遙感圖像判繪側(cè)視雷達成像講課

一、雷達簡介雷達是英文Radar的音譯，源于RadioDetectionandRanging的縮寫，原意是無線電探測和測距。即用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標并測定它們在空間的位置。因此雷達也稱為無線電定位。隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，雷達的任務不僅是測量目標的距離、方位和仰角，而且還包括測量目標的速度，以及從目標回波中獲取更多有關(guān)目標的信息。雷達是利用目標對電磁波的反射或散射現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)目標并測定其位置的。飛機、導彈、人造衛(wèi)星、各種艦艇、車輛、兵器、炮彈以及建筑物、山川、云雨等等，都可能作為雷達的探測目標。第1頁/共60頁第一頁，共61頁。一、雷達簡介主動式遙感器，使用微波波段，發(fā)射波長0.1-100cm特點：全天候、全天時，地面分辨率明顯提高；幾何關(guān)系復雜第2頁/共60頁第二頁，共61頁。發(fā)展歷史mid1800'sJamesClerkMaxwellfirstdefinedtheessentialcharacteristicsofmicrowavesin1886,HeinrichR.Hertzdiscoveredthatmicrowavescouldbereflectedfromvarioustargets1900GuglielmoM.Marconidevisedapracticalantennafortransmitting&receivingradiosignals1922A.H.Taylor&L.C.Young(U.S.Navy)discoveredthepotentialofradiosignalsfordetectingthepresenceoflargeobjectsatadistance第3頁/共60頁第三頁，共61頁。發(fā)展歷史1935SirRobertWatson-Watt(U.K.)devisedthefirstinstrumentwhichintegratedthetransmitterandreceiveronthesameantennausingapulsedsignal-thefirstradar1950'sdevelopmentofexperimentalsyntheticapertureradars(SARs)formilitarypurposes

usingairborneplatforms1960'simagingradarwasslowlydeclassifiedfromthemilitaryanddevelopedforterrainandnaturalresourcesurveys1970'sspaceborneSARs

第4頁/共60頁第四頁，共61頁。國外主要星載雷達Seasat.SIR-A.SIR-B（美國）鉆石-1（前蘇聯(lián)）ERS-1（歐空局）JERS-1（日本）Radarsat(加拿大)第5頁/共60頁第五頁，共61頁。側(cè)視雷達的一般結(jié)構(gòu)側(cè)視雷達一般由脈沖發(fā)射機、接收機、發(fā)射接收轉(zhuǎn)換開關(guān)、天線和顯示記錄器組成。脈沖發(fā)射機產(chǎn)生脈沖信號，由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，經(jīng)天線向觀測地區(qū)發(fā)射。地物反射或者散射的電磁波也由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制進入接收機。接收的信號在顯示器上顯示或記錄在磁帶上。天線發(fā)射器轉(zhuǎn)換開關(guān)接收機顯示器目標R噪聲信號處理機發(fā)射的電磁波接收的電磁波第6頁/共60頁第六頁，共61頁。成像雷達常用的波段波段名稱頻率（GHz）測量對象L1-2波浪S3-4地質(zhì)C4-8土壤水分X8-12降雨Ku12-18風、冰、大地水準面K18-27植被Ka27-40雪W75附近云第7頁/共60頁第七頁，共61頁。雷達的優(yōu)點1.微波能穿透云霧和雨雪，有全天候、全天時的工作能力，這對實時監(jiān)測十分有利。2.微波對地物有一定的穿透能力。如微波可穿透幾十米的沙層和上百米的冰層；對中度含水量的土壤能穿透幾米甚至十幾米，可用于地下勘探和軍事目標探測。3.側(cè)視雷達圖像不僅包含了地物對微波的反射或散射的強弱，而且還包含了回波的相位信息，從而可進行雷達干涉測量（RadarInterferometry），確定目標的高度。4.側(cè)視雷達圖像的地面分辨率與平臺高度無關(guān)。第8頁/共60頁第八頁，共61頁。二、真實孔徑側(cè)視雷達RealApertureSide-lookingRadar時間反射強度真實孔徑側(cè)視雷達工作原理方位向：平臺行進方向距離向：平臺側(cè)向接收機第9頁/共60頁第九頁，共61頁。1、成像過程收集順序：近距離先收集，遠距離后收集回波強弱（色調(diào)）：（1）金屬——硬目標強，（2）反射面方向——向天線強（3）平滑鏡面反射——回波弱（4）反射面性質(zhì)——草地弱（5）陰影——無反射天線收集側(cè)面天線發(fā)射窄脈沖地物反射成像處理形成影像放大檢波第10頁/共60頁第十頁，共61頁。2、地面分辨率

