2.3 微波遥感基础原理
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§2.1 微波遥感物理基础
§2.2 真实孔径雷达基本原理§2.3 SAR系统基本原理
§2.4 SAR影像的主要特性
真实孔径雷达的分辨率
C τ
C τ
ΔR r = ΔR g = (斜距分辨率) 2
(地距分辨率) 2 cos β
ΔL = βR = λR d (方位向分辨率)
=
λH d sin β
<==
波束之脉冲时间 τ 越小，距离向分辨率越高，但 τ 太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比
脉冲压缩技术
理论上增加孔径 d 就可以提高方位向分辨率，但实际上难以实现，因为孔径的大小决定了天线几何尺寸的大小
合成孔径技术
<==
1 SAR工作原理
2 SAR分辨率
3 聚焦补偿
4 脉冲压缩原理
5 多普勒频移与方位压缩
6 SAR图像的成像
SAR的出发点
• SAR通过飞行平台的向前运动实现合成孔径。
利用天线的移动，可以将小孔径的天线虚拟成一个大孔径的天线，可以获得类似大孔径天线的探测效果
• 地物对雷达发射的信号散射后会返回包含有地物信息（反射特性等）的信号
• 如果雷达天线是固定不动的，则只能接受到一小部分从地物返回（后向散射）的信号
• 如果雷达是快速移动的，就有可能收集到从地物后向散射到各个方向的信号，获得的信息量大为增加
用一个小天线沿一直线方向不
断移动，在移动中每一个位置
发射一个信号，接收相应发射
位置的回波信号，同时存储相
位和振幅。
天线移动了一段距
离L之后，存储的信号和长度
为L的天线阵列所接收的信号
非常相似
SAR在不同位置接收同一地物
的回波信号，真实孔径雷达则
在一个位置上接收目标的回波SAR工作过程
SAR在每一个位置都记录回波信号，针对同一地物，目标和飞行器间距离不同、相位不同、强度不同，此外还要产生多普勒效应，频率也会发生变化
处理器针对不同的相位进行相移补偿（聚焦补偿，补偿不同位置之间的相位差异），再将每个位置接收的信号叠加起来，就形成了最终的合成孔径雷达信号
两种天线接收
信号的相似性
3
4 1 2 SAR 多次成像分解示意图
Through the moving of antenna along a line, image a scene for a number of times.
通过沿着一条直线移动天线，对同一地物多次成像
Synthesize the multiple imaging data of a scene to one image.
把同一地物的多次成像合成为一幅图像
Equivalent to “enlarge” the antenna, forming a very long antenna and thus improving the azimuth resolution.
等效于增大天线，形成一根很长的天线，从而改善分辨率
合成孔径大小要求
实际波束宽度：
实际分辨率：
(合成孔径长度)
合成波束宽度： 合成分辨率：
d
λβ=s L
R L ==∆βd
R L s s 22⋅==λβ2
d R L s s ==∆β
SAR方位向分辨率
距离向分辨率
与真实孔径雷达相同
方位向分辨率
只与真实孔径大小有关
β
τ
cos
2
c Rr=
2
d Rs=
Antenna length : L=10 m Typical range : 计算合成孔径、距离向/方位向分辨率 km 85323cos /== sat H R m 25)
23sin(1055.152103sin 268=⨯⨯⨯== θR r B c R Ground range resolution: km 510/056.0853000≈⨯==D
R R λβAzimuth resolution:
D Example: ERS-1/-2 SAR Resolution Synthetic antenna:
For ERS-1/2, a 10m antenna is used to synthesize a nearly 5 km antenna.
About 1000 radar images are used to get one SAR image.
RAR Vs SAR
Real Aperture Radar Synthetic Aperture Radar (Crimea, Ukraine)
5x14 km pixels 4x20 m pixels
SAR工程应用问题
聚焦补偿
随着平台的前进，平台和目标之间的相对位置关系会
，…，X N各个位置接受到从P点回发生变化，X1，…，X
i
来的信号的延迟或相位不同，需要进行补偿（聚焦处理）
聚焦
天线距离变化
聚焦标准
相干求和
问题：波束的脉冲时间τ越小，距离向分辨率越高，
但τ太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比
解决方法：
采用功率大的宽脉冲进行线性调频调制(啁啾, chirp)
后发射，对接收的微波用具有相反频率特性的匹配滤波器(matched filter)滤波，用假设的窄脉冲宽度得到大输出即：使接收的低频微波在滤波器上有较大的延迟，使高频微波有较小的延迟，从而把接收的微波信号作为脉冲宽度很小的被压缩信号提取出来
脉冲压缩(pulse compression)，解线性调频调制(de-chirping)
在脉冲宽度τ的时间内，通过脉冲压缩和频率∆f 调制，振幅为原来的(τ∆f )1/2倍，脉冲宽度为原来的1/(τ∆f )倍，因此，随着∆f 的提高，距离分辨率和信噪比也提高 脉冲压缩原理 距离压缩
来自两个相
邻目标的回
波可能重叠，
但重叠区中
两个回波在
某一时刻的
频率不同，
也能被分开
在返回的脉冲上还会产生由多普勒效应引起的频率偏移（Doppler Shift），这种偏移等效于线性调频调制，利用这个特性，在接受端设置具有逆特性的匹配滤波器，就可以改善方位向的分辨率。
1
4
多普勒频移
利用多普勒效应的SAR成像原理
方位压缩
多普勒频率
合成孔径雷达得到的原始数据还不能叫做图像,只是一组包含强度、相位、极
化、时间延迟和频移等信
息的大矩阵,叫做(原始)信号数据(Raw Signal Data)
从信号数据到图像产品,要经过复杂的步骤
把方位向上分布记录的地表某点的接收信号压缩到一点的处理过程叫方位压缩；距离压缩时参考函数是与发射波复共轭的信号，方位压缩时参考函数是与多普勒效应引起的线性调频信号的复共轭信号；为高速处理，在频率域进行参考函数的互相关处理
多视：用平均法减低相干观测系统上特有的乘性随机噪声光斑(speckle)；把合成孔径长度分
为N个区间，每个区间内方位压缩后相加平均，N为视数
SAR图像成像
SAR图像还原处理过程示意图
距离徙动(range migration)：随平台的移动，地表某点斜距
以时间的二次函数关系变化；
一次项叫距离游动(range walk)，由地球自转引起；二
次项叫距离弯曲(range curvature)
距离徙动校正：将距离徙动影响的地表某点的信号纠正到一
条直线上
SAR成像几何参数
（1）入射角ϕ和局部入射ϕ
l （2）视角θ
（3）俯角θ
d
高分机载PolSAR影像实例
全极化高分辨率机载SAR的
影像实例
From EMISAR, Danish Center for Remote
Sensing, Technical University of Denmark
It is a Full Pol., L/C band airborne SAR
SAR天线安装在吊舱中，用球面近场天线测量设备进行校准。
Total length 4.6 m
and weight 165 kg.
EMISAR at work
EMISAR is a SAR developed and constructed by EMI
scientists and technical staff for remote sensing applications.
When needed it is mounted on a Danish Air force Gulfstream
Copenhagen,
Denmark
Scene Center:
55o 40' N 12o35' E
Scene id:
fl043_m1031_cph
Acquisition date:
June 19th, 1996
Acquisition mode:
Fully polarimetric
C-band.
Water/bridge scene, Storebælt, DK Acquired: June 19th 1996.
Scene center: 55o19' N 10o57' E
Scene id: fl043_m1048_storebaelt。
