雷达卫星分析
测绘技术中的卫星雷达测量原理解析
测绘技术中的卫星雷达测量原理解析引言测绘技术在现代社会中扮演着非常重要的角色，它可以帮助我们测量地球的形状、地貌以及建筑物的位置等诸多信息。
而其中一项关键技术就是卫星雷达测量。
本文将深入探讨卫星雷达测量的原理和应用，以期增进对这一技术的理解和认识。
第一部分：卫星雷达测量的基本原理卫星雷达测量是利用卫星上的雷达设备来获取地球表面的信息。
它利用雷达技术中的微波辐射与地球表面相互作用，通过测量反射信号来推断目标的属性。
1.1 雷达信号的传播原理卫星上的雷达系统会向地面发射微波信号，然后接收地面返回的反射信号。
当微波信号与地球表面的目标相互作用时，一部分能量会被目标吸收或散射，而另一部分则会返回到雷达接收器。
1.2 目标识别和测量接收到的反射信号可以提供关于目标的信息，包括目标的位置、形状、材质等。
通过对反射信号的分析和处理，可以对目标进行识别和测量。
例如，在地质测绘中，卫星雷达测量可以帮助我们确定地形和地貌的特征，从而为环境保护、资源勘探等提供有力支持。
第二部分：卫星雷达测量的应用领域卫星雷达测量具有广泛的应用领域，在地理调查、环境监测、农业和城市规划等领域发挥着重要作用。
2.1 地理调查和地形测量卫星雷达测量可以提供精确的地形数据，用于制作地图和进行地理调查。
它能够帮助我们了解地球表面的形状和高程等重要信息，对于制定城市规划、交通规划和自然灾害防范等具有非常重要的意义。
2.2 环境监测和资源调查卫星雷达测量在环境监测和资源调查方面发挥着重要作用。
它可以监测森林覆盖、土地利用、植被生长等环境参数的变化，从而帮助我们进行生态环境保护和资源管理。
例如，在农业调查中，卫星雷达测量可以帮助农民监测作物的生长状况，并提供农田灌溉和施肥的建议。
2.3 气象预测和灾害监测卫星雷达测量还可以用于气象预测和灾害监测。
通过测量大气中的湿度、温度和降雨量等参数，卫星雷达可以帮助我们预测天气变化和自然灾害，提供重要的预警信息。
雷达卫星的原理
雷达卫星的原理
雷达卫星是利用雷达技术进行探测和测量的卫星系统，可以通过
对物体反射回来的微波信号进行分析来识别和定位目标。
这些卫星常
常用于天气预报、监测自然灾害和军事应用等领域。
雷达卫星的原理基于雷达技术，雷达是利用电磁波向目标物体发
送脉冲信号，然后通过接收目标物体反射回来的信号来探测和测量其
位置、速度、形状等物理属性。
在雷达卫星系统中，卫星通过向地面
发射微波信号，然后接收从地面反射回来的信号来探测地面物体。
与
地面雷达不同的是，雷达卫星具有更广泛的探测范围和更高的探测精度。
雷达卫星通过向地面发射脉冲信号来测量目标距离。
当信号遇到
地面物体时，一部分信号会反射回来，并由卫星接收。
卫星根据接收
到的信号来计算目标物体与卫星之间的距离，这一过程称为“测距”。
除了测距外，雷达卫星还可以通过测量信号的“回波时延”来测
量目标速度。
当微波信号遇到运动目标时，信号会因目标移动而发生
频率变化，这种变化被称为“多普勒效应”。
通过测量信号的回波时延，并分析多普勒效应，卫星可以计算出目标的速度和方向。
最后，雷达卫星还可以通过分析反射信号的幅度和相位变化来测
量目标形状和构成。
这种分析称为“反射测量”，可以帮助科学家探
测地球表面的不同结构和构成，例如岩石、植被和水体等。
总之，雷达卫星的原理基于雷达技术，通过向地面发射微波信号
并接收反射信号来探测和测量地面物体的位置、速度和形状等物理属性。
这种技术在天气预报、地质勘探、通信和军事应用等领域都有广
泛的应用。
Radarsat卫星
表 1
R a d a r s a t- 1 轨 道 参 数
Ta b l e 1 P a r a m e te r s o f R a d a r s a t- 1 S a te ll it e
卫星 种类 R a d a rs e t 商 业 S A R 卫 星
维护 公司
