第3章 合成孔径原理
合成孔径雷达原理
)
( t k
)(t
tk
)
( t k 2!
)
(t
tk )2
在 t-tk 很小的条件下，取前三项即可。
t
(t)
tk
(tk )
(tk ) 2
(t
t k )2
那么，
tk
S() a(tk )e jtk (tk )
e j(tk ) 2(t tk )2 dt
24 3
frPtG23
R 3kT0BFn Dx va
①其中 Pav Ptfr ，又有：
②接收机带宽B选择得与调频带宽相匹配
S N
2 4
PavG 2 3
3 R3kT0FnDxva
把假天定线天增线益为G用椭有圆效形孔，径半A轴e来尺表寸示为：DxG和D4y，A2 e利用 系数为50%，则有：
R0
(xa xp 2R0
)2
天线发出的是周期性的相干等幅高频脉冲波，设
其频率为f0，振幅为A，脉冲重复频率为fr，脉宽 为τ。
①假设发射的为一连续波余弦信号， 把实际信
号看成是对连续信号的抽样，其抽样率即为脉冲
重复频率fr；
②假定余弦信号的振幅归一化为1，起始相位为0， 则有：
s0(t) Re ej0t ， 0 2f0 发射信号
tk
S()
2
a(tk )
e
j[
t
k
(
t
k
)
4
]
a(t k )
e-j[
t
合成孔径雷达(SAR)
3 合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）
则对任意位置y，在整个孔径时间内积分可 以得到目标在所有y位置上的信号包络. 当对雷达 载体沿直线飞行产生的二次相位误差不补偿时：
4 x 4 v t 1 (t ) 2R 2R
2
2 2 s
这时的积分处理称非聚焦处理, 否则称为聚焦 处理。
设发射信号为：
S (t ) exp( jt )
则接收信号为：
Sr (t ) exp( j (t ))
0
其中:
2r 2 R0 ( X 0 X p ) c c cR0
2
9.2 SAR回波信号特性（信号模型）
则接收信号为：
2 R0 ( X 0 X p ) Sr (t ) exp( j[t ]) c cR0
2 0
e e
4 R0 j j 0 j t
2 ( X 0 X p )2
e
R0
该信号的相位为：
1 2 3
9.2 SAR回波信号特性（信号模型）
发射信号的线性相位：
1 t
2
4 R0
与距离有关的常数相位：
雷达平台运动产生的二次相位：
x R
R
2TD vs sin
4 合成孔径原理(频率分析方法)
当φ=90 度, 多普勒滤波器的时间常数为:
TD
最终的方位分辨率为:
R
vs D
D x 2
5
SAR 基本参数
Lmax
最大聚焦合成孔径长度:
R
D
天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长度 SAR 聚焦分辨率:
合成孔径技术的原理及应用
合成孔径技术的原理及应用合成孔径技术（Synthetic Aperture Radar，缩写为SAR）是一种使用雷达波束合成的方法，通过在雷达接收过程中利用平行移动的目标，以提高雷达图像的空间分辨率。
合成孔径雷达通过利用飞机、卫星或无人机的平行运动，将其接收到的雷达信号进行时间和空间的整合，从而获得高分辨率的地面图像。
其背后的原理是利用接收到的雷达波的相位信息，直接或间接地计算出目标场景的反射特性。
合成孔径雷达的工作原理主要包括以下几个步骤：1. 发射雷达波束：合成孔径雷达首先发送短脉冲的雷达波束到地面目标。
2. 接收回波信号：雷达波束在击中目标后，部分能量会被目标反射回来，并由雷达接收到。
接收到的信号包含了目标的形状和反射特性等信息。
3. 记录接收信号：接收到的信号经过放大和滤波等处理后，数传回地面进行记录。
4. 拼接信号：重复以上步骤，雷达发射多个波束，每个波束之间的位置有微小变化。
然后将所有接收信号进行记录，并按照波束的位置进行排列。
5. 合成图像：将所有记录的信号进行处理，包括相位校正、滤波和频谱分析等，最终将它们合成成一幅高分辨率的图像。
合成孔径雷达的应用非常广泛。
例如：1. 地质勘探：合成孔径雷达可用于勘探地下矿藏。
通过分析地下的反射信号，可以确定地下矿藏的位置、类型和大小等信息。
2. 海洋观测：合成孔径雷达可用于监测海洋表面的风浪情况，以及测量海洋的波浪和潮汐等参数。
