真实和合成孔径雷达
合成孔径雷达的作用
合成孔径雷达的作用
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种通过合成天线的运动以达到虚拟的长天线长度的雷达系统。
与传统雷达不同，SAR 具有很多独特的优势，其主要作用包括：
1. 高分辨率成像：
-SAR 可以提供高分辨率的地表成像。
通过运动合成孔径，可以获得与雷达波长相比大得多的有效孔径，从而实现对地物的高精度成像。
2. 独立于天气和光照条件：
-SAR 在观测时不受天气和光照的限制，可以在夜晚或云层下观测。
这使得它在不同环境下都能提供稳定的数据。
3. 地形高度测量：
-SAR 通过测量雷达波与地表之间的相位差，可以生成数字高程模型，从而实现对地形高度的准确测量。
4. 监测地表形变：
-SAR 可以监测地表的微小形变，例如地震引起的地表位移，为地质灾害的监测提供有力支持。
5. 地表类型分类：
-利用SAR 的极化信息，可以对地表类型进行分类，例如，识别植被、水体、建筑物等不同地物。
6. 海洋监测：
-SAR 在海洋监测方面有着广泛应用，可以检测海浪、潮汐、海洋表面风向和海冰等信息。
7. 环境监测：
-SAR 可以用于监测土地覆盖变化、森林健康状况、湿地变化等环境因素，为资源管理和环境保护提供数据支持。
8. 军事应用：
- SAR 在军事领域具有重要作用，可用于目标检测、场地勘察、地形分析等。
总体而言，合成孔径雷达是一种强大的遥感工具，其高分辨率、全天候性和独立于自然光的特性使得它在多个领域都有广泛的应用。
合成孔径雷达
4
方位分辨率：由多普勒效应产生
x
r
2 X D sin
XD 是卫星在整个采样时间内移动的距离，λ是雷达发射的 电磁波波长，r是从卫星到探测点的距离（斜距），ψ是 方位角（雷达波束与卫星飞行方向间的夹角）。
真实孔径雷达（侧视雷达）的方位分辨率
入射角越大，距离分辨率越高；反之越低。
利用技术：脉冲压缩技术
15
谢谢！
f
1 T
v
7
多普勒效应三种情况
1. 观察者静止，波源相对于 媒质运动
波源以速度vs接近观察者
经过时间T（波周期）：
SS ' vs
T
vs f
B点接收到的声波波长为
' S ' B SB SS ' v vs v vs
ff f
频率为 f ' v v f ' v vs
f ' f
波源运动速度vs背离观察者 波长和频率分别为
w' wcos
被观测点所接收的电磁波频率f ’为
c f ' c w' f0
到达被观测点的电磁波以频率 f ’ 散射，一部分被雷达接收。由于 相对运动，此时被观测点成为波源。雷达接收到的回波频率 f 为
f
c w' c
f
'
c w' c 前下方：
f f0
波束指向卫星后下方：
f f0
10
方位分辨率推导
多普勒频率：由相对运动引起的接收频率和发射 频率之间的“差频”
f
f0
c w' c w'
f0
合成孔径雷达
距离分辨率推导
S：卫星 θ：入射角 SC：卫星与探测点之间的距离 AB：距离分辨率，用δy表示 根据直角三角形各边的关系，δy与线段 EB有关，
EB y AB sin
为了分辨A点和B点，从这两点返回的电磁波束不能重 合，这就要求EB的长度大于或等于脉冲宽度的一半。 线段EB和脉冲持续时间τ的关系为 2 EB c
12
X D wts ：整个采样时间 t 内卫星移动距离 s
2 X D sin
SAR r
飞行方向
方位方向
合成孔径雷达的方位分辨率：
r x r 2 X D sin
x
真实孔径雷达的孔径尺度 D 与 2 XDsin ψ 具有相同的作用，等同于通过合成孔径技术 取得了一个比较大的天线孔径。
f ' v vo
λ
S B
v vo f v
3.波源、观察者均相对于媒质运动
