合成孔徑雷達(dá)技術(shù)熱點(diǎn)及應(yīng)用

1、2013年12月8日合成孔徑雷達(dá)技術(shù)熱點(diǎn)及1彭石寶，男，1982年生，博士，博士后。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)/聲納信號處理，雷達(dá)/聲納成像，計(jì)算電磁學(xué)，目標(biāo)識別等。作者簡介2一、SAR發(fā)展回顧二、SAR基本概念三、SAR典型應(yīng)用四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)提綱31.SAR發(fā)展歷程2.SAR典型系統(tǒng)一、SAR發(fā)展回顧4SAR優(yōu)點(diǎn)：二維高分辨率圖像全天候、穿透云霧能力全天時工作低頻段穿透植被和樹葉一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程5SAR應(yīng)用領(lǐng)域：一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程軍事：情報、監(jiān)視、偵察 （SAR+GMTI）JSTAR伊拉克撤軍6SAR應(yīng)用領(lǐng)域：一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程民用：考古、

2、測繪、防災(zāi)光學(xué)圖片SIR-C7最早的對地成像雷達(dá)：H2S，實(shí)孔徑成像，分辨率低一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程二戰(zhàn)期間英國的H2S機(jī)載雷達(dá)1944年，德國的Cologne被轟炸后H2S夜間觀測圖像8一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程1957年第一幅SAR圖像1978提出PFA算法9一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程第一顆SAR衛(wèi)星SEASAT上天光學(xué)處理數(shù)字處理10一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程光學(xué)處理數(shù)字處理80年代中期ASAR出現(xiàn)U2麥哲倫火星探測器卡西尼土星探測器11一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程光學(xué)處理數(shù)字處理80年代中期ASAR出現(xiàn)U2F-35全球鷹機(jī)載SARSa

3、ndiaTwin Otter分辨率1ft12一、SAR發(fā)展回顧1 SAR發(fā)展歷程SAR分辨率發(fā)展歷程表13一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（機(jī)載系統(tǒng)）14一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（機(jī)載系統(tǒng)）15一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（機(jī)載系統(tǒng)）FSAR系統(tǒng)：多功能多波段多極化帶寬：800MHz最高重頻：5KHz入射角：256016一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（機(jī)載系統(tǒng)）全球鷹SAR系統(tǒng)：多功能(SAR+GMTI,對海模式)X波段帶寬：600MHz視場：正負(fù)45MPTIP17一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（星載系統(tǒng)）18一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（星載系統(tǒng)）

4、19一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（星載系統(tǒng)）20一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（星載系統(tǒng)）21一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)（星載系統(tǒng)）22一、SAR發(fā)展回顧2 SAR典型系統(tǒng)發(fā)展趨勢：“五多”多極化（HH/HV/VH/VV）多平臺（機(jī)載、星載）多功能（SAR、GMTI、INSAR等）多波段（P/L/C/X/Ku）多基地（星星、星機(jī)、機(jī)艦）23一、SAR發(fā)展回顧二、SAR基本概念三、SAR典型應(yīng)用四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)提綱241.SAR成像原理2.SAR成像模式3.SAR成像過程4.SAR成像指標(biāo)二、SAR基本概念25二、SAR基本概念1 SAR成像原理26二、SAR基本概念1

5、 SAR成像原理成 像 處 理距離向高分辨通過發(fā)射寬帶信號，方位向高分辨通過合成孔徑處理27二、SAR基本概念1 SAR成像原理SAR成像幾何28二、SAR基本概念1 SAR成像原理數(shù)據(jù)收集過程：SAR系統(tǒng)場景目標(biāo)回波數(shù)據(jù)目標(biāo)、場景 大氣成像幾何載荷指標(biāo)29二、SAR基本概念1 SAR成像原理目標(biāo)、場景的表現(xiàn)形式：后向散射系數(shù)目標(biāo)：電導(dǎo)率、介電常數(shù)、形狀結(jié)構(gòu)雷達(dá)：工作頻率、波束入射角、極化方式30二、SAR基本概念1 SAR成像原理目標(biāo)、場景的表現(xiàn)形式：后向散射系數(shù)散射系數(shù)量級(單位：dBm2/m2) 典型場景020人工建筑物、城市區(qū)域-100森林區(qū)域-20-10農(nóng)作物、粗糙地表20大型車輛、