3. 气象预测：合成孔径雷达可以用于测量大气中的降水量、降雪量和冰雹等，为天气预测和气候研究提供重要数据。
4. 地表变化监测：由于合成孔径雷达可以获取高分辨率的地表图像，因此可以用于监测土地利用变化、城市扩张和自然灾害等。
5. 军事侦察：合成孔径雷达具有高分辨率和覆盖范围广的特点，因此可用于军事侦察和目标识别。
6. 精准导航：合成孔径雷达可用于航空和航海领域，提供精确的导航和定位数据。
总结来说，合成孔径雷达技术通过利用波束合成方法，能够提供高分辨率和宽覆盖范围的地面图像，具有广泛的应用前景。
合成孔径
发射信号的线性相位
1 t
与距离有关的常数相位
2
飞机运动产生的二次相位
4 R0
2
3
2 ( X 0 X p )
R0
如果令Xo=V*to，Xp=V*t，则有
3
2 V (t t0 )
2
2
R0
4 R0 2 V (t t0 )
2 2
将相位对时间求导数，再除以360度，即得回波 信号的瞬时频率：
从目标散射回来的回波脉冲数N与三个因素有关： • 天线的发射脉冲的周期Tr
• 雷达的运动速度Va
• 波束在目标P点处的直线长度Ls
Ls R
Ts N Ts Tr Ls Va Ls Va .Tr 1 Ls x 1
1
图 阵列天线的概念
如果从目标P散射回来的N个脉冲回波的相位关系与 实际小天线元所接收到的信号的相位关系完全一样，必 须注意它是往返的双程差，则合成天线的波束角应为：
合成孔径雷达原理
回波信号的特性
合成孔径的匹配滤波
合成孔径的相关处理
图 合成孔径雷达空间几何关系
飞机以Va的速度沿X方向作匀速直线飞行，飞行高度为 H，机载雷达天线以规定的高低角向航线正侧方向地面发射 无线电波。设其垂直波束，方位波束角，测绘带宽，最大 合成孔径长度(远距点)，最小合成孔径长度(近距点)。
f Dc
2
( s sc )
fr
4
( s sc )
2
距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，距离迁移为
R R( s) R0
虽然距离迁移是SAR处理中必然出现的现象，但它的 大小随系统参数不同而变化，并不总需要补偿。通常认 为，如果最大距离迁移值不大于四分之一个距离分辨单 元，则距离迁移不需要补偿，即：
第3章 合成孔径原理
微波成像理论及实现第三章合成孔径原理曹宗杰，2014本章内容重点:◆合成孔径雷达(SAR)基本概念；◆方位分辨力的概念；◆了解成像雷达发展概况。
合成孔径雷达1. Synthetic Aperture Radar，简称SAR；2. SAR的出现扩展了雷达概念，使雷达具备了对目标成像和识别的能力；3. 因此，雷达的信息获取从一维的距离扩展到了三维的距离、方位和高度，从静止目标扩展到了运动目标和速度信息的获取，从普通的目标检测扩展到了目标的形状、大小和图像信息的获取。
雷达成像定义：在微波波段对目标后向散射系数进行描述。
SAR系统的独特优势:◆全天时，主动遥感，夜晚也可以工作；(优于可见光、多光谱等)◆全天候，微波波段，各种气象条件可工作；(优于红外、激光等)◆穿透性，可发现植被遮盖的目标和地下目标SAR系统的独特优势:◆散射信息丰富：不同频率、角度、极化的微波散射特性◆能够精确测量距离和速度低对比度场景可见光成像雷达成像侧视(side-looking) 观测带(Swath)成像几何1) 坐标系◆平台坐标系◆目标坐标系◆地面坐标系2) 平面◆数据采集平面（斜距平面）◆地距平面3) 坐标轴（图像的二维）◆方位along track / azimuth◆距离cross track / range(slant range orground range)机载平台SAR 成像几何入射角(Incident Angle) 斜距(Slant range)照射区(Footprint)入射角β(elevation angle)Ψg (grazing angle, depression angle):Ψg = π/2 -β最小距离Rmin 和最大距离RmaxERS–1/2 SARAntenna L: 10 mD: 1 mAltitude: 785 km, sun-synchronous orbit Ground Velocity: 6.6 km/sLook Angle: Right 17︒-23︒(20.355︒mid-swath) Slant