第二讲 SAR原理在线视频

各位同学 大家好

我是来自于中国农业大学的李俐

今天由我带领大家继续一起来学习

SAR原理

什么是SAR呢

SAR是合成孔径雷达英语首字母的缩写

所以为了搞明白SAR的原理

我们主要将从三个方面

给大家进行讲解

首先讲一下“雷达”它的概念

然后我们讲一下合成孔径雷达

它的工作原理

第三部分我们将讲一下

合成孔径雷达的主要参数

下面我们首先说第一个问题

雷达的概念

什么是雷达呢

雷达我们知道是radar

英语单词的英译发音

radar对应的是

radio detection and ranging

这三个主要单词

它的首字母的缩写

Radio 我们知道就是无线电

这里的无线电当然就对应

我们之前讲的微波

detection and ranging

实际上是用微波要做的一件事

也就是测距和相应的探测

我们知道微波遇到

和它波长相当或者大于波长的障碍物

就会产生反射、绕射等等

那雷达正是利用这种特性来

进行地物的一些探测

它是一种主动微波传感器

所以我们说

雷达它是通过辐射电磁能量

并且检测反射回来的能量

来检测目标的设备

电磁波我们都知道

它可以数学抽象表示成一个三角函数

因此我们就可以假设

雷达发射的正弦信号

s_t=Asin(ωt+φ)

这里我们看到有三个影响信号的参数

分别是A对应信号的幅度

w对应信号的频率

还有φ对应信号的相位

我们回波信号是对发射信号的反射

所以

R_t=A'sin(ω'(t-τ)+φ')

也就是说这三个参数都可能有修正

除了这之外 它还会产生一个时延

雷达正是通过检测

这三个参数的变化来检测目标的

比如说A变到A’

发生了幅度变化

这幅度变化呢

我们通常雷达截面积

或者说散射系数的一个体现

而相位φ便成了φ’

这种变化是反应起来

就是目标与雷达的距离

还有就是频率

w变成了w’