波源以速度 vs、观察者以速度 vo 互相接近. 相当于声波传播速度变为 v+vo，则可得到接收 到的频率表达式：
f ' v vo v vo f vsT v vs
9
多普勒效应与合成孔径雷达
v vs " f
v f " f v vs
f '' f
8
频率为
v f ' f ' v vs
f ' f
v
2.波源静止，观察者相对于媒质运动
观察者以运动速度vo接近波源
相当于声波传播速度变为 v+vo，而波长不变 则可获得接收到的频率表达式： v vo v vo f ' f v 观察者以运动速度 vs 远离波源
遥感问答之SAR、InSAR、D-InSAR
遥感问答之SAR、InSAR、D-InSAR ⼩课堂在地质灾害监测相关场合中经常会出现“SAR”、“InSAR”、“D-InSAR”这些名词的⾝影，那么是如何⼯作的？针对这些问题，在什么是SAR？ SAR有什么特征？InSAR、D-InSAR是如何⼯作的？究竟什么是这⾥和⼤家⼀起学习⼀下关于SAR的那些事。
什么是SAR？SAR是指雷达成像系统中的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar），与之相对的是真实孔径雷达（Real Aperture Radar，RAR）。
SAR图像和光学图像的对⽐（姜秀鹏等，2016）为了突破真实孔径雷达成像分辨率受天线长度的限制，通过将天线搭载在移动的平台上（如飞机、卫星等），使之沿直线运动，在不同位置上接收同⼀地物的回波信号，进⽽对地物多次回波信号进⾏相关解调压缩处理，“延长”雷达天线的长度，使其具有更⾼分辨率的成像能⼒。
国际上主流SAR成像系统的分辨率已可达⽶级甚⾄亚⽶级,如德国的TerraSAR-X（1m）、美国的FIA系列（0.3或0.1m）等，与光学成像系统相⽐也不逊⾊。
2016年8⽉成功发射的⾼分三号（GF-3）卫星是我国⾸颗分辨率达到1ｍ的多极化合成孔径雷达（SAR）成像卫星,⾃2017年1⽉投⼊使⽤后，已在多个领域展开应⽤。
SAR为什么能够“全天候”、“全天时”？据统计，地球上有40%～60 %的地区经常被云层覆盖，⽽在地质灾害频发的⼭地地区，云覆盖程度更甚。
在这种情况下，⼀般很难利⽤光学遥感来进⾏观测，⽽微波传感器却有能够穿透云⾬的能⼒，能够在云层覆盖的情况下对地物进⾏观测。
微波传感器（ASAR，灰⾊图）的云穿透效果，彩⾊底图底图为光学传感器（MERIS）（图源：Space in Images© ESA）根据传感器能够接受电磁波频率的不同，可将对地观测系统⼤致可分为两类，即光学遥感和微波遥感。
微波的波长处于1mm～1000 mm范围内，⾜够长的波长使其能够绕过云层的粒⼦结构进⾏传播，也就是“衍射现象”；波长⼤于3 cm的微波甚⾄可以在⼤⾬环境下传播。
合成孔径雷达原理
合成孔径雷达原理合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）是一种利用合成孔径技术获取地面目标信息的雷达系统。
合成孔径雷达通过利用雷达与飞行器（如卫星、飞机等）的运动合成一个大孔径，在距离上实现超分辨能力，从而实现对地面目标的高分辨率成像。
合成孔径雷达的工作原理如下：首先，发射器发射一束雷达波束，并接收目标反射回来的信号。
接收到的信号经过放大和混频等处理后，得到一连串雷达回波数据。
然后，这些回波数据被存储下来。
为了实现合成孔径雷达的高分辨率成像，需要通过飞行器的运动合成一个大孔径。
首先，飞行器沿着固定轨迹匀速飞行，在飞行的过程中，持续接收并记录目标的回波数据。
这些回波数据来自不同位置、不同时间上的目标反射。
在数据处理阶段，首先根据飞行器的速度和航向信息对回波数据进行校正，以消除因飞行器运动而引入的效应。
然后，将校正后的回波数据进行时域信号处理，如滤波、相位校正等。
接着，利用这些回波数据，进行合成孔径处理。