Range: 845 km (mid-swath)Frequency: C-Band(5.3GHz, 5.6 cm)Footprint : 100 km x 5 kmSampling Rate: 18.96 MHz Pulse duration: 37.1 μsSampling Duration: 300 μs (5616PRF: 1700 HzData Rate: 105 Mb/s(5bit/sample)分类--机载--星载星载平台机载平台覆盖范围宽窄成本高低天气和机场约束不受影响易受影响信号处理简单复杂分辨率低低高任意飞行受轨道约束容易工作模式模式有限容易调整不同平台的考虑频段的选择◆频段越低，穿透能力越强：P、L◆频段越高，对地物细节描述能力越强，图像的边缘轮廓越清晰：X、Ku◆中间频段，兼顾穿透性和细节描述，综合性能好：S、C◆最好发展多频段SAR：L、C、X不同频段SAR设计考虑◆频段低－电子设备实现相对简单－合成孔径长，信号处理困难－天线大◆频段高－电子设备实现相对困难－需要的发射功率大－容易实现高分辨率实孔径雷达成像1. 孔径区别－多普勒波束锐化(Doppler Beam Forming)－合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar) 2. 运动方式－合成孔径雷达(SAR)－逆合成孔径雷达(Inverse SAR)－SAR/ISAR－SAR/MTI4. 辐射源区别－无源(Passive)和有源(Active)－双多基地(Bistatic, Multi-static)－分布式(Distributed)5. 工作模式分类1) 条带式(Strip Mode)－正侧视(Boresight)－斜视(Squint)－前视(Forward-looking)2) 扫描式(ScanSAR)3) 聚束式(Spotlight)二、成像雷达的发展与现状TerraSAR卫星成像模式正侧视(Boresight)条带式(Strip Mode)扫描式(ScanSAR)聚束式(Spotlight)SAR 的发展1) 1951年Goodyear飞机公司C. A. Wiley 首先提出SAR的概念，1965年申请专利；2) 1953年University of Illinois首次试验验证3) 1957年第一部SAR雷达在University of Michigan实现，3cm波长X波段(中国1979)4) 1962年Jet Propulsion Laboratory开始研究SAR，1966年机载SAR在CV-990飞机上试飞5) 70年代，Kirk等研制了第一台SAR数字处理系统（中国1994）SAR 的发展6) 1978年6月第一颗雷达卫星升空，SEASAT-1卫星，飞行105天后，由于电源问题，10月停工。
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。
合成孔径声呐原理
合成孔径声呐原理
合成孔径声呐（Synthetic Aperture Sonar，简称SAS）是一种
基于声纳技术的遥感系统，用于探测和成像海洋或水下的目标。
其原理如下：
1. 发射声波：合成孔径声呐通过发射声波脉冲来探测目标。
这些声波经由传感器发射至水中，并在水下传播。
2. 接收回波：当声波遇到目标或水下结构时，会产生回波。
传感器会接收到这些回波信号，并将其记录下来。
3. 信号处理：接收到的回波信号经过一系列处理，包括时延校正、滤波和去除杂音等步骤。
这些处理有助于提高信号质量和目标分辨率。
4. 合成孔径：在传感器移动时，传感器会以一定的速度沿着水下路径移动。
合成孔径声呐利用传感器相对于目标的运动，通过将多个接收到的回波信号进行叠加和相位校正，形成一个合成的孔径。
这个合成孔径相当于一个极长的声纳阵列，具有更高的分辨率和更大的侧向视场。
5. 成像处理：通过对合成孔径下的回波信号进行分析和处理，可以获得目标的高分辨率成像。
成像处理技术包括波束成像、相干积累和图像纠正等。
合成孔径声呐的原理与合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）类似，都是通过利用传感器的运动合成一
个长的孔径，实现高分辨率成像。
