雷達脈沖交替進行；在波束寬度范圍內，地面不同的地物由于距離不同而在不同的時間反射回波。反射回波的信號記錄一條圖象掃描線。返回的信號被天線接收并記錄下來。側視雷達工作原理(真實孔徑雷達)真實孔徑雷達是對平臺的行進方向（稱方位向）的側方（稱距離向）發(fā)射寬度很窄的脈沖電波波束，然后接收從目標物返回的后向散射波，從接收的信號中可以獲得地表的圖像。10遙感平臺向前飛行，天線發(fā)射和接收雷達脈沖交替進行脈沖寬度發(fā)一個脈沖,陸續(xù)收到一連串回射,而且回射的特性隨地物不同而異飛行方向11脈沖寬度發(fā)一個脈沖,陸續(xù)收到一連串回射,而且回射的特性隨地物A：飛行方向；B：天底nadirE：方位向azimuthflightdirection；D：距離向lookdirection；C：掃描寬度swath;有關術語A入射角incidenceangle;B視角;

C斜距Slantdistance;D地距Grounddistance;12A：飛行方向；B：天底nadir有關術語A入射角incideA:近距（nearrange）B:遠距（farrange）13A:近距（nearrange）13距離向分辨率與方位向分辨率在側視方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力)Pg=c×/2cosφ脈沖持續(xù)期（脈沖寬度，時間s)，φ俯角，c光速。φ越大，Pg越大，分辨率越低即：距離越近，距離向分辨率越低理論上講,斜距分辨率等于脈沖寬度的一半１.距離分辨率14距離向分辨率與方位向分辨率在側視方向的分辨率(在垂直于航向方1515例:設俯角50,脈沖寬度0.1s則距離分辨力Pg=0.50.110-6(s)2.998108(m/s)/cos50=0.50.12.998/0.642788100=23.2mPg=0.5c／cos16例:Pg=0.5c／cos16距離越近，方位分辨率越高；與距離向分辨率變化規(guī)律相反.沿航線方向的分辨率—方位向分辨率ra=*R波束寬度，R天線到該像元的傾斜距離=/L,波長，L天線長度

ra=(/L)*R天線越長，ra越小，方位分辨率越高２.方位分辨率17距離越近，方位分辨率越高；與距離向分辨率變化規(guī)律相反.沿航線例:設衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長=3cm,距目標地物800km,則方位分辨力Pa=[310-2(m)/4(m)]800103(m)=6000m若要求方位分辨率達到3m,則天線孔徑需8000m.(這可能么)提高距離分辨率和方位分辨率的方法：1）采用脈沖壓縮技術，縮短脈沖發(fā)射寬度2）用合成孔徑天線來代替真實孔徑天線，以縮短天線孔徑。18例:設衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長=3cm,距目標地物80合成孔徑合成孔徑雷達（SAR，SyntheticApertureRadar）基本原理：利用短的天線，通過修改數據記錄和處理技術，產生很長孔徑天線的效果，等于通過加長天線孔徑來提高觀測精度。在沿飛行航跡方向上形成一個天線陣列，并與數據記錄和處理過程聯(lián)系在一起。在不同位置接收同一地物的回波信號，信號得到的時間不同，相位和強度不同，形成相干影象。經過復雜的處理，得到地面的實際影象。19合成孔徑合成孔徑雷達（SAR，Synthetic合成孔徑20合成孔徑20合成后的天線孔徑為Ls,則其方位分辨率為:Rs=(λ/Ls)R由于天線最大的合成孔徑為:Ls=Ra=(λ/D)R則有Rs=D由于雙程相移,方位分辨率還可提高一倍,即Rs=D/2式中，λ:波長；D：雷達孔徑；R：斜距。