合成孔径处理的目标是将由不同位置和时间上的多个小孔径雷达所获取的回波数据合成为一个大孔径。
通常采用的方法是将这些回波数据叠加在一起，通过加权平均的方式获取高分辨率成像结果。
加权的原则是使得距离较远的目标点，其在不同位置和时间上的回波数据相位一致，从而进行叠加时能够增强目标特征。
最后，根据合成孔径雷达的系统参数和地面场景的需求，进行进一步的数据处理，如图像去噪、图像增强等操作，得到清晰的高分辨率合成孔径雷达图像。
总之，合成孔径雷达通过利用合成孔径技术，通过飞行器的运动合成一个大孔径，实现了对地面目标的高分辨率成像。
这种雷达系统在军事、航空、地质勘探等领域具有广泛的应用前景。
合成孔径雷达遥感原理及应用简介(二)
与聚焦系统比较 ,发现非聚焦系统的分辨率与波
长 、斜距相关 ,而聚焦的结果则与波长 、斜距无关 ,仅与
天线孔径有关 。
典型的星载系统 :l～10m λ, ～10cm , Ro ～103 Km 。 采用真实孔径雷达系统 , rar ～5000m ;若采用非聚焦合 成孔径雷达系统 ,结果 rapu ～200m ,仍无法满足实用需 求 ;采用聚焦的合成孔径雷达系统 ,结果为 5m 。
(2) 多普勒波束锐化的观点
①聚焦的多普勒波束锐化方法
最初的合成孔径雷达是由 Carl Wiley 于五十年代
初为军方研制的 ,成果处于保密状态达十多年 ,直到六
十年代后期才解密 。虽然五十年代后期就开始使用
“合成孔径”一词 ,但 Wiley 当时研制的却是叫作多普勒
波束锐化器的装置 。
如图 9 所示 ,雷达飞行速度为 u ,高度为 h ,沿 X 轴
飞行 , 距原点 x r , 雷达位置为 ( x r , O , h) , 目标位置为 ( xt , yt , O) 。波束的半功率等值线为椭园 , 即角度分辨
范围实际上是个窄的扇形波束 。沿航迹方向 , 波束宽度
为βh ,围绕目标的多普勒频率间隔 Δf D 等于多普勒滤 波器带宽 B Df 。
目标的多普勒频率为 f Dt = - 2 u ( X r - Xt) / (λR) ,
越大 ,因而最终聚焦的合成孔径雷达方位分辨率与斜
距无关 。
②非聚焦的合成孔径雷达
上面介绍的合成孔径雷达各阵元信号需进行相位
补偿 ,以便严格进行同相相干叠加 。这种方案大大改
善了方位分辨率 ,但实现的代价也很大 ,设备和算法复
杂 。实践中人们提出一种折衷方法 : 非聚焦的合成孔
(参考资料)真实和合成孔径雷达
• 卫星轨道矢量的参考时间通常为UTC，因此在进行GEI与ECR之间的 转换时，需要从UTC推算出GHA。
ECR与GEI坐标系X轴间 的夹角为地球自转角，是 时刻在变化的。
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地理定位方法——间接定位法
( Lt , δ t , H t ) ECR → ( X t , Yt , Z t ) ECR → ( X t , Yt , Z t ) GEI → ( R , f D ) → t ij → (i , j ) 若从地物大地坐标空间出发，同样也可以通过解算定位方程，确定该地物对应的 影像坐标，这种定位方法称为间接定位法。
几何粗纠正
• 图像的几何粗校正
– 地球自转、曲率、卫星姿态的校正 – 斜距-地距改正,斜地变换仅是视觉上的变换
¾ SAR的斜距图像是时间上的等间隔采样 ¾ 地距图像是等距离间隔的采样
– 利用地面控制点拟合变换公式近似进行简单校正
9
斜距图像 地距图像
多项式纠正
x = a00 + a10 X + a01Y +a20X 2 + a11XY + a02Y 2 + ... y = b00 + b10 X + b01Y + b20 X 2 + b11 XY + a02Y 2 + ...