由于声波在水中传播的特性和水下环境的复杂性，合成孔径声呐在水下勘探、海洋科学和水下目标检测等领域具有广泛的应用。
合成孔径原理
合成孔径原理合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar， SAR）是一种利用合成孔径技术进行成像的雷达系统。
合成孔径雷达利用飞行器或卫星的运动来模拟一个非常大的孔径，从而实现高分辨率成像。
合成孔径雷达因其成像分辨率高、天气条件对成像影响小等优点，在地质勘探、环境监测、军事侦察等领域有着广泛的应用。
合成孔径雷达的成像原理主要包括合成孔径原理、合成孔径成像算法和合成孔径成像系统三个方面。
其中，合成孔径原理是合成孔径雷达成像的基础，是合成孔径雷达能够实现高分辨率成像的关键。
合成孔径原理是指利用合成孔径雷达系统在运动过程中所积累的回波数据，通过信号处理技术实现对目标的高分辨率成像。
在合成孔径雷达的成像过程中，雷达系统发射的脉冲信号被目标反射后，接收到的回波信号会随着雷达平台的运动而发生一定的相移。
利用这一相移信息，可以通过信号处理技术将不同位置的回波数据叠加起来，从而模拟出一个非常大的孔径，实现高分辨率成像。
合成孔径原理的实现主要包括以下几个步骤，首先，雷达系统发射脉冲信号，然后接收目标反射的回波信号；接着，通过记录回波信号的相位信息，并结合雷达平台的运动参数，得到不同位置的回波信号之间的相对相位差；最后，利用信号处理技术对这些回波信号进行叠加，从而实现高分辨率的合成孔径雷达成像。
合成孔径原理的核心在于利用雷达平台的运动来模拟一个大孔径，从而实现高分辨率成像。
相比于传统的实时成像雷达系统，合成孔径雷达能够获得更高的分辨率，提高目标的识别能力。
同时，合成孔径雷达还能够克服大孔径天线制造和维护的困难，具有较强的抗干扰能力和全天候成像能力。
总的来说，合成孔径原理是合成孔径雷达成像的基础，是合成孔径雷达能够实现高分辨率成像的关键。
通过合成孔径原理，合成孔径雷达系统能够利用运动平台的相位信息，实现对目标的高分辨率成像，为地质勘探、环境监测、军事侦察等领域提供了重要的技术手段。
随着雷达技术的不断发展，合成孔径雷达系统在未来将会有更广阔的应用前景。
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一、SAR概念
ERS–1/2 SAR Antenna L: 10 m D: 1 m Altitude: 785 km, sun-synchronous orbit Ground Velocity: 6.6 km/s Look Angle: Right 17-23 (20.355 mid-swath) Slant Range: 845 km (mid-swath) Frequency: C-Band(5.3GHz, 5.6 cm) Footprint : 100 km x 5 km
奥地利，比利时，加拿大， 丹麦，法国，芬兰， 德国， 意大利，挪威，西班牙， 瑞典，瑞士，荷兰和英国
二、成像雷达的发展与现状
有效载荷：2050公斤 设计寿命：5年--10年 星上仪器数量 10 轨道： 太阳同步 轨道高度：800公里 轨道倾角 98° 单圈时间 101分钟 重复周期 35天 ENVISAT卫星－ASAR
一、SAR概念
ERS–1/2 SAR
Sampling Rate: 18.96 MHz Pulse duration: 37.1 s Sampling Duration: 300 s (5616 samples) PRF: 1700 Hz Data Rate: 105 Mb/s(5bit/sample)
二、成像雷达的发展与现状
SAR 的发展 8) 1988年和91年，使用大力神号航天飞机发射了军用 的“长曲棍球”(Lacrosse)雷达卫星。 分辨率高达1m，公开资料很少 9) 1991年和95年，欧洲空间局分别成功发射了 ERS-1和ERS-2，2000年发射了Envisat卫星 10) 1995年加拿大发射了RadarSat-1卫星，工作模式 最多，波束方式最多的雷达卫星。分辨率8m。
发射时间：1995年11月4日 太阳同步轨道（晨昏） 轨道高度：796公里 倾角：98.6度 运行周期：100.7分钟 重复周期：24天 每天轨道数：14 重量：2750kg RADARSAT-1卫星
二、成像雷达的发展与现状
