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微波遥感技术和应用机械工程学院机械设计制造及其自动化张霁1005040221一、遥感技术的介绍遥感技术是20世纪60年代兴起的一种探测技术，是根据电磁波的理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术。
目前利用人造卫星每隔18天就可送回一套全球的图像资料。
利用遥感技术，可以高速度、高质量地测绘地图。
它好比孙悟空的一双火眼金睛，能从云朵上看清万物根本面目，从高空感知地下和海底的宝藏。
二、微波遥感的定义运用波长为1～1 000mm的微波电磁波的遥感技术。
包括通过接收地面目标物辐射的微波能量，或接收遥感器本身发射出的电磁波束的回波信号，根据其特征来判别目标物的性质，特征和状态，包括被动遥感和主动遥感技术。
微波遥感对云层、地表植被、松散沙层和冰雪具有一定的穿透能力，可以全天侯工作。
微波遥感是传感器的工作波长在微波波谱区的遥感技术，是利用微波投射于物体表面，由其反射回的微波波长改变及频移确定其大小、形态以及移动速度的技术。
常用的微波波长范围为0. 8～30厘米。
其中又细分为K、Ku、X、G、C、S、Ls、L等波段。
微波遥感的工作方式分主动式（有源）微波遥感和被动式（无源）微波遥感。
前者由传感器发射微波波束再接收由地面物体反射或散射回来的回波，如侧视雷达；后者接收地面物体自身辐射的微波，如微波辐射计、微波散射计等。
三、遥感技术的发展史遥感是以航空摄影技术为基础，在20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。
开始为航空遥感，自1972年美国发射了第一颗陆地卫星后，这就标志着航天遥感时代的开始。
经过几十年的迅速发展，目前遥感技术已广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等领域，成为一门实用的，先进的空间探测技术。
1、萌芽时期1608年制造了世界第一架望远镜。
1609年伽利略制作了放大三倍的科学望远镜并首次观测月球。
1794年气球首次升空侦察。
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。
第一章测试1.世界上第一颗雷达卫星Seasat是哪一年发射成功的 ( )。
A:1972B:1982C:1978D:1957答案:C2.中国高分3号雷达卫星空间分辨率最高可以达到 ( )。
A:2米B:5米C:3米D:1米答案:D3.发展和设计合成孔径雷达SAR系统，从分辨率指标上提高了雷达成像的（）。
A:方位向分辨率B:辐射分辨率C:距离向分辨率D:光谱分辨率答案:A4.ERS-1雷达卫星采用的是（）波段A:CB:LC:XD:P答案:A5.Radarsat-1雷达卫星方位向分辨率最高可以达到（）A:1米B:10米C:3米D:2米答案:B第二章测试1.蝙蝠在洞穴中飞来飞去时，它利用超声脉冲导航非常有效，这种超声脉冲是持续1 ms或不到1 ms的短促发射，且每秒重复发射几次．假定蝙蝠的超声脉冲发射频率为39 000 Hz，在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑的期间，则下列判断正确的是( )A:蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于墙壁接收的频率B:墙壁接收到的超声脉冲频率等于39000 HzC:蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于39000 HzD:蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于墙壁接收的频率答案:A2.关于电磁波，下列说法中正确的是（）A:均匀变化的电场产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生均匀变化的电场B:电场不一定能产生磁场，磁场也不一定能产生电场C:电磁波在真空中的传播速度与电磁波的频率有关D:稳定的电场产生稳定的磁场，稳定的磁场产生稳定的电场答案:B3.电磁波天线是利用电磁波哪种特性制成的（）A:相干性B:绕射C:衍射D:叠加答案:A4.电磁波进入两个介质表面时（）A:只会产生反射波B:只会产生折射波和散射波C:只会产生散射波D:会产生反射波、折射波和散射波答案:D5.电磁波散射的能量与（）有关A:地面反射率B:分界面相对于入射波长的粗糙程度C:分界面的几何尺寸D:地面温度答案:A第三章测试1.下列说法不正确的是（）。
侧视雷达图像的几何变形分析 侧视雷达图像的构像方程普通几何校正方法和利用雷达模拟图像的方法 利用构像方程的几何校正方法第五章微波图像的几何纠正①等效中心投影雷达影像比例尺是变化的，取平均比例尺框幅影像比例尺各处一致，假定同时观测微波图像的几何纠正5.1侧视雷达图像的几何变形分析1. 斜距投影变形微波图像的几何纠正①等效中心投影x ：方位向y ：距离向dr ：拂掠延迟5.1侧视雷达图像的几何变形分析1. 斜距投影变形微波图像的几何纠正v 阴极射线管上亮点的扫描速度C 为雷达波在空间的传播速度H 是传感器高度f为等效焦距λ影像平均比例尺2v f C H=真实孔径雷达：②等效焦距5.1侧视雷达图像的几何变形分析1. 斜距投影变形λ=SAR 等效焦距计算？对于SAR影像来说，由于无法得到精确的等效焦距，所以该方程是SAR近似构像方程，一般用于精度要求不高的地区影像的几何纠正。