距離分辨率方位分辨率第11頁/共60頁第十一頁，共61頁。距離分辨率定義：在距離方向上能分辨的最小目標的尺寸斜距Rθ距離分辨率斜距分辨率τ為脈沖寬度，Ｃ為光速，θ為雷達波側(cè)視角△R與距離無關(guān)，要提高△R，需要減小τ，但是減小τ會使雷達的發(fā)射功率下降，從而使回波信號的信噪比（S/N）下降，造成圖像質(zhì)量下降。為此，采用脈沖壓縮技術(shù)來提高△R。為什么要采取側(cè)視雷達而不采取正視的雷達？第12頁/共60頁第十二頁，共61頁。脈沖壓縮技術(shù)脈沖壓縮技術(shù)：利用線性調(diào)頻調(diào)制技術(shù)將較寬的脈沖調(diào)制成振幅大、寬度窄的脈沖的技術(shù)時間時間t振幅A0f2f1頻率τ?f振幅A0f2f1頻率τ?f延遲時間時間t1/?f發(fā)射脈沖的波形匹配濾波器濾波后的輸出波形經(jīng)脈沖壓縮后，振幅原來的倍，脈沖寬度為，且隨著f的提高，距離分辨率和S/N也提高了，這也叫距離壓縮。第13頁/共60頁第十三頁，共61頁。方位分辨率定義：相鄰的兩脈沖之間，能分辯兩個目標的最小距離式中β為雷達的波束寬度，L為雷達天線的孔徑，R為雷達天線到地面目標的距離

天線β?LLR要提高方位分辨率，需采用較短波長的電磁波，或加大天線孔徑，或縮短觀測距離。如要求方位向分辨率為25m，采用波長為5.7cm的微波，衛(wèi)星高度為600km，側(cè)視角40度，則天線尺寸應為1790m

，這顯然難以實現(xiàn)。第14頁/共60頁第十四頁，共61頁。三、合成孔徑側(cè)視雷達特點：距離向采用脈沖壓縮技術(shù)來提高分辨率方位向通過合成孔徑原理來改善分辨率

SyntheticApertureSide-lookingRadar

第15頁/共60頁第十五頁，共61頁。成像原理

用一系列的小天線排成一個陣列，每個小天線之間的距離為d，總長度為Nd。對于每個天線，脈沖發(fā)射是同時進行的，接收時也是同時接收信號。這就如同真實孔徑雷達一樣。dL=Ndl…第16頁/共60頁第十六頁，共61頁。成像原理SyntheticApertureSide-lookingRadar

利用小天線作為單個發(fā)射接收單元，小天線隨平臺移動，在移動中選若干個位置，在每個位置上發(fā)射一個信號并接收來自地物目標的回波信號，記下回波信號的振幅和相位。當小天線移動一段距離后，將所有不同時刻接收的同一目標信號消除因時間和距離不同所引起的相位差，修正到同時接收的情況，就得到如同真實孔徑側(cè)視雷達一樣的效果第17頁/共60頁第十七頁，共61頁。不同時刻和位置接收的同一目標的頻率不同（多普勒平移效應），隨著時間增加，接收信號的頻率降低。頻率偏移對時間而言是線性的。反射脈沖可以認為是經(jīng)過線性調(diào)制處理的，因此，將不同位置接收的同一目標信號，通過與頻率偏移具有逆特性的匹配濾波器濾波調(diào)制，就得到目標的唯一像點。通過調(diào)制處理后，方位向上的分辨率得以提高，這種處理也叫做方位向壓縮。成像原理第18頁/共60頁第十八頁，共61頁。成像原理輸出輸入f1f0延遲時間頻率匹配濾波器t1t3t4t5f1f0時間頻率濾波處理t2頻率隨時間變化時間濾波結(jié)果第19頁/共60頁第十九頁，共61頁。方位分辨率由于合成孔徑長度L等于真實孔徑長度的天線能夠照射到的范圍，即：合成孔徑雷達的方位分辨率為：合成孔徑天線提供的有效角分辨率或波束寬度為：合成孔徑雷達的方位分辨率與距離無關(guān)，僅與實際天線的孔徑有關(guān)，天線愈短，分辨率愈高。第20頁/共60頁第二十頁，共61頁。合成孔徑側(cè)視雷達的數(shù)字成像處理

