合成孔径雷达SAR
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)去噪
进行滤波，
cJ , n
gn
h n
再把获得的数据序列中奇数下表的数据全部拿掉。把正交投影
分解为
和
P ；f ( x)
P f
Q f
J 1
最终得到各个
示。
空间
Wj
V1
V0
W0
J 2
J 2
( j J , J 1, J 内的小波系数
2, )
V1
W1
V2
W2
。这个过程如图所
1.2.2 进行小波分解
细节小， 图像中的像素的退化相互独立时，斑点噪声可以被建模成乘性噪
声，即SAR图像的图像强度可描述为地面物体实际的后向散射信号和与之
不相关的噪声的乘积。SAR 图像强度可表示为如下乘性模型：
I ( x, y) R( x, y) u( x, y)
(1)
其中 ( x, 是分辨单元的图像空间坐标，表示一个分辨单元；
这样一幅图像在一次小波分解后将
分解为一个低频子图像LL1 和垂直、水
平、对角线3个方向的高频子图像LH1、
HL1、HH1, L 表示低通滤波, H 表示高
通滤波。
1.2.2 进行小波分解
小波去噪
由于边缘和噪声属于图像的高频信息, 而信号基本上属于低频信息,
故其LH 1、HL1、HH1 图像中包含了图像在垂直、水平、对角线方向上的边
缘和噪声,而LL1 图像是原图的低频近似。
图像的多尺度分解(即对图像的多分辨率分析)就是对在上一阶得到的
低频近似图像LLJ- 1进行迭代分解。
让图像的大部分能量投影到下一级分辨率的近似图像中去，所以，需
要为待处理图像选择最佳小波母函数。
如何实现对信号
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。
合成孔径雷达的现状与发展趋势
二、合成孔径雷达现状
然而，目前合成孔径雷达技术还存在一些问题，如图像质量不稳定、处理速 度慢、无法识别特定目标等。此外，由于合成孔径雷达系统的复杂性和成本较高， 也限制了其应用范围。
三、合成孔径雷达发展趋势
三、合成孔径雷达发展趋势
随着技术的不断进步和应用需求的增长，合成孔径雷达未来的发展将趋向于 高分辨率、高灵敏度、宽测绘带以及多模式多波段的发展。
2、国外现状和趋势
2、国外现状和趋势
全球范围内，合成孔径雷达卫星技术发展迅速。商业公司如Planet Labs、 DigitalGlobe等纷纷推出具有高性能的SAR卫星，以满足不同用户的需求。同时， 一些国际组织如欧洲航天局也积极参与SAR技术的研究和应用，推动全球SAR技术 的发展。
2、国外现状和趋势
发展历程
1、起源和发展阶段
1、起源和发展阶段
合成孔径雷达卫星技术起源于20世纪50年代，当时美国国防部开始研究雷达 成像技术。到了20世纪70年代，雷达成像技术开始应用于卫星遥感领域。最初的 SAR技术采用机械扫描方式，随后逐渐发展为电子扫描方式。20世纪90年代初， 第一颗商业合成孔径雷达卫星TerraSAR-X成功发射，标志着SAR技术进入商业化 应用阶段。
与此同时，针对SAR系统的干扰方法也在不断发展。常见的SAR干扰技术包括 欺骗式干扰、压制式干扰和复合式干扰等。欺骗式干扰通过向SAR系统发送虚假 信号，使其无法正确解码和成像；压制式干扰则通过干扰SAR系统的接收机或发 射机，降低其信号接收能力；复合式干扰则结合欺骗式和压制式干扰，使SAR系 统无法正常工作。
三、合成孔径雷达发展趋势
3、宽测绘带：合成孔径雷达未来的发展趋势之一是实现大测绘带（SAR）的 覆盖。通过采用先进的信号处理技术和分布式系统，合成孔径雷达将能够实现大 范围的目标探测和地图绘制。
sar的介绍和测试
仿真测试环境
利用计算机仿真技术模拟 SAR系统的运行，以便进 行快速、低成本的测试。
测试方法
功能测试
验证SAR系统的主要功能是否 正常工作，如成像、目标检测
与跟踪等。
性能测试
评估SAR系统的性能指标，如 分辨率、灵敏度、抗干扰能力 等。