②等效焦距1. 斜距投影变形∵斜距为R p = H / cos θy p = λR p = λH / cos θ= f / cos θ地面点P 在等效的中心投影图象oy ′上的成像点p ＇的坐标为y p ＇= f tg θ③变形误差雷达图象坐标和等效中心投影图象坐标间的转换关系y p = ( y p '/ tg θ) / cos θ= y p'/ sin θ= y p'/ sin [ arctg ( y p'/ f )]y p '= f sin θ/ cos θ= y p sin θ= y p sin [ arccos ( f / y p )]斜距投影的变形误差为dy = y p -y p'= f ( 1/ cos θ-tg θ) = y p {1 –sin [ arccos ( f / y p )]}微波图像的几何纠正5.1侧视雷达图像的几何变形分析y p = λR p = λH / cos θ= f / cos θ微波图像的几何纠正5.1侧视雷达图像的几何变形分析2.地形起伏影响S fy drpH2.地形起伏影响没有地形起伏时P 点坐标有地形起伏时则图像上的变形为这里只是将地面点投影到大地基准面上分析投影差而地面点（在基准面上）还有斜距投影差（与等效中心投影之差异）整个的投影差还须考虑斜距投影差。
sar干涉测高的原理
SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）干涉测高原理基于雷达技术，在大范围上实现对地表高程变化的测量。
其原理主要包括以下几个步骤：
1. 雷达发射和接收：SAR雷达在飞行器上或卫星上安装，通过电磁波发射天线向地面发射脉冲信号，然后同时接收反射回来的波束。
2. 脉冲信号处理：接收到的信号经过放大、滤波等处理后，得到有关地表反射率、幅度、相位等信息。
3. 干涉处理：将两次不同时刻的雷达数据进行干涉处理，通过比较两次接收到的信号相位差异，得到地表上目标的高程变化信息。
4. 相位解缠：由于多普勒效应，地面散射体的速度会对相位进行调制，需要对相位进行解缠处理，以获得完整的高程信息。
5. 高程计算：根据解缠后的相位信息，结合雷达的几何参数以及地球自转等因素，计算出地表上的高程信息。
SAR干涉测高原理利用雷达的干涉技术，通过比较两次雷达数据的相位差异，从而实现对地表高程变化的测量。
该原理具有高精度、多时相观测、全天候能力等优点，在地质测绘、城市规划、地质灾害监测等领域具有广泛的应用。
1． 微波遥感的优势与不足？优越性1．微波能穿透云雾，雨雪，具有全天候工作能力2．微波对地物有一定的穿透能力3．微波能提供不同于可见光和热红外遥感所能提供的某些信息4．微波遥感的主动方式可进行干涉测量。
不足1．雷达传感器的空间分辨能力比可见光和近红外传感器低2．其特殊的成像方式使得数据处理和解译相对困难3．与可见光和红外传感器数据不能在空间上位置一致2．电磁波的干涉：有两个（或两个以上的）频率，振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁 波在空间叠加时，合成波振幅为各个波振幅的矢量和。
因此，会出现交叠区某些地方振动增强，某 些地方振动减弱或完全抵消现象，这种现象称为电磁波的干涉3．电磁波的衍射：如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大小的障碍物上，将会有一部分波从 障碍物边界外通过。
这部分波在超越障碍物时，会改变方向，绕过边缘到达障碍物后面，这种使一 些辐射量发生方向改变的现象称为电磁波的衍射4．电磁波的极化：波的极化是指在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性。
用电 场强度矢量的端点在空间描绘出的轨迹来表示。
如果这种变化具有确定的规律，就称为极化电磁波5．微波的主要大气效应（1）一般来说，电磁波波长越短（频率高），大气衰减越显著，相反，波 长越长（频率低），大气衰减可忽略（2）大气对微波的衰减作用主要有：1．大气中的水分子和氧 分子对微波的吸收2．大气微粒对微波的散射（微粒直径<波长，发生瑞利散射；微粒直径>波长， 发生米氏散射）3．随波长的减小，云层微粒与雨滴微粒对微波的衰减也变得愈发显著1．微波散射计：是一种有源微波遥感器，功能是测量地物表面（或体积）的散射或反射特性2．微波高度计：高度计是一种主动式微波测量仪，具有独特的全天时，长时间历程，观测面积大， 观测精度高，时间准同步，信息量大的能力和特点、3．真实（合成）孔径雷达：运动平台携带真实孔径天线从空中掠过，由天线向平台的一侧或两侧发 射波束并扫描地面。
SAR合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar)，是采用搭载在卫星或飞机上的移动雷达，达到大型天线同样精度的雷达系统。