6、艦船31二、SAR基本概念1 SAR成像原理目標(biāo)、場景的表現(xiàn)形式：后向散射系數(shù)L波段C波段X波段工作頻段影響（透射效應(yīng)）頻段越低，透射效應(yīng)越好20cm6cm1cm32二、SAR基本概念1 SAR成像原理目標(biāo)、場景的表現(xiàn)形式：后向散射系數(shù)X波段L波段工作頻段影響（透射效應(yīng)）33二、SAR基本概念1 SAR成像原理目標(biāo)、場景的表現(xiàn)形式：后向散射系數(shù)散射系數(shù)：dbm2波束入射角陸地海洋波束入射角影響波束入射角越小散射系數(shù)越小34二、SAR基本概念2 SAR成像模式條帶模式（StripSAR）35二、SAR基本概念2 SAR成像模式掃描模式（ScanSAR）36二、SAR基本概念2 SAR成像模式聚束

7、模式（SpotlightSAR）37二、SAR基本概念2 SAR成像模式成像模式比較成像模式分辨率測繪寬度掃描SAR低大條帶SAR中中聚束SAR高小38二、SAR基本概念2 SAR成像模式機(jī)載SAR成像模式：三種模式切換39二、SAR基本概念2 SAR成像模式星載SAR成像模式：三種模式變換種類多40二、SAR基本概念2 SAR成像模式星載SAR成像模式：三種模式變換種類多41二、SAR基本概念3 SAR成像過程傳統(tǒng)雷達(dá)處理過程波形產(chǎn)生功率放大雙工器接收機(jī)發(fā)射機(jī)A/D脈壓雜波處理檢測跟蹤數(shù)據(jù)記錄信號處理42二、SAR基本概念3 SAR成像過程SAR處理過程波形產(chǎn)生功率放大雙工器接收機(jī)發(fā)射機(jī)A/

8、D脈壓GPS/IMU運(yùn)動參數(shù)成像處理機(jī)上信號處理圖像處理機(jī)下圖像處理43二、SAR基本概念3 SAR成像過程距離向脈壓運(yùn)動補(bǔ)償方位向脈壓取模得圖像原始回波高分辨距離像原始回波高分辨距離像最終圖像44二、SAR基本概念3 SAR成像過程原始回波高分辨距離像最終圖像目標(biāo)需要運(yùn)動補(bǔ)償45二、SAR基本概念3 SAR成像過程處理過程中的運(yùn)動補(bǔ)償是SAR成像的難點(diǎn)，不同的情況算法千變?nèi)f化！46二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)四大類指標(biāo)：點(diǎn)分辨率指標(biāo)面分辨指標(biāo)輻射分辨指標(biāo)定位指標(biāo)47二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)點(diǎn)分辨指標(biāo)：分辨率、峰值旁瓣比、理想點(diǎn)目標(biāo)二維沖擊響應(yīng)圖距離分辨率：方位分辨率：48

9、分辨率：主瓣3dB寬度峰值旁瓣比：第一旁瓣能量與峰值能量的比值（-13.2dB）積分旁瓣比：所有副瓣能量和與峰值能量的比值（-13.2dB）二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)加窗加窗效應(yīng)：主瓣展寬，旁瓣降低（分辨率降低，峰值旁瓣比和積分旁瓣比改善）49二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)點(diǎn)分辨指標(biāo)：方位向模糊度50二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)點(diǎn)分辨指標(biāo)：方位向模糊度無方位模糊圖像有方位模糊圖像距離向方位向5152二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)點(diǎn)分辨指標(biāo)：距離向模糊度近區(qū)模糊遠(yuǎn)區(qū)模糊主瓣回波信號副瓣回波信號53二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)點(diǎn)分辨指標(biāo)：距離向模糊度距離向方位

10、向54二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)面分辨指標(biāo)：圖像噪聲系數(shù)、等效視數(shù)、圖像動態(tài)范圍反映SAR對地面反射系數(shù)的要求，該值越小，成像能力越強(qiáng)圖像噪聲系數(shù)55二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)輻射分辨指標(biāo)：輻射精度、輻射分辨率、輻射穩(wěn)定度輻射精度：SAR測量目標(biāo)散射系數(shù)的準(zhǔn)確程度輻射分辨率：SAR區(qū)分散射系數(shù)相近目標(biāo)的能力輻射穩(wěn)定度：SAR在成像時間內(nèi)輻射精度的穩(wěn)定程度56二、SAR基本概念4 SAR成像指標(biāo)圖像定位指標(biāo)：相對定位精度、絕對定位精度 求目標(biāo)在載機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)求載機(jī)在地球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)求目標(biāo)在地球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)求目標(biāo)的經(jīng)度、緯度、高度SAR圖像定位流程相對定位精度絕對定位精