雷達記錄的是回波信號的幅度和相位在空間沿方位向和距離向的分布，它是一個不可視圖像，必須經(jīng)過處理才能形成可視的雷達圖像。距離方向方位方向第21頁/共60頁第二十一頁，共61頁。合成孔徑側(cè)視雷達的數(shù)字成像處理重建原理：通過距離壓縮和方位壓縮把距離方向和方位方向上分別記錄的地面上一點的接收信號壓縮到一點上。距離單元遷移改正：由于平臺的移動，地面上一點到雷達天線的距離是以時間為自變量的二次函數(shù)，因此雷達在不同時刻和位置接收到的同一地面目標的信號不是在一條直線上，這種現(xiàn)象稱為距離遷移（RangeMigration）。重建處理時需要進行距離單元遷移改正（RangeCellMigrationCorrection）。消除或減弱光斑噪聲：由于SAR的圖像的像元灰度值服從指數(shù)分布，每個像點都有一個灰度的隨機漲落性，造成圖像中出現(xiàn)顆粒狀的光斑噪聲，利用多視處理的方法可以消除或減弱光斑噪聲。它是將合成孔徑分為若干個子孔徑，在每個子孔徑內(nèi)分別進行方位壓縮，再將多個子孔徑的處理結(jié)果求和平均的方法。以此消除或減弱光斑噪聲，但這樣做同時也降低了方位向上的分辨率。第22頁/共60頁第二十二頁，共61頁。合成孔徑側(cè)視雷達的數(shù)字成像處理距離向參考函數(shù)SAR原始數(shù)據(jù)距離向的傅立葉變換傅立葉變換逆傅立葉變換

轉(zhuǎn)置距離壓縮****

逆傅立葉變換方位向的傅立葉變換

距離單元遷移改正1視的參考函數(shù)傅立葉變換N視的參考函數(shù)傅立葉變換……把復數(shù)變成實數(shù)處理后的SAR圖像方位壓縮距離向參考函數(shù)是與發(fā)射信號復共軛的信號。方位向參考函數(shù)是由多普勒平移效應引起線性調(diào)頻信號的復共軛信號第23頁/共60頁第二十三頁，共61頁。合成孔徑側(cè)視雷達的數(shù)字成像處理(d)方位壓縮后的結(jié)果(c)距離單元遷移改正后的結(jié)果(b)距離壓縮后的結(jié)果(a)原始信號方位振幅距離方位振幅距離方位振幅距離方位振幅距離第24頁/共60頁第二十四頁，共61頁。四、側(cè)視雷達圖像的特性一、側(cè)視雷達圖像的幾何特性

二、側(cè)視雷達圖像的物理特性

第25頁/共60頁第二十五頁，共61頁。1、側(cè)視雷達圖像的幾何特性1、投影方式2、比例尺特性3、投影誤差4、透視收縮與頂?shù)孜灰?、雷達陰影第26頁/共60頁第二十六頁，共61頁。投影方式投影方式——斜距投影天線θRsRgbaBA斜距Rs比地面距離Rg小。而且同樣大小的地面目標，離天線正下方越近，在像片上的尺寸越小。第27頁/共60頁第二十七頁，共61頁。投影方式Slant-rangescaledistortionConversioncomparison第28頁/共60頁第二十八頁，共61頁。雷達圖像的比例尺距離向上的比例尺主要與側(cè)視角有關(guān)。隨著側(cè)視角的增大，圖象比例尺變大，所以在圖象上有近地點被壓縮、遠地點被拉長的感覺

