合成孔径雷达技术热点及应用.ppt

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1、1,彭石宝2013年12月8日,合成孔径雷达技术热点及应用,2,彭石宝，男，1982年生，博士，博士后。主要研究方向为雷达/声纳信号处理，雷达/声纳成像，计算电磁学，目标识别等。,作者简介,3,一、SAR发展回顾二、SAR基本概念三、SAR典型应用四、SAR技术热点,提纲,4,1.SAR发展历程2.SAR典型系统,一、SAR发展回顾,5,SAR优点：,二维高分辨率图像,全天候、穿透云雾能力,全天时工作,低频段穿透植被和树叶,一、SAR发展回顾,1 SAR发展历程,6,SAR应用领域：,一、SAR发展回顾,1 SAR发展历程,军事：,情报、监视、侦察（SAR+GMTI）,JSTAR伊拉克撤军,7

2、,SAR应用领域：,一、SAR发展回顾,1 SAR发展历程,民用：,考古、测绘、防灾,光学图片,SIR-C,8,最早的对地成像雷达：H2S，实孔径成像，分辨率低,一、SAR发展回顾,1 SAR发展历程,二战期间英国的H2S机载雷达,1944年，德国的Cologne被轰炸后H2S夜间观测图像,9,一、SAR发展回顾,1 SAR发展历程,1957年第一幅SAR图像,1978提出PFA算法,10,一、SAR发展回顾,1 SAR发展历程,第一颗SAR卫星SEASAT上天,11,一、SAR发展回顾,1 SAR发展历程,80年代中期ASAR出现,U2,麦哲伦火星探测器,卡西尼土星探测器,12,一、SAR发

3、展回顾,1 SAR发展历程,80年代中期ASAR出现,U2,13,一、SAR发展回顾,1 SAR发展历程,SAR分辨率发展历程表,14,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统（机载系统）,15,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统（机载系统）,16,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统（机载系统）,FSAR系统：,多功能多波段多极化带宽：800MHz最高重频：5KHz入射角：2560,17,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统（机载系统）,全球鹰SAR系统：,多功能(SAR+GMTI,对海模式)X波段带宽：600MHz视场：正负45,MPTIP,18,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系

4、统（星载系统）,19,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统（星载系统）,20,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统（星载系统）,21,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统（星载系统）,22,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统（星载系统）,23,一、SAR发展回顾,2 SAR典型系统,发展趋势：“五多”,多极化（HH/HV/VH/VV）,多平台（机载、星载）,多功能（SAR、GMTI、INSAR等）,多波段（P/L/C/X/Ku）,多基地（星星、星机、机舰）,24,一、SAR发展回顾二、SAR基本概念三、SAR典型应用四、SAR技术热点,提纲,25,1.SAR成像原理2.SAR成像模式

5、3.SAR成像过程4.SAR成像指标,二、SAR基本概念,26,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,27,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,成 像 处 理,距离向高分辨通过发射宽带信号，方位向高分辨通过合成孔径处理,28,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,SAR成像几何,29,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,数据收集过程：,SAR系统,场景目标,回波数据,30,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,目标、场景的表现形式：后向散射系数,目标：电导率、介电常数、形状结构雷达：工作频率、波束入射角、极化方式,31,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,目标、场景的表现形式

6、：后向散射系数,散射系数量级(单位：dBm2/m2),典型场景,32,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,目标、场景的表现形式：后向散射系数,L波段,C波段,X波段,工作频段影响（透射效应）,频段越低，透射效应越好,20cm,6cm,1cm,33,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,目标、场景的表现形式：后向散射系数,X波段,L波段,工作频段影响（透射效应）,34,二、SAR基本概念,1 SAR成像原理,目标、场景的表现形式：后向散射系数,波束入射角影响,波束入射角越小散射系数越小,35,二、SAR基本概念,2 SAR成像模式,条带模式（StripSAR）,36,二、SAR基本概念,2