加拿 大太空 署、 美国 政府 、加 拿大 私有 企业
「汶川地震前绵竹Radarsat影像图
「汶川地震前德阳Radarsat影像图
「汶川地震前广汉Radarsat影像图
谢谢大家！
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表3 射线束模式与特征关系
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表4 Radarsat数据回归周期
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在某些应用中，入射角度非常重要。
如上图示，Radarsat能提供从20°至 60°的许系列角度供用户选择。每种射线束 中，均存在几个入射角度，它们被称之为射 线束位置。射线束模式、射线束位置、数据 分辨率和每景面积间的相互关系，见表3。 影响用户选择射线束位置即入射角的角 度因素如下： （1）识别物体对入射角度得敏感程度。如观 测船舶一类目标最好选用较大入射角度。 （2）应用地区的地形类型。雷达传感器真正 测定的是地面反悔的雷达波束特征及时间， 通过一定转换而成的地面地形图像，所以，
Radarsat（雷达卫星）
Radarsat(雷达卫星)简述
■ 简介
雷达卫星是载有合成孔径雷达（SAR）的对 地观测遥感卫星的统称。迄今为止，已在一些发 射的卫星上携有SAR，如Seasat SAR, Almaz SAR, JERS-1 SAR, ERS-1/2 SAR, 与它 们搭载在同一遥感平台上还装载着其他传感器。 而 1995年11月4日发射的加拿大雷达卫星 （Radarsat-1）则是一个兼顾商用及科学试验用 途的雷达系统，其主要探测目标为海冰， 同时还 考虑到陆地成像，以便应用于农业、地质等领域。
国外合成孔径雷达侦察卫星发展现状与趋势分析
国外合成孔径雷达侦察卫星发展现状与趋势分析Email:**********************0 引言未来战场状况瞬息万变，实时掌握正确的情报信息是取得战争主动权的重要因素，对敌照相侦察是进行情报收集的有效手段。
然而利用各种天然环境与人为工事、配合黑夜与恶劣气候条件、隐蔽及掩护部队（武器）行踪可使得传统光学影像无能为力，这也给雷达影像以发展契机。
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。
它是二十世纪高新科技的产物，是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法，以真实的小孔径天线获得距离向和方位向高分辨率遥感成像的雷达系统，在成像雷达中占有绝对重要的地位。
近年来由于超大规模数字集成电路的发展、高速数字芯片的出现以及先进的数字信号处理算法的发展，使SAR具备全天候、全天时工作和实时处理信号的能力，并已经成为现代战争军事情报侦察的重要工具[1]。
了解与研究国外SAR侦察卫星的发展现状及趋势，无论是对我国开发新的SAR卫星系统还是研究反SAR侦察技术都具有重要的现实意义。
1国外SAR侦察卫星的发展现状1.1 美国的Lacrosse卫星“长曲棍球”（Lacrosse）卫星是美国的军用雷达成像侦察卫星。
它不仅适于跟踪舰船和装甲车辆的活动，监视机动或弹道导弹的动向，还能发现伪装的武器和识别假目标，甚至能穿透干燥的地表，发现藏在地下数米深处的设施。
美国已经发射了Lacrosse-1（1988年12月）、Lacrosse-2（1991年3月）、Lacrosse-3（1997年10月）、Lacrosse-4（2000年8月）、Lacrosse-5（2005年4月），其中Lacrosse-1已经退役，并正在研制Lacrosse-6，分辨率从最初的1 m提高到0.3 m。
“长曲棍球”卫星已成为美国卫星侦察情报的主要来源，美国军方计划再订购6台“长曲棍球”卫星上的SAR，每台SAR的价格约5亿美元[2]。