工作模式 精细模式（5个波束位置） 标准模式（7个波位） 宽模式 （3个波位） 窄幅ScanSAR（2个波位） 宽幅ScanSAR 超高入射角模式（6个波位） 超低入射角模式 入射角（度） 37---48 20---49 20---45 20---40 , 31---46 20---49 49---59 10---23 标称分辨率（米） 标称轴宽(公里) 10 30 30 50 100 25 35 50x50 100x100 150x150 300x300 500x500 75x75 170x170
Planetary SAR Magellan, Cassini SAR(US, 1990-1994), Titan Radar Mapper (US, 2004)，探月
二、成像雷达的发展与现状
ENVISAT卫星－ASAR
Launched 2002.3.1 C-band, Multpol, multi-mode 耗资大约20亿欧元 参与国家：
二、成像雷达的发展与现状
工作 模式 成像 宽度 下行 数据率 极化 方式 分辨率 VV 或 HH 30m
IMAGE ALTERNATING POLARISATION WIDE SWATH GLOBAL MONITORING WAVE
100km
100 km 100Mbit/s VV / HH 或 VV / VH 或 HH / HV 30m
散射信息丰富：不同频率、角度、极化的微波散射特性 能够精确测量距离和速度
低对比度场景
可见光成像
雷达成像
一、SAR概念
侧视(side-looking)
观测带(Swath)
一、SAR概念
成像几何 1) 坐标系
3) 坐标轴（图像的二维）
平台坐标系 目标坐标系 地面坐标系
方位 along track / azimuth 距离 cross track / range (slant range or ground range)
二、成像雷达的发展与现状
SAR系统分类 Space-borne SAR
早期： SEASAT-A (USA, 1978), SIR-A (USA, 1981), SIR-B (USA, 1984), SIR-C/X-SAR (USA, Germany, Italy, 1994), ALMAZ-1 (Russia, 1991-1993), ERS-1(EU, 1991-2000), ERS-2 (EU, 1995-), JERS-1 (Japan, 1992-1998), Radarsat-1 (Canada, 1995-), SRTM: space shuttle 近期： ENVISAT (EU, 2002), RADARSAT-2 (Canada, 2005) TerraSAR(Germany,2007), COSMO-SkyMed(Italy, 2007)
二、成像雷达的发展与现状
TerraSAR卫星 成像模式
一、SAR概念
正侧视(Boresight)
一、SAR概念
条带式(Strip Mode)
一、SAR概念
扫描式(ScanSAR)
一、SAR概念
聚束式(SpSAR 的发展 1) 1951年Goodyear飞机公司C. A. Wiley 首先提出 SAR的概念，1965年申请专利； 2) 1953年University of Illinois首次试验验证 3) 1957年第一部SAR雷达在University of Michigan 实现，3cm波长X波段 (中国1979) 4) 1962年Jet Propulsion Laboratory开始研究SAR， 1966年机载SAR在CV-990飞机上试飞 5) 70年代，Kirk等研制了第一台SAR数字处理系统 （中国1994）
RADARSAT -1卫星 工作模式
二、成像雷达的发展与现状
二、成像雷达的发展与现状
TerraSAR卫星(德国)
Launched 2007年6月15日, X-band, Antenna 4.8m x 0.7m x 0.15m Data storage 256 Gbit, Data transmission 300Mb/s Orbit 514 km , 98°Inclination , sun-synchronous Repetition rate 11 days = 167 orbits
2.
