合成孔径雷达
合成孔径雷达
欧空局(ESA)
欧空局分别于1991年7月和1995年4月,发射了欧洲遥感卫星(European Remote Sensing Satellite, ERS) 系列民用雷达成像卫星:ERS-1和ERS-2,主要用于对陆地、海洋、冰川、海岸线等成像。卫星采用法国Spot-I和 Spot-Ⅱ卫星使用的MK-1平台,装载了C波段SAR,天线波束指向固定,并采用VV极化方式,可以获得30 m空间分辨率 和100 km观测带宽的高质量图像。Envisat是ERS计划的后续,由欧空局于2002年3月送入太空的又一颗先进的近 极地太阳同步轨道雷达成像卫星。Envisat上所搭载的ASAR是基于ERS-1/2主动微波仪(AMI)建造的,继承了ERS-1 /2 AMI中的成像模式和波束模式,增强了在工作模式上的功能,具有多种极化、可变入射角、大幅宽等新的特性, 它将继续开展对地观测和地球(ESA)
意大利 德国
俄罗斯 加拿大航天局(CAS)
日本 以色列
美国宇航局(NASA)
在Seasat-A取得巨大成功的基础上,利用航天飞机分别于1981年11月、1984年10月和1994年4月将Sir-A、 Sir-B和Sir-C/X-SAR3部成像雷达送入太空。Sir-A是一部HH极化L波段SAR,天线波束指向固定,以光学记录方式 成像,对1000 ×104 km2的地球表面进行了测绘,获得了大量信息,其中最著名的是发现了撒哈拉沙漠中的地下古 河道,显示了SAR具有穿透地表的能力,引起了国际学术界的巨大震动。产生这种现象的原因,一方面取决于被观测 地表的物质常数(导电率和介电常数)和表面粗糙度,另一方面,波长越长其穿透能力越强。Sir-B是Sir-A的改进型, 仍采用HH极化L波段的工作方式,但其天线波束指向可以机械改变,提高了对重点地区的观测实效性。Sir-C/X-SAR 是在Sir-A, Sir-B基础上发展起来的,并引入很多新技术,是当时最先进的航天雷达系统:具有L、C和X3个波段, 采用4种极化(HH, HV, VH和VV),其下视角和测绘带都可在大范围内改变。
合成孔径雷达sar孔径合成原理
合成孔径雷达sar孔径合成原理合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）是一种利用雷达原理进行成像的技术。
它通过利用雷达的回波信号进行数据处理，实现高分辨率、大覆盖面积的地面成像。
而SAR的核心技术之一就是孔径合成原理。
孔径合成原理是利用雷达的运动产生的多个回波信号进行合成，从而得到高分辨率的成像。
与传统雷达不同，SAR的发射器和接收器不是静止不动的，而是在飞机、卫星等平台上运动。
正是因为这种运动，SAR能够利用多个回波信号进行合成，达到提高分辨率的效果。
SAR的孔径合成原理可以通过以下几个步骤来解释：1. 发射信号：SAR首先向地面发射一束射频信号。
这个信号在空中传播并与地面物体相互作用后，会产生回波信号。
2. 接收信号：接下来，SAR接收器会接收到地面反射回来的回波信号。
这些信号包含了地面物体的散射特性，可以提供有关地面物体的信息。
3. 信号处理：接收到回波信号后，SAR会对这些信号进行处理。
首先，对回波信号进行时域压缩处理，以减小信号的时延。
然后，对压缩后的信号进行频域处理，通过傅里叶变换等算法，将信号转换为频域数据。
4. 孔径合成：在信号处理的过程中，SAR会利用雷达平台的运动信息，将多个回波信号进行合成。
SAR的雷达平台在运动过程中，相当于一个虚拟的大孔径天线，可以接收到多个不同位置的回波信号。
通过对这些信号进行合成处理，可以得到高分辨率的成像结果。
5. 成像显示：最后，SAR将合成后的信号进行成像显示。
利用合成的回波信号，SAR可以得到高分辨率、清晰度高的地面图像。
这些图像可以用于地质勘探、军事目标识别、环境监测等领域。
需要注意的是，SAR的孔径合成原理要求雷达平台在运动过程中保持稳定，并且要有较高的精度。
这样才能保证合成后的图像质量。
此外，SAR的孔径合成原理也要求对回波信号进行准确的处理和合成算法。