RADARSAT-2 雷达卫星数据D-InSAR处理报告
相干。
2.4 基线估计
平行基线和垂直基线分量的估计精度对平地相位的计算和地形相位的模拟至关重要，地表 微小形变的监测依赖于高精度的基线参数，而目前卫星系统提供的精密轨道信息精度不高甚至 没有提供精密轨道信息，导致基线的估计精度偏低，出现系统性误差；目前常用的基线估计方 法有轨道法、条纹频率法和基于地面控制点的基线精化估计等。
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图 1 InSAR 几何原理图
如图 1 显示了重复轨道干涉测量所需关键参数及卫星轨道与地面目标的相对几何关系。S1 和 S2 分别表示主辅图像传感器，B 为空间基线，H 为主传感器相对地面的高度，R1 和 R2 分别 为主辅图像斜距，α为基线 B 与水平方向的倾角，θ 为主图像入射角，P 为地面目标点，h 为 P 点高程，P0 为 P 在参考平地上的等斜距点。B∥和 B⊥分别表示空间基线 B 在雷达视线方向 S1 与垂直视线方向上的投影。它们的表达式如下：
息，它是干涉测量技术赖以实现的关键信息。根据波动方程，两次的回波信号可用复数分别表
示为：
S(R1) A(R1) exp(i (R1)) S(R2 ) A(R2 ) exp(i (R2 ))
(1-2)
其中，A(R1)、A(R2)为两回波的振幅，ψ(R1)、ψ(R2)为回
波相位。从式（1-2）可以看出，雷达回波的振幅与相位都是雷达天线到目标 P 的路径的函数。
北京揽宇方圆信息技术有限公司
RADARSAT-2 雷达卫星数据 D-InSAR 处理报告
1 InSAR地表形变监测理论
雷达卫星地表形变监测通常是通过 D-InSAR 技术来实现，此技术是由 InSAR 技术发展而 来的，因此，首先需要介绍 InSAR 测量基本原理。
SAR雷达卫星影像数据的基本知识
SAR雷达卫星影像数据的基本知识SAR雷达卫星影像数据的基本知识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。
⼀个⼩天线通过“运动”⽅式就合成⼀个等效“⼤天线”，这样可以得到较⾼的⽅位向分辨率，同时⽅位向分辨率与距离⽆关，这样SAR就可以安装在卫星平台上⽽可以获取较⾼分辨率的SAR图像。
图1 SAR成像原理⽰意图1、⼏个参重要参数为了更好的理解SAR和SAR图像，需要知道⼏个重要的参数。
分辨率SAR图像分辨率包括距离向分辨率（Range Resolution）和⽅位向分辨率（Azimuth Resolution）。
图2 距离向和⽅位向⽰意图距离向分辨率（Range Resolution）垂直飞⾏⽅向上的分辨率，也就是侧视⽅向上的分辨率。
距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关，与脉冲持续时间成正⽐：Res( r) = c*τ/2其中c为光速，τ为脉冲持续时间。
⽅位向分辨率（Azimuth Resolution）沿飞⾏⽅向上的分辨率，也称沿迹分辨率。
如下为推算过程：真实波束宽度：β= λ/ D真实分辨率：ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2其中λ为波长，D为雷达孔径，R为天线与物体的距离。
从这个公式中可以看到，SAR系统使⽤⼩尺⼨的天线也能得到⾼⽅位向分辨率，⽽且与斜距离⽆关（就是与遥感平台⾼度⽆关）。
图3 ⽅位向分辨率⽰意图极化⽅式雷达发射的能量脉冲的电场⽮量，可以在垂直或⽔平⾯内被偏振。
⽆论哪个波长，雷达信号可以传送⽔平（H）或者垂直（V）电场⽮量。
接收⽔平（H）或者垂直（V）或者两者的返回信号。
雷达遥感系统常⽤四种极化⽅式———HH、VV、HV、VH。
前两者为同向极化，后两者为异向(交叉)极化。
极化是微波的⼀个突出特点，极化⽅式不同返回的图像信息也不同。