Azimuth resolution
Ra
=
S
×λ L
slant range × wavelength
antenna length
5
Azimuth Resolution (2)
Synthetic aperture radar (SAR)
合成孔径雷达通俗原理
合成孔径雷达通俗原理合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）是一种利用雷达原理进行成像的技术。
它通过利用合成孔径的方法，实现对地面目标进行高分辨率成像，具有天气无阻、全天候、全天时的优势。
本文将以通俗易懂的方式介绍合成孔径雷达的原理。
合成孔径雷达的原理其实很简单，就像我们拍照一样。
当我们拍摄一个远处的景物时，如果我们站在一个固定的位置上，远处的景物看起来会比较模糊，细节不清晰。
但是如果我们移动一段距离，再拍摄同样的景物，然后将这些照片拼接在一起，就可以得到一张清晰、高分辨率的图片。
合成孔径雷达也是利用了这个原理。
合成孔径雷达的工作原理是通过飞行器或卫星搭载的雷达设备，向地面发射一束微波信号。
当这束微波信号遇到地面上的目标时，会被反射回来。
雷达设备接收到这些反射回来的信号后，会记录下它们的时间和强度。
然而，合成孔径雷达并不仅仅只有一次测量。
它会重复这个过程，不断地向地面发射微波信号，并记录下每一次接收到的反射信号。
这些信号会被组合起来，形成一组复杂的数据。
接下来，这组数据会经过一系列的信号处理和计算。
首先，雷达设备会对数据进行时频处理，将不同时刻接收到的信号进行整理，使它们能够对齐。
然后，雷达设备会对数据进行相位校准，消除由于飞行器或卫星的运动而导致的相位差异。
接着，合成孔径雷达会利用这组校准后的数据进行合成孔径成像。
它会将数据分成小块，并对每一块进行处理。
这个过程类似于我们拍照时对多张照片进行拼接的过程。
合成孔径雷达会将每一块数据进行叠加，形成一张高分辨率的雷达图像。
合成孔径雷达会对图像进行后处理，并进行显示或保存。
这样，我们就可以清晰地看到地面上的目标，包括建筑、地形、水体等。
而且，由于合成孔径雷达的工作原理，它可以在任何时间、任何天气条件下进行成像，不受自然光线的限制。
合成孔径雷达的原理虽然简单，但是它在实际应用中有着广泛的用途。
例如，在地质勘探中，合成孔径雷达可以用来探测地下的矿藏和地层结构；在军事领域，合成孔径雷达可以用来进行目标侦测和情报收集；在环境监测中，合成孔径雷达可以用来监测海洋、冰雪等自然环境的变化。
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与真实孔径雷达距离向分辨率相同。
但由于真实孔径机载雷达一般用短脉冲来实现距离向分辨率，而合成孔径雷达通常用带宽（脉冲频率的变化范围）为B的线性调频脉冲来实现作用距离向的良好分辨率。
c
r2
1
=
=τδ
ground Range resolution
()
pulse length speed of light
2cos2cos depression angle
r
c
R
τ
γ
×
==
Range Resolution (2)
Azimuth resolution
slant range wavelength
antenna length
a S R L
λ
×=×
Synthetic aperture radar (SAR)
Azimuth Resolution (3)
合成孔径雷达影像固有的透视收缩、顶底位移和阴影等几何特征不利于一般用户对影像特征的理解和专题信息的提取。
合成孔径雷达具有比较复杂的成像机制，若用户采用光学遥感影响几何校正中常用的多项式法进行合成孔径雷达影像的校正，很难得到满意的校正结果.
Principle of SAR Image Geocoding
斜距图像地距图像
基于成像模型的SAR影像纠正
• 光学近似模型的SAR几何精确纠正
– 共线方程G.Konecny公式正射纠正
由数字摄影测量学界发展的基于雷达共线方程的方法。
这种方法通常基于简化的雷达成像几何 关系建立SAR共线方程。
– 行中心投影公式正射纠正
• SAR成像模型的SAR几何精确纠正
– R-D模型正射纠正
由SAR图像处理算法及系统开发领域专家提出的基于距离——多普勒（RD）定位模型的方 法，这种算法完成从SAR成像机理出发，和SAR的信号处理过程有机结合，已经成为通常SAR 处理器都具备的标准SAR图像产品生产方法.