兼容性测试
检查SAR系统与其他设备或系 统的兼容性，以确保协同工作 。
SAR不受光照和时间限制，可在任何 天气和时间条件下工作，具有全天候、 全天时的特点。
SAR的工作原理
SAR通过在飞行过程中不断向地面发送电磁波信号，并接收反射回来的信号，利用信号的相位和幅度 信息，经过处理后形成高分辨率的图像。
SAR的分辨率取决于其发射信号的波长和天线的大小，具有较高的横向分辨率和较低的纵向分辨率。
极化SAR技术
总结词
极化SAR技术能够提供更多地面目标信息， 有助于提高遥感监测和识别精度。
详细描述
极化SAR技术通过采用不同极化方式获取地 面目标的多种极化信息，能够更好地分辨出 不同目标，如建筑物、车辆和树木等。此外， 极化SAR技术还可以提供地表结构、土壤湿 度等信息，为地质勘查、农业监测等领域提 供更全面的遥感监测数据。
辨率。
补偿算法
03
采用合适的算法实现运动补偿，如卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤
波等。
03 SAR系统的组成
发射机
1
发射机是SAR系统中的重要组成部分，负责产生 和发射电磁波信号。
2
它通常包括信号源、调制器、功率放大器等部分， 能够产生高功率的射频信号，并通过天线辐射到 空间中。
3
发射机的性能指标包括发射频率、发射功率、波 形质量等，这些指标直接影响着SAR图像的质量 和分辨率。
合成孔径雷达SAR课件
利用SAR系统的高分辨率特性 ，对敌方活动进行侦查，提供
详细情报。
目标识别与跟踪
通过SAR图像的纹理、形状等特征 提取，实现对敌方目标的识别与方导弹发射的早 期预警，引导己方导弹进行拦截。
SAR在环境监测领域的应用
大气环境监测
通过对SAR图像的分析，监测大 气污染源、污染物扩散等情况。
合成孔径雷达sar课件
目录
• SAR系统概述 • SAR成像算法 • SAR图像处理 • SAR系统性能评估 • SAR系统应用与发展趋势
01
SAR系统概述
SAR定义及特点
定义
SAR，全称合成孔径雷达，是一种雷达成像技术，利用飞行 器平台携带的雷达在空间中扫描，通过合成孔径技术对地面 目标进行成像。
反射信号
地面目标反射信号回到雷 达接收机。
数据处理
雷达接收机将反射信号进 行处理，生成图像。
02
SAR成像算法
距离-多普勒算法
线性调频（Linear Frequency Modulation，LFM）信号：用于产生具有大带宽的 信号，通过改变频率增量来实现目标距离和速度的测量。
成像处理步骤：收发雷达信号、信号接收、信号处理、图像生成等。
分辨率和速度分辨率
算法对目标和速度具有较高的分辨率和速度分辨率。
成像处理中的其他关键技术
成像处理中的数字波束形成（DBF）技术
通过对多个接收天线接收到的信号进行加权和相位调整，实现波束指向控制和目标信号增强。
成像处理中的动目标检测与跟踪技术
通过对回波信号进行频谱分析和目标跟踪，实现动目标的检测和跟踪。
成像处理中的杂波抑制技术
通过采用滤波器、空域滤波等技术，抑制杂波干扰，提高图像质量。
x 波段sar 特点
x 波段sar 特点
X波段SAR（合成孔径雷达）是一种雷达系统，它利用X波段的电磁波来进行成像和探测。
X波段SAR具有以下特点：
1. 分辨率高，X波段具有较短的波长，因此X波段SAR系统具有较高的空间分辨率，能够更准确地识别地表目标和细节。
2. 透穿能力强，X波段电磁波在大气和降水中的吸收较小，因此X波段SAR系统具有较强的透射能力，能够在一定程度上穿透云层和降水，实现全天候、全天时的监测。
3. 适应性广，X波段SAR系统在地形、地貌、植被等方面具有较好的适应性，能够适用于不同地区和环境下的监测和成像需求。
4. 成本相对较高，相比于其他波段的SAR系统，X波段SAR系统的制造和运行成本相对较高，这也是其在实际应用中需要权衡的因素之一。
5. 应用广泛，X波段SAR系统在军事侦察、地质勘探、环境监测、灾害评估等领域都有着广泛的应用，能够提供重要的地学信息