激光雷达测绘卫星发展及应用
激光雷达测绘卫星发展及应用关键词：激光测绘卫星；应用；展望激光雷达测绘卫星通过星载激光器以一定频率向地面发射激光脉冲，光束穿过大气后，被目标散射，产生微弱的后向散射回波。
回波由激光测高仪上的望远镜接收，通过光电信号转换和时间测量，计算出激光器与探测目标间距离值，再结合卫星姿态、平台位置、激光指向等信息，得到激光足印点的精确三维空间坐标。
其具有主动获取全球地表高程能力，可为快速获取包括境外地区在内的高程控制点和立体测图提供服务，并在极地冰盖、植被高度等方面发挥着重要作用。
一、激光雷达卫星ICESat-21、配置特点。
ICESat-2和ICESat最显著变化是使用光子计数激光雷达取代传统线性探测系统，后者需返回成千上万个光子，通过全波形采样及波形分析获得点云坐标，ICESat-2光电倍增管接收器探测灵敏度处于单光子级别，可标记每个光子返回接收器的时间，计算坐标，提高了探测效率。
由于卫星主要科学目标是测量冰冻圈变化，需尽可能在相同/相近位置多次测量。
ICESa-2设置1387个地面参考轨迹，RGT固定不变，为获得参考轨迹线的高程值，强弱光束必须位于RGT的左右两侧。
因此，要求激光指向控制精度优于45m。
由于采用光子计数探测系统，发射激光能量降低，强波束为120μJ(弱波束为四分之一)，激光重频增加，高达10kHz，沿轨点间距仅0.7m，与ICESat相比，数据密度大幅提高。
2、数据处理1)点云去噪。
光子计数激光雷达探测灵敏度高，噪声多，数据信噪比低。
虽然ICESat-2接收器配备了窄带滤波片，波段范围限于(532.272±0.15)nm，但该范围内仍有大量背景太阳光。
在一些高太阳角及高地面反射率场景中，背景光噪声率达到约10MHz，因此点云去噪较重要。
当前，大多现有的光子计数激光雷达设备只记录沿飞行方向的数据，因此通常在二维剖面上处理。
ICESat-2基础理论算法文件ATL03和ATL08分别提供了直方图及空间密度去噪算法：直方图法认为，垂直方向上点出现最多位置更可能是信号；空间密度法认为信号点在空间分布上更密集，密度直方图将显示“左噪右信”、“高窄噪低信号”的分布特征。
卫星激光雷达技术指南
卫星激光雷达技术指南在现代科技快速发展的时代，卫星激光雷达技术正成为一项备受瞩目的重要技术。
作为遥感技术的一种，卫星激光雷达以其高分辨率、高精度的特点，被广泛应用于地球观测、环境监测、军事侦察、资源勘探等领域。
本文将就卫星激光雷达的原理、应用和发展趋势进行介绍和讨论。
一、卫星激光雷达原理卫星激光雷达是利用激光束对地球表面进行扫描和探测的技术。
其工作原理可以简单概括为发射、接收和处理三个步骤。
首先，卫星激光雷达通过激光器产生一束高能激光束，并通过系统精确的定位和调节，将激光束发射到地球表面。
激光束的发射能量决定了其探测范围和精度。
其次，激光束在与地表发生相互作用后，一部分能量会被反射回卫星。
这部分反射激光经过卫星上的接收器进行接收，并转化为电信号。
接收器对电信号进行放大和处理，以获取有关地表特征和物体的相关信息。
最后，卫星将获得的信号传输到地面控制站进行进一步处理和分析，得出地表的三维信息和其他重要数据。
这些数据经过后续处理和分析后，可以用于制图、地形测量和环境监测等工作。
二、卫星激光雷达应用卫星激光雷达技术具有高分辨率和高精度的特点，因此在各个领域都有广泛的应用。
下面将着重介绍其在地球观测和环境监测方面的应用。
1. 地形测量：卫星激光雷达可以实现对地球表面的高精度三维地形测量。
通过对激光束反射时间的记录和分析，可以得到地表各点的高程信息，从而实现对地形的全面、精确的测量。
2. 天气监测：卫星激光雷达可以实时监测大气中的云层、雾霾等气象现象。
通过测量激光束在大气中的散射和吸收情况，可以获取大气参数，如温度、湿度和气压等，为天气预报和气象研究提供重要数据。
3. 环境监测：卫星激光雷达可以对地表的植被、水体和污染物等进行监测和识别。