只有在合适的处理和算法下，才能获得理想的成像结果。
《合成孔径雷达》课件
总结词：气象观测中的重要手段
总结词：地质勘查中的重要工具详细描述：合成孔径雷达（SAR）在地质勘查中发挥着重要作用，能够观测地表和地下地质结构，提供高分辨率的地质数据，帮助地质学家更好地了解地质构造和资源分布。案例分析：合成孔径雷达在地质勘查中的应用案例包括矿产资源勘查、地震灾害评估、土地利用调查等。例如，在中国西部地区，科学家使用合成孔径雷达对矿产资源进行勘查，发现了大量的煤炭和石油资源。结论：合成孔径雷达在地质勘查中的应用具有重要意义，能够提高地质学家对地质构造和资源分布的了解和勘查准确性。
起源
随着技术的不断进步，合成孔径雷达在分辨率、速度、体积和重量等方面不断优化，应用领域也不断拓展。
发展历程
未来，合成孔径雷达将继续朝着更高分辨率、更小体积、更低成本的方向发展，同时与其他技术如人工智能、物联网等结合，拓展更多的应用场景。
未来展望
02
合成孔径雷达的应用
合成孔径雷达能够穿透云层和伪装，提供高分辨率的战场侦察图像，帮助指挥官了解敌情。
பைடு நூலகம்
气象研究
合成孔径雷达可以用于观测地球表面的地形、地貌、植被等信息，为地球科学研究提供数据支持。
地球观测
通过合成孔径雷达的高清图像，可以发现和识别古代遗址和文物，为考古研究提供新的手段。
遥感考古
03
合成孔径雷达系统组成
03
发射机的性能指标包括输出功率、效率、波形质量等，直接影响着合成孔径雷达的作用距离和分辨率。
THANKS
感谢观看
信号处理包括脉冲压缩、动目标检测、多普勒频率分析等技术，以提高雷达的分辨率、检测能力和抗干扰能力。
信号处理的性能指标包括处理精度、实时性、稳定性等，直接影响着合成孔径雷达的整体性能。
合成孔径雷达
合成孔径雷达（SAR）合成孔径雷达产生的过程为了形成一幅真实的图像增加两个关键参数：分辨率、识别能力。
合成孔径打开了无限分辨能力的道路相干成像特性：以幅度和相位的形式收集信号的能力相干成像的特性可以用来进行孔径合成民用卫星接收系统SEASA T、SIR-A、SIR-B美国军用卫星(LACROSSE)欧洲民用卫星（ERS系列）合成孔径雷达(SAR)是利用雷达与目标的相对运动将较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一个较大孔径的等效天线孔径的雷达。
特点：全天候、全天时、远距离、和高分辨率成像并且可以在不同频段不同极化下得到目标的高分辨率图像SAR高分辨率成像的距离高分辨率和方位高分辨率距离分辨率取决于信号带宽方位高分辨率取决于载机与固定目标相对运动时产生的具有线性调频性质的多普勒信号带宽相干斑噪声机载合成孔径雷达是合成孔径雷达的一种极化：当一个平面将空间划分为各向同性和半无限的两个均匀介质，我们就可以定义一个电磁波的入射平面，用波矢量K来表征：该平面包含矢量K以及划分这两种介质的平面法线垂直极化（V）：无线电波的振动方向是垂直方向与水平极化（H）：无线电波的振动方向是水平方向TE波：电场E与入射面垂直TH波：电场E属于入射平面合成孔径雷达的应用军事上、地质和矿物资源勘探、地形测绘和制图学、海洋应用、水资源、农业和林业合成孔径雷达在军事领域的应用：战略应用、战术应用、特种应用。
SAR系统的几个发展趋势：多波段、多极化、多视角、多模式、多平台、高分辨率成像、实时成像。
SAR图像相干斑抑制的研究现状分类：成像时进行多视处理、成像后进行滤波多视处理就是对同一目标生成多幅独立的像，然后进行平均。
这是最早提出的相干斑噪声去除的方法，这种技术以牺牲空间分辨率为代价来获取对斑点的抑制成像后的滤波技术成为SAR图像相干噪声抑制技术发展的主流均值滤波、中值滤波、维纳滤波用来滤去相干斑噪声，这种滤波方法能够在一定程度上减小相干斑噪声的方差合成孔径雷达理论概述合成孔径雷达是一种高分辨率成像雷达，高分辨率包含两个方面的含义：方位向的高分辨率和距离向高分辨率。
第6章 合成孔径雷达(SAR)
第6章合成孔径雷达SAR
简介
• 简介（续）
– 相参积累无需多个阵元同时发射和接收