和数据支持。
总的来说，X波段SAR系统具有高分辨率、强透穿能力、广泛的应用领域等特点，但也面临着较高的成本和复杂的技术挑战。
在实际应用中，需要根据具体需求和条件综合考虑选择合适的雷达系统。
星载sar方位分辨率计算
星载sar方位分辨率计算
星载SAR（合成孔径雷达）的方位分辨率计算公式为：分辨率= λ / (2 * Δθ)，其中λ表示雷达波长，Δθ表示SAR雷达天线接收到的目标信号的相位差。
此公式说明，方位分辨率与波长的比例成正比，即波长越短，方位分辨率越高。
因此，要提高方位分辨率，需要减小波长或减小目标信号的相位差。
另外，合成孔径观点的SAR方位向分辨率表达式为：R_a = λR / 2L = l / 2，其中λ表示雷达波长，R为斜距，L为合成孔径长，l为真实雷达孔径长。
从该式可以看出，要提高方位向分辨率，需要减小真实孔径长度l或增大合成孔径长度L。
另外，合成孔径雷达由于自身在方位向上的移动，在照射目标过程中合成了一个等效的大天线，从而实现方位向高分辨率。
对于真实孔径雷达来说，它的方位向分辨率为ρ = Hλ / (Dsinβ)，其中H为天线距地高度，β为俯角，λ为波长，D为天线长度。
当雷达工作频率固定后，要提高方位分辨率必须增大天线长度D，这会受到雷达载体的限制。
总之，星载SAR的方位分辨率取决于多个因素，包括雷达波长、天线尺寸、目标信号的相位差等。
要提高方位分辨率，需要综合考虑这些因素并采取相应的措施。
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在早期研究雷达成像系统时采用的是真实孔径雷达系统(Real Aperture Radar)。真实孔径雷达成像系统及处理设备相对较为简单，但 它存在一个难以解决的问题，就是其方位分辨率要受到天线尺寸的限制。 所以要想用真实孔径雷达系统获得较高的分辨率，就需要较长的天线。 但是所采用天线的长短往往又受制于雷达系统被载平台大小的限制，不 可能为了提高分辨率无休止地增加天线长度。幸运地是，随着雷达成像 理论，天线设计理论、信号处理、计算机软件和硬件体系的不断完善和 发展，合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar)的概念被提出来。 合成孔径雷达系统的成像原理简单来说就是利用目标与雷达的相对运动， 通过单阵元来完成空间采样，以单阵元在不同相对空间位置上所接收到 的回波时间采样序列去取代由阵列天线所获取的波前空间采样集合。 只 要目标被发射能量波瓣照射到或位于波束宽度之内，此目标就会被采样 并被成像。利用目标－雷达相对运动形成的轨迹来构成一个合成孔径以 取代庞大的阵列实孔径，从而保持优异的角分辨率。从潜在的意义上来 说，其方位分辨率与波长和斜距无关，是雷达成像技术的一个飞跃，因 而具有巨大的吸引力，特别是对于军事和地理遥感的应用更是如此。因 此，合成孔径雷达(SAR)已经成为雷达成像技术的主流方向。
合成孔径雷达SAR
主讲人：邹利伟
2013年7月19日
目录
合成孔径雷达简介 合成孔径雷达发展史及现状 合成孔径雷达的应用 合成孔径雷达的发展趋势 合成孔径雷达的原理
合成 孔径 雷达 的概 念
微波 的概 念
合成孔 径雷达 简介
合成 孔径 雷达 的分 类
合成孔径雷达简介
微波的概念
微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简 称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、 毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称 为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基 本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器， 微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。 而对金属类东西，则会反射微波。