7、 SAR成像模式,扫描模式（ScanSAR）,37,二、SAR基本概念,2 SAR成像模式,聚束模式（SpotlightSAR）,38,二、SAR基本概念,2 SAR成像模式,成像模式比较,39,二、SAR基本概念,2 SAR成像模式,机载SAR成像模式：三种模式切换,40,二、SAR基本概念,2 SAR成像模式,星载SAR成像模式：三种模式变换种类多,41,二、SAR基本概念,2 SAR成像模式,星载SAR成像模式：三种模式变换种类多,42,二、SAR基本概念,3 SAR成像过程,传统雷达处理过程,波形产生,功率放大,双工器,接收机,发射机,A/D,脉压,杂波处理,检测,跟踪,数据记录,43

8、,二、SAR基本概念,3 SAR成像过程,SAR处理过程,波形产生,功率放大,双工器,接收机,发射机,A/D,脉压,GPS/IMU,运动参数,成像处理,图像处理,44,二、SAR基本概念,3 SAR成像过程,距离向脉压,运动补偿,方位向脉压,取模得图像,原始回波,高分辨距离像,原始回波,高分辨距离像,最终图像,45,二、SAR基本概念,3 SAR成像过程,原始回波,高分辨距离像,最终图像,目标需要运动补偿,46,二、SAR基本概念,3 SAR成像过程,处理过程中的运动补偿是SAR成像的难点，不同的情况算法千变万化！,47,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,四大类指标：,点分辨率指标,面分

9、辨指标,辐射分辨指标,定位指标,48,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,点分辨指标：分辨率、峰值旁瓣比、,理想点目标二维冲击响应图,距离分辨率：,方位分辨率：,49,分辨率：主瓣3dB宽度,峰值旁瓣比：第一旁瓣能量与峰值能量的比值（-13.2dB）,积分旁瓣比：所有副瓣能量和与峰值能量的比值（-13.2dB）,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,加窗,加窗效应：主瓣展宽，旁瓣降低（分辨率降低，峰值旁瓣比和积分旁瓣比改善）,50,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,点分辨指标：方位向模糊度,51,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,点分辨指标：方位向模糊度,无方位模糊图像,有方

10、位模糊图像,距离向,方位向,52,53,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,点分辨指标：距离向模糊度,近区模糊,远区模糊,主瓣回波信号,副瓣回波信号,54,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,点分辨指标：距离向模糊度,距离向,方位向,55,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,面分辨指标：图像噪声系数、等效视数、图像动态范围,反映SAR对地面反射系数的要求，该值越小，成像能力越强,图像噪声系数,56,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,辐射分辨指标：辐射精度、辐射分辨率、辐射稳定度,辐射精度：SAR测量目标散射系数的准确程度,辐射分辨率：SAR区分散射系数相近目标的能力,辐射稳定

11、度：SAR在成像时间内辐射精度的稳定程度,57,二、SAR基本概念,4 SAR成像指标,图像定位指标：相对定位精度、绝对定位精度,求目标在载机坐标系下的坐标,求载机在地球坐标系下的坐标,求目标在地球坐标系下的坐标,求目标的经度、纬度、高度,SAR图像定位流程,相对定位精度,绝对定位精度,绝对定位经度受限于GPS经度限制,58,一、SAR发展回顾二、SAR基本概念三、SAR典型应用四、SAR技术热点,提纲,59,1.干涉2.极化3.干涉+极化,三、SAR典型应用,60,1.1 干涉原理1.2 InSAR1.3 SAR/GMTI1.4 DInSAR,三、SAR典型应用,1 干涉,61,三、SAR典

12、型应用,1 干涉,条件：,两幅或多幅SAR复图像联合处理,有用信息从图像干涉后的相位中提取,要求复图像间存在视角差,交轨干涉,顺轨干涉,1.1 干涉原理,62,三、SAR典型应用,1 干涉,交轨干涉形式：,单平台双天线,单平台双航过,顺轨干涉形式：,单平台双（多）天线,形式：,1.1 干涉原理,63,三、SAR典型应用,1 干涉,原理：,复图像相位：,与距离相关,干涉相位获取：,SAR复图像1,SAR复图像2,干涉相位,干涉相位通常以2的整数倍缠绕：相位解缠,1.1 干涉原理,64,三、SAR典型应用,1 干涉,干涉相位：,1.1 干涉原理,交轨干涉基线引起,目标位置变化引起,传播过程中的介质