飛行方向的比例尺是固定的，它取決于平臺飛行的速度和膠片記錄的速度。

在記錄回波信號時，如果雷達系統(tǒng)中采用延時斜距傳播的時差，此時雷達圖像顯示的為地面距離，在平坦地區(qū)以平距顯示的雷達圖像上比例尺處處一致。第29頁/共60頁第二十九頁，共61頁。投影誤差θbaBhAδyly第30頁/共60頁第三十頁，共61頁。透視收縮與頂?shù)孜灰飘斃走_波束照射到位于雷達天線同一側(cè)的斜面時，雷達波束到達斜面頂部的斜距和到達底部的斜距之差要比斜面對應的地面距離小。所以在圖像上的斜面長度被縮短了，這種現(xiàn)象稱為透視收縮。?RθαSAB’B?XRsRs’透視收縮第31頁/共60頁第三十一頁，共61頁。透視收縮與頂?shù)孜灰痞圈罛AS?R?X背坡的透視收縮對于背向天線的地面斜坡也存在透視收縮，只不過斜面長度看起來被拉長當θ＋α≤90o時，會出現(xiàn)背坡的透視收縮現(xiàn)象。收縮比：第32頁/共60頁第三十二頁，共61頁。透視收縮與頂?shù)孜灰芺aAαθSBRsRs’頂?shù)孜灰飘斃走_波束到斜坡頂部的時間比雷達波束到斜坡底部的時間短的時候，頂部影像被先記錄，底部影像被后記錄，這種斜坡頂部影像和底部影像被顛倒顯示的現(xiàn)象稱頂?shù)孜灰?。?3頁/共60頁第三十三頁，共61頁。雷達圖像Radarshadowradarshadoweffects第34頁/共60頁第三十四頁，共61頁。雷達陰影當θ＋α≥90o時，在斜坡的背后有一地段雷達波束不能到達，因此地面上該部分沒有回波返回到雷達天線，從而在圖像上形成陰影。陰影的影像在呈黑色。baθSαh雷達陰影h·secθ陰影的長度L與地物的高度h及側(cè)視角θ有如下的關(guān)系：

第35頁/共60頁第三十五頁，共61頁。2、側(cè)視雷達圖像的物理特性地面目標在雷達圖像上的色調(diào)取決于目標的回波功率?；夭üβ蕪?，影像色調(diào)淺；回波功率弱，影像色調(diào)深。影響回波功率的因素雷達的發(fā)射功率天線功率增益雷達波長目標的微波散射特性極化方式第36頁/共60頁第三十六頁，共61頁。側(cè)視雷達圖像的物理特性地面目標在雷達圖像上的色調(diào)取決于目標的回波功率?；夭üβ蕪?，影像色調(diào)淺；回波功率弱，影像色調(diào)深。影響雷達圖像色調(diào)的主要因素平臺高度側(cè)視角復介電常數(shù)雷達波長表面粗糙度目標類型極化方式第37頁/共60頁第三十七頁，共61頁。平臺高度平臺高度的大小會影響微波在大氣中傳播路程的長短，從而會影響微波傳輸?shù)耐高^率。微波傳輸會受到大氣分子的吸收和散射的影響，從而產(chǎn)生衰減。微波衰減與平臺高度H成正比，平臺越高，同一目標的影像色調(diào)越深。第38頁/共60頁第三十八頁，共61頁。側(cè)視角側(cè)視角引起反射率變化側(cè)視角小，反射率大，影像色調(diào)淺。側(cè)視角與透視收縮、頂?shù)孜灰萍瓣幱坝嘘P(guān)側(cè)視角大，發(fā)生透視收縮、頂?shù)孜灰萍瓣幱暗目赡苄跃痛蟆ｋS著側(cè)視角的增加，方位向上的陰影效果被突出，會壓蓋許多地物而造成判讀困難。第39頁/共60頁第三十九頁，共61頁。復介電常數(shù)