米波的频率范 围在300 MHz –3GH z,主要用于通讯和电 视广播。
厘米波的频率 范围在3GHz—30G Hz 主要用于雷达、 卫星通讯，无线电导 航。
毫米波的频率 范围在30 GHz --300 GHz用于卫星通讯。
合成孔径雷达的概念
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 距离向和方位向双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。它在不同频段、不同极化下可得到目标的高分 辨率雷达图像，由于其具有克服云、雾、雨、雪的限制对地面目标成像，
合成孔径雷达的分类
一般情况下合成孔径雷达根据雷达载体的不同，可分为星载SAR，机载 SAR和无人机载SAR等类型。根据SAR视角不同，可以分为正侧视、斜视和 前视等模式。根据SAR工作的不同方式，又可以分为条带式(Stripmap SAR)，聚束式(Spotlight SAR)，扫描式(Scan SAR)等(如下图所示)。它 们在技术上各具特点，应用上相辅相成。
（6）多极化，多波段，多工作模式。 （7）实现合成孔径原理，需要复杂的信号处理过程和设备。
国外的 发展史 及现状
合成孔径 雷达发展 史及现状
我国的 发展史 及现状
合成孔径雷达发展史及现状
国外的发展史
美国NASA的AirSAR系统
合成孔径的概念始于50年代初期。当时，美国有些科学家想突破经典分辨 力的限制，提出了一些新的设想：利用目标与雷达的相对运动所产生的多 普勒频移现象来提高分辨力；用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得 高分辨力。50年代末，美国研制成第一批可供军事侦察用的机载高分辨力 合成孔径雷达。60年代中期，随着遥感技术的发展，军用合成孔径雷达技 术推广到民用方面，成为环境遥感的有力工具。70年代后期，卫星载合成 孔径雷达和数字成像技术取得进展。美国于1978年发射的“海洋卫星”A 号达和图像8的0年优代越初性发。射从的9航0年天代飞起机，都对加试能拿验够大了提合C供o成n三v孔a维i径r信-雷5息8达0的的C干/效X涉果S式A，RS证A系R明的统了研雷究 引起了世界各国的格外关注，成为SAR技术发展的新热点。
如果选择合适的雷达波长，还能够透过一定的遮蔽物。 （4）包括多种散射信息：不同的目标，往往具有不同的介电常数、表
面粗糙度等物理和化学特性，它们对微波的不同频率、透射角、及极化方 式将呈现不同的散射特性和不同的穿透力，这一性质为目标分类及识别提 供了极为有效的新途径。
（5）多功能多用途：例如采用并行轨道或者一定基线长度的双天线， 可以获得包括地面高度信息在内的三维高分辨图像。
目前世界上能够使用的星载和机载SAR系统共有28个。其中处于使用状态 的星载SAR系统共有5个。而处于使用状态的机载SAR系统有23个。
合成孔径雷达(SAR)的特点 （1）二维高分辨力。 （2）分辨力与波长，载体的飞行高度，雷达的作用距离无关。 （3）强透射性：不受气候、昼夜等因素影响，具有全天候成像优点；
我国现用微波分波段代号：
波段代号
标称波长(cm)
频率波长(GHz)
L
22
S
10
C
5
X
3
Ku
2
K
1.25
Ka
0.8
U
0.6
V
0.4
W
0.3
1-2 2-4 4-8 8-12 12-18 18-27 27-40 40-60 60-80 80-100
（a)微波波段
波长范围(cm)
30-15 15-7.5 7.5-3.75 3.75-2.5 2.5-1.67 1.67-1.11 1.11-0.75 0.75-0.5 0.5-0.375 0.375-0.3