– 基于SAR模拟成像的正射纠正
共线方程G.Konecny公式正射纠正
•
处理流程 – – – – – – 根据SAR头文件的星历信息计算卫星轨道数据，并按照坐标变换关系将卫星轨 道坐标、控制点坐标、及DEM数据转换到同一坐标系（椭球割面坐标系）中。
利用控制点坐标像素值与地理坐标值之间的对应关系，组建正射纠正模型。
对正射纠正模型进行线性化，通过采用线角元素分开、岭估计等方法确定正射 模型中的各待定参数值。
依据输出图像的图幅范围，按照指定的输出像元的大小，计算DEM范围内各点 的地理坐标所对应的像素坐标。
利用得到的像素坐标在待纠正中的SAR影像中通过采样（最邻近差值或双线性 差值）求出地面控制点其地理坐标值处所对应的像素灰度值。
正射图像生成。
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R-D定位模型
• SAR作为一种主动遥感成像方式，可以提供非常精确的传感器到目标 的距离和返回信号的多普勒历史信息，这些信息可以很精确地将卫星 和地表相联系，从而构建SAR定位模型，通过解算定位模型就可以得 到每个像元的地理位置。
• SAR定位模型是采用curlander发展的距离-多普勒(RD)定位模型。
该模 型不仅采用严密的距离方程和多普勒方程，而且建立在地球椭球模型 之上。
• • 该模型已经成为目前所有成功发射卫星SAR的标准定位模型。
各种SAR的影像产品都为采用这种定位模型进行地理编码处理提供了 基本一致的卫星轨道状态数据、距离向方程参数和多普勒方程参数。
原点为地心,其基本平面 为赤道面,X 轴指向春分 点，Z轴和地球的赤道 平面重合。
这个坐标系统通常称为 GEI(Geocentric Equatorial Inertial),广泛 应用于地球轨道上星体 或人造目标的定位）
对于SAR地理定位研究的空间尺度来讲,GEI坐标系统可以认为是静止 的惯性坐标系统。
在GEI系统中，地面上的物体是随着地球自转而运动 着的。
GEI坐标系是描述天体运动的理想坐标系统，但这种惯性坐标系统不适 合描述地面目标的位置。
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R-D模型
v v v Rst = Rs − Rt f DC = −
距离方程
v v 2 v v (V s − Vt ) ⋅ ( Rs − Rt ) λR
多普勒频率方程
xt2 + y t2 z2 + t2 = 1 ( Re + h) 2 R p
地球模型方程
Re是平均赤道半径, Re=6378.139km
R p = (1 − 1 / f )Re 极半径,
f是平坦度因子, f=298.255
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地理定位方法——直接定位法
• 对于任意影像像元（i,j）,斜距R和多普勒频率是已知的。
因此在距
离方程和多普勒方程中只有目标点的位置是未知的。
• 对于地球数据模型方程，两个椭球参数为已知值，假设目标点的高 程已知，则在地球模型中也只有目标点的坐标是未知数。
• 由影象坐标出发，求解该影像坐标所对应的大地坐标的过程就是直 接定位法。
(i, j , H t ) → tij → ( R, f d ) → ( X t ,Yt , Z t ) GEI → ( X t ,Yt , Z t ) ECR → ( Lt , δ t ) ECR
地面目标的大地坐标是在ECR坐标系中定义的，而卫星状态矢量坐标通常在GEI坐 标系中定义。
因此，要在ECR坐标系中定义以上定位方程，需要将卫星状态矢量 由GEI坐标系转换到ECR中。
• 在星载SAR地理定位中还常用到地固坐标系统（ECR），不考虑极移 的地固系统为准地固坐标系统，考虑极移的地固系统为准地固坐标系 统。
• 准地固坐标系统和瞬时真赤道地心系之间的差别为地球自转角，即格 林尼治恒星时（GHA）。
• 卫星轨道矢量的参考时间通常为UTC，因此在进行GEI与ECR之间的 转换时，需要从UTC推算出GHA。
ECR与GEI坐标系X轴间 的夹角为地球自转角，是 时刻在变化的。
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地理定位方法——间接定位法
( L t , δ t , H t ) ECR → ( X t , Y t , Z t ) ECR → ( X t , Y t , Z t ) GEI → ( R , f D ) → t ij → ( i , j )
若从地物大地坐标空间出发，同样也可以通过解算定位方程，确定该地物对应的 影像坐标，这种定位方法称为间接定位法。
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R-D模型正射纠正步骤
SAR影像地理编码的一般过程 直接法：逆时针 间接法：顺时针
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Example ERS-1 ground range image (PRI) in range/azimuth geometry
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Example ERS-1 geocoded ellipsoid-corrected (GEC) image in map geometry
Example ERS-1 geocoded terrain-corrected (GTC01) image in map geometry, with elevation-induced distortions removed
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Layover bit extracted from example ERS-1 geocoded terrain-corrected (GTC02) image in map geometry
below.
ERS-1 slant range image ERS-1 Image, geocoded to Swiss map coordinates using DHM25
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•采集区域平原与山区•采集点位150个
•有效点位1个/10公里
正射校正前正射校正后校正前后效果比较：
1、近SAR地区，距离展开；
2、山坡处，压缩区展开；
近距展开
局部正射纠正后结果（山区
地形得到纠正）
局部原始图像（山区近距离压
缩、透视收缩明显）山坡处，迎SAR 面压缩展开。