通过测量激光束的反射强度和反射光谱，可以获取地表各个区域的植被覆盖度、水深和环境污染情况等信息。
4. 军事侦察：卫星激光雷达对军事侦察也具有重要意义。
通过对目标区域进行高分辨率的三维测绘，可以实现目标识别、目标跟踪和情报获取等任务，为军事作战提供决策支持。
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弓形回波（雷暴云）
回波穹隆、悬挂回波和砧状回波
台风KHANUN特征分析
2004年4月22日冷空气爆发（合肥雷达）
太阳的雷达显示
1 基本概念
• 卫星上携带有各种气象观测仪器，测量大气参数， 这种专门用于气象目的的卫星叫做气象卫星
• 气象卫星分类
– 静止气象卫星，地球同步轨道，相对地球而言静止， 观测的1/3球面，位于赤道上方，轨道高度约为 35800Km
2 卫星资料处理与分析基础
• 层云、雾
– 锋面附近呈现一大片或带状，冬季洋面上冷锋后或副 高东南象限呈球状闭合细胞状云系
– 可见光图像：洋面为大片的白色；陆地为断裂的、稀 疏的灰色
– 红外云图：深灰色到灰色 – 边界光滑、纹理均匀 – 雾会沿山脉、河流、海岸线分布
结构形式
带状 涡旋状 团（块）状 细胞状
• 时间分辨率
– 卫星对同一地区观测的时间间隔
1 基本概念
• 卫星数据构成（FY2卫星）
– 可见光通道（反射率） – 红外分裂窗通道（亮度温度） – 水汽通道（亮度温度） – 中红外通道（亮度温度）
2 卫星云图解译基础
• 卫星云图上识别云的六个判据
– 结构形式：带状、涡旋状、团状、细胞状 – 范围大小 – 边界形状：直线、圆形、气旋性弯曲 – 色调 – 暗影 – 纹理
• 中云（高层云、高积云）
– 成片出现 – 可见光图像上色调跨度较大（多层云系影响） – 红外云图上为中等程度的灰色 – 中云不一定有暗影和确定的边界形状
• 积云、浓积云
– 线状、开口状 – 纹理不均匀，多斑点和皱纹 – 边界不整齐、不光滑（局地加热的不均匀性） – 可见光图像上白亮，红外云图上色调不一
• 主动（卫星发射电磁波，接收反射回的信号） • 被动（接收来自地球的电磁波信号）
– 按波谱范围分为：微波、红外、可见光
1 基本概念
• 常见的卫星通道
– 可见光通道 (0.58-0.68μm)—太阳反射光 – 近红外通道(0.84-0.89 μm) —太阳反射光 – 短波红外通道(3.55-3.95 μm)--混合辐射 – 长波红外通道(10.3-11.3 μm)—地物热辐射 – 分裂窗通道 (11.5-12.5 μm) —地物热辐射 – 微波通道(mm) —地物热辐射
纹理
云顶表面光滑程度
多起伏、多斑点、皱纹 纤维状
光滑和均匀
3 天气现象的卫星云图
• 冷空气 • 大雾 • 降水 • 台风 • 强对流（雷暴）
可见光
红外
中红外
水汽
常见的天气系统
• 冷锋
– 冷平流中的冷锋 – 暖平流中的冷锋
• 暖锋 • 锢囚锋
Case in Europe
– 极轨气象卫星，太阳同步轨道，观测全球，围绕地球 运动，能够观测两级，轨道高度约为350－1500Km
1 基本概念
• 静止卫星：FY2、GMS、GOES、MTSAT • 极轨卫星：FY1/3、NOAA、TRMM、EOS • 卫星观测原理：接收电磁波信号，从信号中来反
映大气状态
– 按仪器观测方式分为
地面观测降水
Rainfall in Convectvie cloud Area
Rain Maximum(mm) Rain Average(mm)
20
5
15
4
3 10
2
5
1
0
0
7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 Max Average
NOAA-16 RGB421
NOAA-16 RGB345
FY-1D 通道1
FY-1D 通道2
FY-1D 通道3
FY-1D 通道4