11、度絕對定位經(jīng)度受限于GPS經(jīng)度限制57一、SAR發(fā)展回顧二、SAR基本概念三、SAR典型應(yīng)用四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)提綱581.干涉2.極化3.干涉+極化三、SAR典型應(yīng)用591.1 干涉原理1.2 InSAR1.3 SAR/GMTI1.4 DInSAR三、SAR典型應(yīng)用1 干涉60三、SAR典型應(yīng)用1 干涉條件：兩幅或多幅SAR復(fù)圖像聯(lián)合處理有用信息從圖像干涉后的相位中提取要求復(fù)圖像間存在視角差交軌干涉順軌干涉1.1 干涉原理61三、SAR典型應(yīng)用1 干涉交軌干涉形式：單平臺雙天線單平臺雙航過順軌干涉形式：單平臺雙（多）天線形式：1.1 干涉原理62三、SAR典型應(yīng)用1 干涉原理：復(fù)圖像相位：與距

12、離相關(guān)干涉相位獲?。篠AR復(fù)圖像1SAR復(fù)圖像2干涉相位干涉相位通常以2的整數(shù)倍纏繞：相位解纏1.1 干涉原理63三、SAR典型應(yīng)用1 干涉干涉相位：1.1 干涉原理交軌干涉基線引起目標(biāo)位置變化引起傳播過程中的介質(zhì)變化引起（單航過雙天線可避免該項(xiàng)）噪聲引起64三、SAR典型應(yīng)用1 干涉典型應(yīng)用：干涉名稱信息特點(diǎn)應(yīng)用形式典型應(yīng)用交軌干涉天線圖像間相位差Tomography SAR, InSAR地形測繪順軌干涉天線圖像間相位差SAR/GMTI地面動目標(biāo)監(jiān)視洋流監(jiān)視差分干涉圖像獲取間隔單位：天DInSAR冰川、火山熔巖、水文監(jiān)測差分干涉圖像獲取間隔單位：天、年DInSAR地形沉降、地震形變、火山活動

13、監(jiān)測1.1 干涉原理65三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.2 InSAR高度：難以從單幅圖像中估計(jì)SAR1相位：SAR2相位：干涉相位：單幅圖像散射點(diǎn)位置估計(jì)66三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.2 InSAR高度：基線長度B已知基線角已知實(shí)際中基線長度和基線角測量精度要求極高：剛性基線 柔性基線6768三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.2 InSARTanDEM-X垂直基線水平基線有效基線69三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.2 InSAR層次空間分辨率絕對高程精度相對高程精度DTED-190m90m30m20mDTED-230m30m18m12mHRTI-312m12m10m2mHRTI-46m6m5m0

14、.8mDEM層次標(biāo)準(zhǔn)平方公里70三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.2 InSAR層次空間分辨率絕對高程精度相對高程精度DTED-190m90m30m20mDTED-230m30m18m12mHRTI-312m12m10m2mHRTI-46m6m5m0.8mDEM層次標(biāo)準(zhǔn)71三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.2 InSARSRTM獲取的厄瓜多爾科多帕?；鹕紻EM圖72三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.1 InSARTerra-SAR雙航過巴黎干涉相位解纏后相位圖，300MHz，時間：2008年1.16和1.277374三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.2 InSAR地形學(xué)導(dǎo)航城市規(guī)劃災(zāi)害應(yīng)急管理冰川監(jiān)測海洋監(jiān)測

15、地質(zhì)測繪水文學(xué)土地監(jiān)管75三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.3 SAR/GMTI基線76三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.3 SAR/GMTI基線兩時刻復(fù)圖像目標(biāo)相位差：時間基線（ms）目標(biāo)徑向速度77三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.3 SAR/GMTI公路運(yùn)動目標(biāo)靜止目標(biāo)方位時間距離波束中心靜止目標(biāo)運(yùn)動目標(biāo)方位時間多普勒調(diào)頻率多普勒中心78三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.3 SAR/GMTIATIDPCA利用復(fù)圖像干涉相位信息檢測動目標(biāo)不能抑制雜波，目標(biāo)速度誤差和位置估計(jì)容易受雜波干擾利用雜波對消凸顯并檢測動目標(biāo)沒有利用干涉相位信息，對目標(biāo)速度及位置進(jìn)行估計(jì)對消后幅度大小正比于目標(biāo)徑向速度79三、SAR