– 合成孔径天线：运动小天线多脉冲相参积累， 能获得沿运动轨迹的等效长线阵的方位（切向） 分辨力。采用该技术的机载（空载）雷达称为 合成孔径雷达（SAR） – 微波成像雷达 SAR：雷达移动，被测目标固定 ISAR：雷达固定，被测目标运动
x(t)
(a)
(b)
y
3 dB
r ,3 dB
Rl 0.44 L
y瑞利 r ,瑞利
1l R 2L
– 合成孔径长度 L = vpT
– 孔径边缘双程相位差
L R ( R DR) 2 2
2
2
L 1 DR 2 2R
1 l 1 R Rl 2 Lmax 2
第6章合成孔径雷达SAR
SAR工作原理
• SAR工作原理
– SAR工作方式：正侧视、斜侧视、多普勒波束 锐化、聚束定点照射等
– 正侧视SAR 天线波束指向垂直于平台运动方向 – 角度分辨力：
• 定义1：天线方向图的半功率（3dB）宽度
• 定义2：天线方向图的 2/p 强度处（4dB）宽 度，也称瑞利分辨力
2
– 允许的双程相位差为p /2 => DR l/8
Lmax Rl r ,瑞利
第6章合成孔径雷达SAR
非聚焦处理
R＋
0
l/8
Le
R0
T
第6章合成孔径雷达SAR
聚焦处理
• 聚焦处理：球面波相参积累
– 阵列边缘产生的平方项可在信号处理中补偿， 合成孔径长度 波束宽度覆盖的长度
– 瑞利切向分辨力（切向覆盖宽度）
合成孔径雷达指数
合成孔径雷达指数什么是合成孔径雷达指数合成孔径雷达指数（Synthetic Aperture Radar Index，SAR Index）是一种用于评估合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）的性能和质量的指标。
它可以反映出合成孔径雷达系统的成像能力、图像分辨率和物体检测能力等关键参数，是评价合成孔径雷达技术的重要标准之一。
合成孔径雷达指数的计算方法合成孔径雷达指数通常包括以下几个方面：1. 分辨率指数分辨率是合成孔径雷达图像中显示目标细节清晰度和分离度的能力。
分辨率指数用于评估合成孔径雷达在不同扫描角度、天气条件下的分辨率表现，常用的指标有雷达幅宽、波长和天线孔径等。
2. 干扰抑制指数合成孔径雷达运行环境中存在的各种干扰信号会对雷达图像的质量和检测性能造成影响。
干扰抑制指数用于评估合成孔径雷达系统在不同环境条件下对干扰信号的抑制能力，常用的指标有信噪比、相干度和杂波抑制比等。
3. 目标检测指数合成孔径雷达在目标检测中的表现直接影响系统的实用性和应用范围。
目标检测指数用于评估合成孔径雷达对不同目标类型的检测能力，常用的指标有目标信号增益、误检率和虚警概率等。
4. 地物分类指数地物分类是合成孔径雷达在应用中的一个重要环节，对于识别和区分不同类型的地物具有重要意义。
地物分类指数用于评估合成孔径雷达系统在地物分类任务中的性能表现，常用的指标有分类精度、判断准确率和漏判率等。
合成孔径雷达指数的应用合成孔径雷达指数的应用十分广泛，涵盖了军事、航空航天、船舶、气象、环境监测等多个领域。
1. 军事应用合成孔径雷达可以用于军事侦察、目标探测和精确打击等任务，而合成孔径雷达指数则可以评估其在这些任务中的性能。
通过合成孔径雷达指数，军方可以评估不同型号、不同参数的合成孔径雷达设备的优劣，以选取适合自身需求的设备。
2. 航空航天应用合成孔径雷达广泛应用于航空航天领域，包括航天器的姿态控制、空间目标的监测等。
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
合成孔径雷达介绍
合成孔径雷达介绍
合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，SAR）是一种以微波回波形成高分辨率图像的雷达系统。
与传统雷达不同的是，SAR具有较高的分辨率和较强的穿透力，并且可以在夜晚、阴雨天等恶劣环境中工作。
SAR系统通过存储多个雷达回波信号，并在计算机中对信号进行处理和合成，从而形成高分辨率的图像。
它的分辨率与天线的孔径大小有关，因此采用“合成孔径”的技术，在雷达系统运动中不断积累雷达回波数据，并将其合成为一个大的孔径，从而获得更高的分辨率。