13、变化引起（单航过双天线可避免该项）,噪声引起,65,三、SAR典型应用,1 干涉,典型应用：,1.1 干涉原理,66,三、SAR典型应用,1 干涉,1.2 InSAR,高度：,难以从单幅图像中估计,SAR1相位：,SAR2相位：,干涉相位：,单幅图像散射点位置估计,67,三、SAR典型应用,1 干涉,1.2 InSAR,高度：,基线长度B已知,基线角已知,实际中基线长度和基线角测量精度要求极高：刚性基线 柔性基线,68,69,三、SAR典型应用,1 干涉,1.2 InSAR,TanDEM-X,垂直基线,水平基线,有效基线,70,三、SAR典型应用,1 干涉,1.2 InSAR,DEM层次标准,

14、平方公里,71,三、SAR典型应用,1 干涉,1.2 InSAR,DEM层次标准,72,三、SAR典型应用,1 干涉,1.2 InSAR,SRTM获取的厄瓜多尔科多帕希火山DEM图,73,三、SAR典型应用,1 干涉,1.1 InSAR,Terra-SAR双航过巴黎干涉相位解缠后相位图，300MHz，时间：2008年1.16和1.27,74,75,三、SAR典型应用,1 干涉,1.2 InSAR,地形学,导航,城市规划,灾害应急管理,冰川监测,海洋监测,地质测绘,水文学,土地监管,76,三、SAR典型应用,1 干涉,1.3 SAR/GMTI,基线,77,三、SAR典型应用,1 干涉,1.3 S

15、AR/GMTI,基线,两时刻复图像目标相位差：,时间基线（ms）,目标径向速度,78,三、SAR典型应用,1 干涉,1.3 SAR/GMTI,公路,运动目标,静止目标,79,三、SAR典型应用,1 干涉,1.3 SAR/GMTI,ATI,DPCA,利用复图像干涉相位信息检测动目标不能抑制杂波，目标速度误差和位置估计容易受杂波干扰,利用杂波对消凸显并检测动目标没有利用干涉相位信息，对目标速度及位置进行估计,对消后幅度大小正比于目标径向速度,80,三、SAR典型应用,1 干涉,1.3 SAR/GMTI,ATI,DPCA,某一距离单元干涉相位分布,杂波,运动目标,运动目标,81,FSAR近实时交通控

16、制图,82,FSAR近实时交通控制图（放大）,83,Terra-SAR交通控制图,84,ESAR水流监测图,85,三、SAR典型应用,1 干涉,1.3 SAR/GMTI,洋流监测,海岸警戒,冰川移动监测,交通控制,军事上常用来对敌运动态势监视,86,三、SAR典型应用,1 干涉,1.4 DInSAR,地表运动或沉降引起的位移形变,87,三、SAR典型应用,1 干涉,1.4 DInSAR,特点：,没有DEM数据的情况下，至少3个航过的复图像,复图像间获取时间间隔长,适合处理线性形变，可估算形变率,非线性形变估计依然是个难题,88,三、SAR典型应用,1 干涉,1.4 DInSAR,89,三、SA

17、R典型应用,1 干涉,1.4 DInSAR,90,三、SAR典型应用,1 干涉,1.4 DInSAR,德国柏林地形沉降检测，10年,91,92,93,94,三、SAR典型应用,2 极化（PolSAR）,反射,折射,体散射,极化散射矩阵,散射方程,95,三、SAR典型应用,极化散射矩阵与目标特性相关,表面粗糙度土壤水分农植物涨势地表斜度冰层厚度,散射幅度幅度比值相对相位角地表斜度极化相干性,目标特性,极化散射特性,2 极化（PolSAR）,96,三、SAR典型应用,极化SAR处理流程,图像预处理（相干斑抑制）,极化散射矩阵（目标极化分解）,极化分类,四个极化维图像,分类结果,2 极化（PolSA