运动方式 －合成孔径雷达(SAR) －逆合成孔径雷达(Inverse SAR) －SAR/ISAR －SAR/MTI
一、SAR概念
4. 辐射源区别 －无源(Passive)和有源(Active) －双多基地(Bistatic, Multi-static) －分布式(Distributed) 5. 工作模式分类 1) 条带式(Strip Mode) －正侧视(Boresight) －斜视(Squint) －前视(Forward-looking) 2) 扫描式(ScanSAR) 3) 聚束式(Spotlight)
2) 平面
数据采集平面（斜距平面） 地距平面
一、SAR概念
机载平台SAR成像几何
一、SAR概念
入射角(Incident Angle)
斜距(Slant range)
一、SAR概念
照射区(Footprint) 入射角β(elevation angle) Ψg (grazing angle, depression angle): Ψg = π/2 - β 最小距离Rmin 和 最大距离Rmax
二、成像雷达的发展与现状
SAR系统分类
Airborne SAR TOPSAR (JPL, USA), IFSARE(ERIM/Intermap, USA), DO-SAR(Donier,Germany), E-SAR(DLR, Germany), AeS-1(Aerosensing, Germany), AER-II (FGAN, Germany), C/X-SAR (CCRS, Canada), EMISAR (Denmark), Ramses (ONERA, France), ESR (DERA, UK), Lynx(USA)
二、成像雷达的发展与现状
SAR 的发展 6) 1978年6月第一颗雷达卫星升空，SEASAT-1卫星， 飞行105天后，由于电源问题，10月停工。 分辨率25m的高质量对地观测图像 获取成像总面积达到1亿平方公里 标志着SAR技术进入空间领域。（中国2006） 7) 1981年，84年和94年分别成功发射了SIR-A, SIRB和SIR-C, 平台分别采用了哥伦比亚号、挑战号 和奋进号航天飞机。 实现了全极化和10m的分辨率
微波成像理论及实现
第三章 合成孔径原理
曹宗杰，2014
本章内容
重点:
合成孔径雷达(SAR)基本概念； 方位分辨力的概念； 了解成像雷达发展概况。
一、SAR概念
合成孔径雷达 1. Synthetic Aperture Radar，简称SAR； 2. SAR的出现扩展了雷达概念，使雷达具备了对目 标成像和识别的能力； 3. 因此，雷达的信息获取 从一维的距离扩展到了三维的距离、方位和高度， 从静止目标扩展到了运动目标和速度信息的获取， 从普通的目标检测扩展到了目标的形状、大小和图 像信息的获取。
一、SAR概念
雷达成像定义：在微波波段对目标后向散射系数进行描述。
一、SAR概念
SAR系统的独特优势:
全天时，主动遥感，夜晚也可以工作；(优于可见光、多光谱等) 全天候，微波波段，各种气象条件可工作；(优于红外、激光等) 穿透性，可发现植被遮盖的目标和地下目标