SAR系统广泛应用于地球观测、军事侦察、海洋监测、气象预报、资源调查等领域。
它可以探测地表的形态、植被覆盖、水文地质情况、海洋波浪、船只活动等信息。
同时，SAR系统还可以探测地球表面的微小变化，如地震、火山喷发等自然灾害的迹象。
总之，合成孔径雷达是一种高分辨率、高穿透力的雷达系统，具有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步和应用领域的扩大，它的应用价值和意义将越来越受到重视。
- 1 -。
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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
f0
2w' c w'
f0
2w' c(1 w'/ c)
f0
w' = 1 c
2w' c
f0
2w'
2w cos
11
多普勒频率的微分：
2wsin
若以 δΩ 表示多普勒频率的分辨率，δψ 表示方位角
分辨率
2w sin
根据离散数据的谱估计理论可知，频率分辨率由
采样长度决定，等于采样长度的倒数。因此，多普
勒频率的分辨率 |δΩ| 可以通过采样时间长度 tS 近似
地表示为
1
ts
2wts sin
12
X D wts：整个采样时间 ts 内卫星移动距离
SAR
2 X D sin
飞行方向 r
" v vs
f
f " v f v vs
f '' f
8
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：
λ
f ' v vo v vo f
S
B
v
观察者以运动速度 vs 远离波源
f ' v vo 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
雷达发射电磁波频率为 f0，卫星与被观测点之间存在相对 运动，相对速度 w’等于卫星速度矢量 w 在波束方向上的投影：
R
r
D
λ：雷达发射的电磁波波长
r：从卫星到探测点的距离（斜距）
D：真实孔径雷达的孔径长度
5
x r 2 X D sin
R
r
D
D与2 XDsin ψ具有相同的作用
对于卫星高度为750km，微波波长为5cm（C波段）的 真实孔径雷达，实现100m星下点方位分辨率所需的孔径 长度为375m；L波段（23.5cm）则为1.8km！
合成孔径雷达使用较小孔径通过多普勒频移合成技术实现 十米量级的高分辨率。
6
多普勒效应简介
当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率会产生差别， 这种现象叫多普勒效应。
两者相互接近时，观察者接收到的频率升高；两者相互远离时，观察者接收到的频率 降低。
1842年奥地利物理学家多普勒 某一波源发出的声波频率为 f，波长为 λ；声波传播速度 v
合成孔径雷达
1.多普勒效应 2.方位分辨率 3.距离分辨率
1
合成孔径？
合成孔径雷达长度
天线孔径
天线孔径观测范围
观测目标 2
合成孔径雷达观测示意图 地距
3
合成孔径雷达与真实孔径侧视雷达的分辨率
距离分辨率： 由脉冲持续时间τ或者等价 的脉冲宽度确定
y c 2 sin
θ是入射角，c是电磁波传 播速度，cτ =Δr是雷达的 脉冲宽度
方位方向
合成孔径雷达的方位分辨率：
x r
r
x
2 X D sin
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。
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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，
y AB EB 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
14
y
c 2 sin
距离分辨率与脉冲持续时间τ成正比，与入射角θ成反比:
脉冲持续时间越短，距离分辨率越高；反之越低