16、典型應(yīng)用1 干涉1.3 SAR/GMTIATIDPCA某一距離單元干涉相位分布雜波運(yùn)動目標(biāo)運(yùn)動目標(biāo)80FSAR近實(shí)時交通控制圖81FSAR近實(shí)時交通控制圖（放大）82Terra-SAR交通控制圖83ESAR水流監(jiān)測圖84三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.3 SAR/GMTI洋流監(jiān)測海岸警戒冰川移動監(jiān)測交通控制軍事上常用來對敵運(yùn)動態(tài)勢監(jiān)視85三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.4 DInSAR地表運(yùn)動或沉降引起的位移形變86三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.4 DInSAR特點(diǎn)：沒有DEM數(shù)據(jù)的情況下，至少3個航過的復(fù)圖像復(fù)圖像間獲取時間間隔長適合處理線性形變，可估算形變率非線性形變估計(jì)依然是個難題87三、S

17、AR典型應(yīng)用1 干涉1.4 DInSAR88三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.4 DInSAR89三、SAR典型應(yīng)用1 干涉1.4 DInSAR德國柏林地形沉降檢測，10年90919293三、SAR典型應(yīng)用2 極化（PolSAR）反射折射體散射極化散射矩陣散射方程94三、SAR典型應(yīng)用極化散射矩陣與目標(biāo)特性相關(guān)表面粗糙度土壤水分農(nóng)植物漲勢地表斜度冰層厚度散射幅度幅度比值相對相位角地表斜度極化相干性目標(biāo)特性極化散射特性2 極化（PolSAR）95三、SAR典型應(yīng)用極化SAR處理流程圖像預(yù)處理（相干斑抑制）極化散射矩陣（目標(biāo)極化分解）極化分類四個極化維圖像分類結(jié)果2 極化（PolSAR）969798三

18、、SAR典型應(yīng)用農(nóng)作物生長監(jiān)測大氣水文監(jiān)測森林監(jiān)測冰川分布監(jiān)測地質(zhì)分布監(jiān)測地物地形圖制作人工探礦軍事上，目標(biāo)極化分類識別：反隱身、隱蔽偽裝揭示2 極化（PolSAR）99三、SAR典型應(yīng)用3 極化+干涉（PolInSAR）聯(lián)合利用目標(biāo)的極化（PolSAR）和高程信息（lnSAR）優(yōu)勢：可將同一高度上的不同目標(biāo)在極化特性上進(jìn)行分辨100101一、SAR發(fā)展回顧二、SAR基本概念三、SAR典型應(yīng)用四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)提綱1021.雙多基地SAR2.寬測高分SAR四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)1031 雙多基地SAR四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：反隱身低成本高安全高可靠高性能易組網(wǎng)1041 雙多基地SAR四、SAR技術(shù)

19、熱點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)：三大同步問題（時間、空間、相位）亟待解決的難題：分辨理論不完善模糊理論不成熟針對具體構(gòu)型的高效成像算法缺乏針對不同構(gòu)型的在線同步技術(shù)研究不夠1051 雙多基地SAR四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)現(xiàn)狀：機(jī)載+機(jī)載ESAR(DLR)+Ramses(ONERA)1061 雙多基地SAR四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)現(xiàn)狀：機(jī)載+星載TerraSAR+FSAR2007年1071 雙多基地SAR四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)單基地SAR雙基地SAR光學(xué)圖片1081 雙多基地SAR四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)單基地SAR雙基地SAR光學(xué)圖片1091 雙多基地SAR四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)現(xiàn)狀：機(jī)載+星載TerraSAR+TanDEMSAR2

20、010年1102 寬測高分（DBF-SAR）四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)TerraSAR-X掃描條帶聚束分辨率16m3m1m測繪寬度100km30km10km為什么隨著分辨率的增加而測繪寬度卻在減小呢？未來SAR模式x模式y(tǒng)模式z分辨率5m1m0.1m測繪寬度400km100km30km1112 寬測高分（DBF-SAR）四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)傳統(tǒng)SAR存在的矛盾：高方位分辨率與大的測繪寬度方位向分辨率：平臺航向速度方位向多普勒帶寬脈沖重復(fù)頻率距離向測繪寬度：光速發(fā)射脈沖寬度增加方位分辨率-加大脈沖重復(fù)頻率增加距離向測繪寬度-減小脈沖重復(fù)頻率1122 寬測高分（DBF-SAR）四、SAR技術(shù)熱點(diǎn)傳統(tǒng)SAR:相控陣天線加權(quán)合成SAR成像處理DBFSAR成像處理DBF-SAR:數(shù)字相控陣天線緩解思路：數(shù)字波束形成SAR1132 寬測高分（DBF-SAR）四、S