18、R）,97,98,99,三、SAR典型应用,农作物生长监测,大气水文监测,森林监测,冰川分布监测,地质分布监测,地物地形图制作,人工探矿,军事上，目标极化分类识别：反隐身、隐蔽伪装揭示,2 极化（PolSAR）,100,三、SAR典型应用,3 极化+干涉（PolInSAR）,联合利用目标的极化（PolSAR）和高程信息（lnSAR）,优势：可将同一高度上的不同目标在极化特性上进行分辨,101,102,一、SAR发展回顾二、SAR基本概念三、SAR典型应用四、SAR技术热点,提纲,103,1.双多基地SAR2.宽测高分SAR,四、SAR技术热点,104,1 双多基地SAR,四、SAR技术热点,优

19、点：,反隐身,低成本,高安全,高可靠,高性能,易组网,105,1 双多基地SAR,四、SAR技术热点,系统实现难点：三大同步问题（时间、空间、相位）,亟待解决的难题：,分辨理论不完善,模糊理论不成熟,针对具体构型的高效成像算法缺乏,针对不同构型的在线同步技术研究不够,106,1 双多基地SAR,四、SAR技术热点,现状：机载+机载,ESAR(DLR)+Ramses(ONERA),107,1 双多基地SAR,四、SAR技术热点,现状：机载+星载,TerraSAR+FSAR,2007年,108,1 双多基地SAR,四、SAR技术热点,单基地SAR,双基地SAR,光学图片,109,1 双多基地SAR

20、,四、SAR技术热点,单基地SAR,双基地SAR,光学图片,110,1 双多基地SAR,四、SAR技术热点,现状：机载+星载,TerraSAR+TanDEMSAR,2010年,111,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,为什么随着分辨率的增加而测绘宽度却在减小呢？,112,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,传统SAR存在的矛盾：,高方位分辨率与大的测绘宽度,方位向分辨率：,平台航向速度,方位向多普勒带宽,脉冲重复频率,距离向测绘宽度：,光速,发射脉冲宽度,增加方位分辨率-加大脉冲重复频率,增加距离向测绘宽度-减小脉冲重复频率,113,2 宽测高分（DBF-SA

21、R）,四、SAR技术热点,传统SAR:相控阵天线,加权合成,SAR成像处理,DBF,SAR成像处理,DBF-SAR:数字相控阵天线,缓解思路：数字波束形成SAR,114,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,形式1：阵列天线，接收波束形成,距离向发射宽波束,115,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,形式1：阵列天线，接收波束形成,距离向波束形成载波束,116,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,形式2：阵列天线+馈源（发射扫描）,117,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,形式2：阵列天线+馈源（发射扫描）,阵列扫描形成宽测绘带,

22、118,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,形式3：阵列天线+馈源（接收扫描）,119,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,形式3：阵列天线+馈源（接收扫描）,阵列扫描形成宽测绘带,120,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,DBF-SAR其他优点：,利用收/发DBF-SAR技术可实现3D下视成像,具备多模式多任务同时工作能力,自适应波束形成对抗各种电子干扰能力,121,2 宽测高分（DBF-SAR）,四、SAR技术热点,DBF-SAR难点技术：,数字T/R组件,多通道数字化接收技术,高速大容量数据传输技术,集成一体化收发通道设计技术,高性能软件化信号处理机,122,鸣谢,本报告完成过程中，参考了以下作者的报告，在此表示感谢！,Paco Lpez-Dekker，Introduction to SAR I，II,PECS SAR Remote Sensing Course,2011,Szeged,Robert M.ODonnell，Synthetic Aperture Radar Lecture,IEEE New Hampshire Section,2013,123,谢 谢！,