由此可知，方位向的分辨率與距離無關，所以，即使從衛(wèi)星的高度上也可以獲得高分辨率的圖像。21合成后的天線孔徑為Ls,則其方位分辨率為:212222斜距圖象的比例尺變化A、B、C為三個長度相等的線性地物。斜距圖象、地距圖象側視雷達圖象23斜距圖象的比例尺變化A、B、C為三個長度相等的線性地物。側視雷達圖象變形：距離向24雷達圖象變形：距離向24地距圖象與斜距圖象25地距圖象與斜距圖象25地形(幾何)畸變透視收縮（foreshortening）：山上面向雷達的一面在圖象上被壓縮，這一部分往往表現為較高的亮度；坡底的收縮度比坡頂大；山坡的坡度越大，收縮量越大。疊掩(Layover)：當面向雷達的山坡很陡時，出現山頂比山底更接近雷達的情況，因此，在圖象的距離方向，山頂和山底的相對位置顛倒；收縮度：坡頂的收縮度比坡底大陰影(Shadow)：當后坡坡度較大，雷達波束不能到達后坡坡面時，沒有回波信號產生，圖象上出現暗區(qū)26地形(幾何)畸變透視收縮（foreshortening）：22727側視雷達的入射方位對影像的影響在山區(qū)地形情況下,在雷達影像中,地形起伏一般表現為明顯的亮坡-陰影組合特征.溝谷和山脊的面向入射坡為亮坡而背光坡為陰影.因此,隨著入射方位不同,不同方向的線狀地形起伏將會得到突出----線狀的亮坡-陰影組合總是平行于平臺航向,亮坡朝向傳感器,陰影背對傳感器.28側視雷達的入射方位對影像的影響在山區(qū)地形情況下,在雷達影像微波遙感系統(tǒng)合成孔徑雷達SAR系統(tǒng)及其應用29微波遙感系統(tǒng)合成孔徑雷達29機載SAR系統(tǒng)E-SARSRTM?一般使用雙天線30機載SAR系統(tǒng)30星載SAR系統(tǒng)NASA1978年Seasat衛(wèi)星LBandESA1991年ERS-1;1995年ERS-2C-Band2002年EnviSat-1C-BandJAXA2006年ALOSPALSARDLR2009年TerraSAR-X以及TanDEM-X此外RadarSAT-1/2;COSMO-SKYMED/31星載SAR系統(tǒng)/31精品課件！32精品課件！32精品課件！33精品課件！333434微波遙感系統(tǒng)合成孔徑雷達SAR系統(tǒng)及其應用35微波遙感系統(tǒng)合成孔徑雷達1被動與主動遙感微波觀測方式主動方式:利用遙感器向地面發(fā)射微波然后接受其散射波的方式。被動方式:觀測地表目標的輻射方式。36被動與主動遙感微波觀測方式2微波傳感器非成像傳感器：通過發(fā)射雷達信號，再接收回波信號測定參數，不以成像為目的。微波散射計：測量地物的散射或反射特性。

雷達高度計：測量目標物與遙感平臺間的距離，從而準確得知地表高度變化，海浪的高度等參數。根據發(fā)射波和接收波間的時間差，測出距離。成像傳感器：獲取在地面掃描所得到的帶有地物信息的電磁波信號并形成圖象微波輻射計、側視雷達、合成孔徑雷達37微波傳感器非成像傳感器：3F.Ulabyetal.,<微波遙感>38F.Ulabyetal.,<微波遙感>4①微波輻射計微波輻射計主要用于探測地面各點的亮度溫度并生成亮度溫度圖像。由于地面物體都具有發(fā)射微波的能力,其發(fā)射強度與自身的亮度溫度有關。通過掃描接收這些信號并換算成對應的亮度溫度圖,對地面物體狀況的探測很有意義。屬被動遙感39①微波輻射計5②側視雷達?側視雷達是在飛機或衛(wèi)星平臺上由傳感器向與飛行方向垂直的側面,發(fā)射一個窄的波束,覆蓋地面上這一側面的一個條帶,然后接收在這一條帶上地物的反射波,從而形成一個圖像帶。隨著飛行器前進,不斷地發(fā)射這種脈沖波束,又不斷地接收回波,從而形成一幅一幅的雷達圖像。雷達成像的基本條件：雷達發(fā)射的波束照在目標不同部位時，要有時間先后差異，這樣從目標反射的回波也同時出現時間差，才有可能區(qū)分目標的不同部位。40②側視雷達?6③合成孔徑雷達合成孔徑雷達與側視雷達類似,也是在飛機或衛(wèi)星平臺上由傳感器向與飛行方向垂直的側面發(fā)射信號。所不同的是將發(fā)射和接收天線分成許多小單元,每一單元發(fā)射和接收信號的時刻不同。由于天線位置不同，記錄的回波相位和強度都不同。目的：提高圖象在飛行方向的分辨率。41③合成孔徑雷達7側視雷達工作原理電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當雷達在時間t1發(fā)射出一個窄脈沖,被目標反射后,在時間t2返回,則目標地物的距離為:

(t2-t1)*c/242側視雷達工作原理電磁波在空間中的傳播速度c是一定的,當雷達在微波傳播示意圖脈沖雷達pulseradar：脈沖:一個物理量在短持續(xù)時間內突變后迅速回到其初始狀態(tài)的過程。脈沖信號是一種離散信號，形狀多種多樣，與普通模擬信號（如正弦波）相比，波形之間在時間軸不連續(xù)（波形與波形之間有明顯的間隔）但具有一定的周期性是它的特點。最常見的脈沖波是矩形波（也就是方波）。脈沖信號可以用來表示信息，也可以用來作為載波.脈沖寬度：就是高電平持續(xù)的時間。chirpradar線性調頻雷達43微波傳播示意圖脈沖雷達pulseradar：chirp遙感平臺向前飛行，天線發(fā)射和接收雷達脈沖交替進行；在波束寬度范圍內，地面不同的地物由于距離不同而在不同的時間反射回波。反射回波的信號記錄一條圖象掃描線。返回的信號被天線接收并記錄下來。側視雷達工作原理(真實孔徑雷達)真實孔徑雷達是對平臺的行進方向（稱方位向）的側方（稱距離向）發(fā)射寬度很窄的脈沖電波波束，然后接收從目標物返回的后向散射波，從接收的信號中可以獲得地表的圖像。44遙感平臺向前飛行，天線發(fā)射和接收雷達脈沖交替進行脈沖寬度發(fā)一個脈沖,陸續(xù)收到一連串回射,而且回射的特性隨地物不同而異飛行方向45脈沖寬度發(fā)一個脈沖,陸續(xù)收到一連串回射,而且回射的特性隨地物A：飛行方向；B：天底nadirE：方位向azimuthflightdirection；D：距離向lookdirection；C：掃描寬度swath;有關術語A入射角incidenceangle;B視角;

C斜距Slantdistance;D地距Grounddistance;46A：飛行方向；B：天底nadir有關術語A入射角incideA:近距（nearrange）B:遠距（farrange）47A:近距（nearrange）13距離向分辨率與方位向分辨率在側視方向的分辨率(在垂直于航向方向的分辨力)Pg=c×/2cosφ脈沖持續(xù)期（脈沖寬度，時間s)，φ俯角，c光速。φ越大，Pg越大，分辨率越低即：距離越近，距離向分辨率越低理論上講,斜距分辨率等于脈沖寬度的一半１.距離分辨率48距離向分辨率與方位向分辨率在側視方向的分辨率(在垂直于航向方4915例:設俯角50,脈沖寬度0.1s則距離分辨力Pg=0.50.110-6(s)2.998108(m/s)/cos50=0.50.12.998/0.642788100=23.2mPg=0.5c／cos50例:Pg=0.5c／cos16距離越近，方位分辨率越高；與距離向分辨率變化規(guī)律相反.沿航線方向的分辨率—方位向分辨率ra=*R波束寬度，R天線到該像元的傾斜距離=/L,波長，L天線長度

ra=(/L)*R天線越長，ra越小，方位分辨率越高２.方位分辨率51距離越近，方位分辨率越高；與距離向分辨率變化規(guī)律相反.沿航線例:設衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長=3cm,距目標地物800km,則方位分辨力Pa=[310-2(m)/4(m)]800103(m)=6000m若要求方位分辨率達到3m,則天線孔徑需8000m.(這可能么)提高距離分辨率和方位分辨率的方法：1）采用脈沖壓縮技術，縮短脈沖發(fā)射寬度2）用合成孔徑天線來代替真實孔徑天線，以縮短天線孔徑。52例:設衛(wèi)星天線孔徑D=4m,波長=3cm,距目標地物80合成孔徑合成孔徑雷達（SAR，SyntheticApertureRadar）基本原理：利用短的天線，通過修改數據記錄和處理技術，產生很長孔徑天線的效果，等于通過加長天線孔徑來提高觀測精度。在沿飛行航跡方向上形成一個天線陣列，并與數據記錄和處理過程聯(lián)系在一起。在不同位置接收同一地物的回波信號，信號得到的時間不同，相位和強度不同，形成相干影象。經過復雜的處理，得到地面的實際影象。53合成孔徑合成孔徑雷達（SAR，Synthetic合成孔徑54合成孔徑20合成后的天線孔徑為Ls,則其方位分辨率為:Rs=(λ/Ls)R由于天線最大的合成孔徑為:Ls=Ra=(λ/D)R則有Rs=D由于雙程相移,方位分辨率還可提高一倍,即Rs=D/2式中，λ:波長；D：雷達孔徑；R：斜距。

由此可知，方位向的分辨率與距離無關，所以，即使從衛(wèi)星的高度上也可以獲得高分辨率的圖像。55合成后的天線孔徑為Ls,則其方位分辨率為:215622斜距圖象的比例尺變化A、B、C為三個長度相等的線性地物。斜距圖象、地距圖象側視雷達圖象57斜距圖象的比例尺變化A、B、C為三個長度相等的線性地物。側視雷達圖象變形：距離