復介電常數(shù)與物體導電、導磁性有關(guān)。復介電常數(shù)越大，反射雷達波束的作用就越強，穿透作用越小。復介電常數(shù)與物體含水量有關(guān)。含水量越大，復介電常數(shù)越大。因而色調(diào)淺。一般情況下，金屬物體比非金屬物體的復介電常數(shù)大；潮濕的土壤比干燥的土壤復介電常數(shù)大。第40頁/共60頁第四十頁，共61頁。色調(diào)變化?第41頁/共60頁第四十一頁，共61頁。答案第42頁/共60頁第四十二頁，共61頁。表面粗糙度光滑表面有時會發(fā)生鏡面反射。如果雷達天線位于鏡面反射的方向上，可以接收到很強的回波，圖像上呈亮色調(diào)。雷達天線位于其它位置時，接收不到回波，影像呈深色調(diào)。

粗糙的表面，發(fā)生方向反射或者漫反射，有較強的回波，影像的色調(diào)校淺。第43頁/共60頁第四十三頁，共61頁。雷達波長雷達波長可從兩個方面影響目標的回波功率。第一，按波長去衡量地物表面的有效粗糙度，對同一地物表面粗糙度，波長不同，其有效粗糙度不同，對雷達波束的作用不同。第二，波長不同，復介電常數(shù)不同，復介電常數(shù)不同會影響到地物目標的反射能力的大小和電磁波穿透力的大小。第44頁/共60頁第四十四頁，共61頁。目標類型面目標：如草地或農(nóng)田，它由許許多多同一類型的物質(zhì)或點組成，這些物質(zhì)或點的位置分布是隨機的，它們接收的電磁波相位各不相同，而且其回波的相位、振幅也是隨機的，其中沒有任何一個物點的回波在回波總功率中占主導地位。天線接收的信號往往是形成周期性信號，造成影像上這類地物最強信號到最弱信號的周期性變化，并非灰度均勻，而是一系列亮點和暗點相間的圖斑，形成了“光斑”效應。當回波在一個分辯單元相加時，像元呈亮點，當回波在在一個分辯單元相反時，相互抵消，呈暗色調(diào)。消除“光斑”的方法：“多視”處理，低通濾波。第45頁/共60頁第四十五頁，共61頁。目標類型點目標：指比分辯單元小很多的地物目標，其回波在回波總功率中占主導地位，但它的影像比實際地物大。

第46頁/共60頁第四十六頁，共61頁。目標類型硬目標：具有較大的散射截面，在側(cè)視雷達圖像上呈亮白色影像的物體統(tǒng)稱硬目標。這種目標既不占有相當面積，又不限制在分辯單元之內(nèi)，它們在圖像上表現(xiàn)為一系列亮點或一定形狀的亮線。如：與雷達波垂直的高壓線，金屬板，橋梁，鐵路，金屬塔架，坦克等。第47頁/共60頁第四十七頁，共61頁。目標類型角反射目標：墻與墻，墻與地等構(gòu)成角反射器，波按原方向返回。因此，與雷達波垂直地街道，成排房屋，街區(qū)或居民地，高于地面地堤，行樹及溝塹呈白色。

cornerreflectionradarimageofacity.第48頁/共60頁第四十八頁，共61頁。目標類型亞表面粗糙度：當電磁波穿透地物時，第二層介質(zhì)地表面粗糙度。亞表面粗糙度在圖像上會有反映，如雪、干沙等下的地物。第49頁/共60頁第四十九頁，共61頁。機載高分辨率SAR圖像（機場）飛機跑道房屋第50頁/共60頁第五十頁，共61頁。機載高分辨率SAR圖像樹木河流橋梁第51頁/共60頁第五十一頁，共61頁。機載高分辨率SAR圖像（不同分辨率下的M-47坦克）坦克坦克坦克第52頁/共60頁第五十二頁，共61頁。海洋環(huán)境監(jiān)測

海洋監(jiān)測站利用Radarsat圖像監(jiān)測海面船只，打擊濫捕、油污泄漏等污染環(huán)境事件。圓圈中的白點為船只，箭頭所指的兩個深色區(qū)域是被油污污染區(qū)域。第53頁/共60頁第五十三頁，共61頁。第54頁/共60頁第五十四頁，共61頁。穿透...thatanL-bandradar(23.5cmwavelength)imagingfromtheorbitingspaceshuttlewasabletodiscoverancientriverchannelsbeneaththeSaharaDesertinNorthernAfrica.Becauseofthelongwav