通过不同时间的2次SAR的观测资料，通过干涉分析，可以高精度地测定一个区域内的形变情况。
InSAR成孔径雷达干涉测量技术（INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar；简称：干涉雷达测量）是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术。
D-InSAR差分干涉雷达测量（D-InSAR）技术是利用同一地区的两幅干涉图像，其中一幅是通过形变前的两幅SAR 获取的干涉图像，其干涉相位只包含地形信息，另一幅是通过形变前后两幅SAR 图像获取的干涉图像，这两幅SAR 图像所形成的干涉纹图的相位既包含了区域的地形信息，又包含了观测期间地表的形变信息,其中由地面高程引起的干涉条纹与基线距有关，而由地面变化引起的干涉条纹与基线距无关，所以我们可以通过两幅干涉图差分处理将地形干涉相位去除掉，来获取地表微量形变。
RFM是Rational Function Model的缩写,它是一种普遍适用的恢复遥感影像成像几何关系的模型,它几乎可以表述现有的全部传感器类型,用户可以直接使用RFM进行摄影测量处理,而无须知道传感器类型、传感器物理模型及影像处理过程。
发展以光学机械为主要标志的传统测绘技术体系是20世纪测绘业的主要技术支撑。
为了取得数据,野外测量人员要肩扛背负几十斤重的仪器,奔波在崇山峻岭、戈壁沙漠中。
早期的线划测绘图利用手工和模拟的机械绘制,不仅耗时费力,而且质量不高。
而数字化测绘体系体现在整个测绘作业、生产和服务的流程中,实现数据获取与采集、加工与处理、管理和应用的数字化。
产品形式也从传统的纸质地图变成了4D产品,即数字高程模型(DEM)、数字线划地图(DLG)、数字栅格地图(DRG)和数字正射影像地图(DOM),这是对传统测绘生产流程的一次革命。
微波遥感和成像侧视雷达工作基本原理概述微波遥感和成像侧视雷达是两种常用的遥感技术，它们通过利用微波的特性来获取地球表面信息。
本文将介绍微波遥感和成像侧视雷达的工作基本原理。
一、微波遥感的工作原理微波遥感是利用微波信号对地球物体和环境进行探测和测量的一种技术。
微波遥感系统由微波源、发射器、接收器和数据处理系统等组成。
1. 微波源微波源是产生微波信号的装置，常见的有微波发射机、毫米波源等。
微波源将电能转化为微波能量，并通过天线辐射出去。
2. 发射器发射器是将微波信号传输到目标物体的装置。
它可以调节微波信号的频率、幅度和极化等参数，并将微波信号辐射出去。
3. 接收器接收器是接收由目标物体反射回来的微波信号的装置。
它可以接收微波信号的幅度、相位和极化等信息。
4. 数据处理系统数据处理系统对接收到的微波信号进行处理和分析，从中提取出地球物体的特征信息。
常见的处理方法有滤波、解调、调幅和解调等。
二、成像侧视雷达的工作原理成像侧视雷达（InSAR）是一种利用雷达波束和合成孔径雷达（SAR）数据生成地表高程和表面形变等信息的技术。
1. SAR数据采集SAR是一种全天候、全时序、全天时的遥感技术。
它通过发射和接收脉冲雷达波束，测量地表物体的反射回波。
2. SAR数据处理SAR数据处理主要包括预处理、图像生成和解译等步骤。
预处理用于去除图像中的噪声和干扰，图像生成则是从原始数据中合成出高质量的成像结果。
3. 多幅SAR图像融合成像侧视雷达通过将多幅SAR图像进行融合，可以获取地表高程和形变等信息。
这是通过计算不同时间和角度下的雷达干涉图生成的。
4. 数据解译融合后的数据可以利用地表参考点进行几何校正和高程校正，进而得到具体的地表高程和形变等信息。
总结微波遥感和成像侧视雷达是两种常用的遥感技术，它们利用微波信号对地球物体和环境进行探测和测量。
微波遥感通过微波源、发射器、接收器和数据处理系统等装置，获得地球物体的特征信息。
SAR干涉测量
Ground range Slant range Azimuth
A n
t e n
n a
f o o
t p r
i n t
S t r i p-m
a p
S a te ll it e o rb it
1
S a te ll it e o rb it
2
Interferometer
Baseline
Perpendicular Baseline
Interferometric system: bistatic (SRTM 2000)
y (ground range)
z
S 1
r
θ
H
S 2
P
)
exp()(0t j t u ω−c P r P r t n P j t j t u P s s /))()(()
())(exp())(exp()()(11111011r
r r
r +=+−−−∝τϕτωτc
P r P r t n P j t j t u P s s /))()(()
())(exp())(exp()()(21222022r
r r
r +=+−−−∝τϕτωτ
The SAR interferogram is generated by:
multiplying pixel by pixel the first SAR image times the second one complex conjugated.