FY-1D 通道5
FY-1D 通道6
FY-1D RGB461
FY-1D RGB345
07:15
07:45
08:15
08:45
08:45
09:15
天气系统分析
天气系统分析2
极轨卫星多通道分析
• 利用NOAA/AVHRR资料和FY1D/CAVHRR多通道资料进行云团分析
• 可见光通道 • 近红外通道 • 中红外通道 • 热红外通道
NOAA-16 通道1
NOAA-16 通道2
NOAA-16 通道3
NOAA-16 通道4
NOAA-16 通道5
2 卫星资料处理与分析基础
• 卷云
– 温度低、反照率高 – 红外与水汽云图上白亮、可见光图像上由深灰色到白
色 – 纹理呈现纤维状或羽状
• 积雨云
– 团状，结构紧密 – 各种通道图像上色调为白亮 – 纹理光滑，当出现穿透性对流云时云顶多起伏 – 早晚时刻可见光图像上存在暗影
2 卫星资料处理与分析基础
雷达卫星分析
目录
• 雷达观测与分析
– 雷达数据构成 – 雷达产品及其识别基础 – 天气现象的雷达图像
• 卫星观测与分析
– 基本概念 – 卫星云图解译基础 – 天气现象的卫星云图
1 雷达数据构成
• 新一代多普勒天气雷达的数据主要包括反 射率因子、径向速度和谱宽三个因子
1 雷达数据构成
• 反射率因子——回波强度
暖锋云带
• 与冷锋相连接的呈反气旋弯曲的天气尺度云 带
• 可见光图像上系统的后部呈白亮，前部灰白 • 水汽和红外图像上均为白色
Warm Front Band
Warm Front Band
其它常见天气现象
• 涡旋 • 云街 • 低云 • 雷暴云 • 梅雨锋
高原大涡
云街
低云
云团 暗影 可见光
1 基本概念
• 卫星图像生成原理
– 将接收的电磁波能量转换为亮度温度、反照率等物理 量，以图像的形式显示这些物理量
1 基本概念
• 空间分辨率
– 卫星在某一时刻观测地球的最小面积。空间分辨率与 卫星高度有关，高度越高观测视角越大，空间分辨率 降低
• 灰度分辨率
– 能分辨的最小温度差或反照率差值称之为温度分辨率 或灰度分辨率
波状
云 的 识 别
暴 雨 云 团
范围大小
锋面、气旋——上千公里 对流云——几公里
锋 面
边界形状
直线 圆形 扇形 气旋性弯曲 反气旋性弯曲 整齐和不整齐
色调（亮度、灰度）
物象的明暗程度
可见光—反照率 红外—物体温度
暗影
在一定的太阳高度之下 高的目标物在低的目标物上的投影
（只出现在可见光图象上）
3 天气现象的雷达图像
• 晴天（无回波） • 小雨 • 暴雨 • 冰雹 • 雷暴云 • 台风 • 冷空气
小雨 暴雨
2005年5月31日14点47分在北京产生大 冰雹的超级单体风暴
钩状回波：强冰雹云伴随着强的低层上升入 流的进一步发展，入流缺口会演变成钩状， 常出现在回波移动方向的右侧或后右侧
雷暴云
雷暴云
黑 色 雾
白 色 雾
山 脉 浓 雾
龙 卷 照细胞状云系 是由于冷空气受到下垫 面的加热，并在较好的 水汽条件下形成的
高原地形
梅 雨 静 止 锋
06:00卫星资料与地面观测资料 叠加
09:00卫星资料与地面观测资料 叠加
12:00卫星资料与地面观测资料 叠加
– 一个距离库中后向散射的大小 – 粒子尺度的大小
• 径向速度
– 相对于雷达站的移动速度
• 谱宽
– 速度谱宽，反映速度离散程度
2 雷达产品及其识别基础
• 常用的雷达产品
– 3个基数据产品
• 反射率因子（R） • 径向速度（V） • 谱宽（S）
– 组合反射率因子（CR） – 垂直液态水含量（VIL） – 回波顶高（ET）
09:45
FY2C RGB合成图
• IR12.0-IR10.7 Brightness Temperature Difference (BTD, on red)
– -4K to 4K
• IR10.7-IR3.9 BTD (on green)
– and -90K to -10K
• IR10.7 channel (on blue)