Thus, the interferogram amplitude is the amplitude of the first image times that of the second one.
Whereas its phase (called interferometric phase) is the phase difference between the two images.
由于入射角的差异使得两幅图像不是完全重合，对它们进行配准处理后，配
SAR interferometric phase: geometric
contribution
SAR interferometric phase: geometric contribution Azimuth
S l a n t r a n g e
B r 1
r 2
A
z i m u t h G r o
u n d r a n g e
B n
r
Phase ∆≈
λ
π
4
Mt. Vesuvius, baseline 250 m.
Mt. Vesuvius, baseline 50 m.
S l a n t r a n g e
Azimuth
The role of the normal baseline The role of the normal baseline S l a n t r a n g e
Azimuth
Bn =250
The normal (or perpendicular) baseline is a key
parameter in SAR interferometry
The normal (or perpendicular) baseline is a key parameter in SAR interferometry Bn =50
⊥
−
=∆B R z 0
2sin 2
θλπ
辅图像SLC
主图像SLC
DEM
数据选择的原则：基线距与时间相干
⎪⎧
≤≤1
0,)sin(sin r µπµ距离向配
方位滤波前后方位频谱对比（a）主像滤波前；（b）辅图像滤波前；（c）主图像滤波后；（d）辅图像滤波后
A “cleaned”interferogram is achieved by averaging in areas of uniform phase. SNR improves ∝the number of looks. Usually the averaging window is adaptive.
Noise sources in interferometry
干涉相干
All images from Space Shuttle (SIR-C) span Apr-Oct
From: Rosen et al., 1996
干涉纹图干涉相干图Amplitude Phase Coherence
hundred of meters). Coherence maps cannot measure this noise.
Atmospheric artifacts can be up to two fringes. This is converted in elevation error, depending on the baseline. The error cannot be
estimated or recovered.
Atmospheric artifacts
Etna Atmospheric artifacts can be detected in a multi-baseline environment, since atmosphere is incorrelated in time.
Paris (+ reflectivity)
利用枝切法设置的枝切线
干涉纹图与利用Goldstein 算法得到的解缠结果
-3-2-10123-3-2-10
1230
10
20
30
40
50
-3
-2
-1
1
2
3
Original phase Irrotational phase
Rotational phase Unwrapped irr. phase
（a) 513×513的干涉纹图；(b)基于FFT的无权重的最小二乘算法相位解缠结果；(c)相干图；(d) Goldstein枝切法相位解缠结果
实验区1:50000地形图地理编码后的数字高程模型
新疆卡拉喀什地区三维透视图
三维透视图
±6m 90% vertical error
vertical accuracy (relative)
±16m 90% vertical error vertical accuracy (absolute)±15m 90% circular error horizontal accuracy (relative)±20m 90% circular error horizontal accuracy (absolute)16-bit Signed Integer Data format
WGS84 or MSL (optionally)Datum (vertical)WGS84
Datum (horizontal)1m Height levels 1"x1" Lon& Lat Raster size SRTM DEM Product
Salt Lake City, Utah
差分干涉测量。