当然这种变化不见得是必须变的

一旦发生这种变化

我们知道是

由于目标有相对于传感器的运动

也就是由速度引起的这种变化

除了这三个参数之外

我们把所有的回波信号当成

一个总的特征

得到图像的时候

我们根据图像也能够得到

目标的形状的一些特性

或者我们根据目标的散射

能得到散射特性的一些变化

所以根据雷达的这些指标

我们就可以看到雷达的探测能力

比如说我们根据有无回波

那我们就知道远处有没有目标

根据回波的强弱或者

前面我们说的雷达截面积的大小

我们就可以判断出来这个目标的大小

另外我们根据天线的指向

判断目标的方向

或者根据回波延迟时间

能够判断这个目标到底离我们有多远

此外像我们可以根据

多普勒频率的变化来确定一下

目标的速度

根据回波极化成分的变化

判断一下地物的极化特性等等

能够成像的雷达

我们就称之为成像雷达

机载的雷达或者是星载的雷达

它实际上是通过发射信号获取信号

然后再往前走到下一个时刻

再发射信号 再获取信号

来获取地面上的不同位置的数据

不断获取 不断更新

得到一个完整的图像

所以对于星载或者机载雷达来说

信号实际上包含两个方向

一个是发射信号

接收信号的时候

根据回波时延的变化确定距离

这是距离向

另外一个是方位向

方位向当然就是

这个时刻发了一个信号

下一个时刻又发了一个信号

这两个不同时刻之间

它对应的这个位置就是方位向

因此雷达的分辨率对应的也有

距离向分辨率和方位向分辨率

所谓的距离向分辨率当然是在不同距离上

两个目标A和B能够离开的最近的距离

所谓离得最近怎么样

定义最近就是说离得最近

而我又能把这两个目标分辨出来

在这种情况下

AB最近的距离对应的就是距离向分辨率

我们刚才说了距离向

实际上我们是根据回波的先后或者是

时延差来决定这个他们的距离的

所以假设我们的测量时间差是△T

这两个目标的距离差对应的是D

这时候如果第一个回波是这样的

第二回波紧挨着就来了

离的时间△T很近

这时候两个目标就会重叠在一起

无法进行分辨

能够区分开来的D应该为多少

我们一起来分析一下

这实际上就对应的是距离向分辨率

假设发射信号的脉冲宽度为τ

为了避免两个反射信号混叠在一起

我们就需要这两个目标对应的回波信号的

时延差的△T必须大于等于τ

前面我们假设了

△T对应的两个目标的距离为D

那就有△T等于2D/C

为什么有这个2呢

这是考虑了信号发射再回来双程的影响

那C对应的是光速

我们知道电磁波的运动速度

我们可以假设为光速

因此就应该等于C△T/2

因为我们要求△T必须大于等于τ

因此就有D要大于等于之Cτ/2

我们可以看到D最小

它应该等于Cτ/2

这就对应距离向分辨率

这里我们举个例子

假如说脉冲宽度T等于1微秒

带入上面的公式

大家可以算出来

距离向分辨率ρ_r就应该等于150米

150米是个什么概念呢

大家可以想象一下

这个是一个比较大的尺度了

对于很多具体的应用

特别是我们农业上的应用来说

这个分辨率不是很理想

假如说我们要分辨出来

地面上距离为一米的不同的物体

或者说我们希望距离向分辨率ρ_r等于1米

我们需要多大的τ带入上面的公式

我们可以算出来

这时候τ等于6.6纳秒

6.6纳秒是个什么概念呢

大家可以想象一下

这真正是转瞬即逝

在发射机接收机的时限上是很难实现的

对发射机和接收机提出了很高的要求

因此 我们可以看到

为了得到

比较高距离向分辨率的雷达图像

我们就需要比较窄的脉冲宽度的信号

这个实际上对发射机和接收机都提出了

比较高的要求

有时候实际上是不易实现的

所以人们就在想

既然发射机和接收机硬件不太好实现

我们能不能通过数字信号处理的办法

后期获得窄带信号

这个实际上就是

我们现在用的脉冲压缩的方法

通过后期的脉冲压缩技术

把原来比较宽的脉冲

给它压缩成比较窄的脉冲

从而提高了距离向的分辨率

当然这里涉及到比较多的

数字信号处理的东西

所以关于脉冲压缩的具体原理

我就不在这里详细的给大家讲述了

经过脉冲压缩之后

假如我们脉冲压缩比

我们定义一个脉冲压缩比K

这个k呢

实际上经过信号处理里头的推导

我们发现它等于BT

这个B对应的是信号的带宽

T对应的时间 信号的时间

所以K等于BT实际上对应的是

时间带宽积

有了压缩比之后

大家就可以想象一下

我们原来时延是τ经过压缩之后

就变成了τ/K

所以距离向分辨率就变成了

ρr等于Cτ/2K

K也就是C/2B

到了这里大家就可以看出

距离向分辨率

经过脉冲压缩技术之后

它只和信号的带宽有关

所以我们增大信号发射的带宽

就可以有效地提高距离向的分辨率

这个在信号处理里头是比较

容易实现的

对发射机和接收机的要求

就大大降低了

这里我们同样举个例子来看一下

脉冲压缩之后

这个距离向分辨率它的变化

比如说我们采用的τ是1微秒

B对应的带宽是150兆赫兹

这个K等于BT就应该等于150

ρr带进上面的公式就是一米

所以大家可以看出距离向分辨率

就得到了有效的提高

下面我们说另外一个方向

方位向的分辨率

方位向的分辨率

我们刚才说的

它是通过发射一个信号

观测地面上的一个物体

然后再往前走

再发射一个信号

观测地面上的另外一些物体

所以它的分辨率

实际上和你发射的信号的波束角

是密切相关的

这样的话大家可以想象一下

假如说这是发射的信号的波束角

这波束角的大小是θ

这个扇形它的半径是R

那我们就可以算得

对应的地面的弧度的长度

它就是ρ_a=θR

实际上对于雷达来说

R就是传感器距离地面的距离

θ如何来定义呢

这里我们假设天线的大小为D

根据天线理论

θ就应该等于λ⁄D

所以我们带入上面的公式

就得到方位向的分辨率

ρ_a应该等于λ⁄D.R

这里我们举个例子

假如说我们发射的是一个

L波段的信号

它的波长是0.24米

天线的大小是10米

传感器距离地面的距离R是600千米

我们代入上面的公式就能够算出来

ρ_a应该是14.4千米

这个分辨率大家可以想象一下

同样是一个很大的分辨率

是满足不了很多应用需求的

因此我们为了提高方位向的分辨率

就需要不断的增加D的大小

而刚才的例子里头

我们可以看到

D已经达到了10米

对于一个天线来说

大家可以想象一下

这个十米其实已经不小了

特别是我们需要把它

放在卫星或者飞机上

进一步增大天线

就会带来很多技术上的问题

怎么办呢

人们就想着真实孔径

我需要不停的增大天线的话

我可不可以把这真实孔径上

这一个比较大的孔径

当成若干个小单元

对每个单元接收回波信号

然后进行合成

同样如果不是一个连续的

我们可以把小孔径天线

在不同的位置上采回波信号

然后进行合成

得到类似于真实大孔径的

这么一个效果

这就是合成孔径雷达的基本思想

下面我们就详细的说

合成孔径雷达它的基本原理

我们说合成孔径雷达

前面也给大家讲了

它称为SAR

这个SAR呢

是合成孔径雷达对应的三个单词

Synthetic Aperture Radar

它们的首字母的缩写

其实从名字上

我们也基本上能看到它的工作原理了

也就是说它的基本思想就是用

一个小天线沿着一个直线不停的移动

在移动的过程中

每个位置上发送一个信号

接收相应的回波信号

把它们存储下来

当天线移动了一段距离LS之后

把所有的存储的长度为LS的

天线阵列的所有的信号进行合成

合成得到的信号就和

真实孔径为LS的大天线

它所得到的天线信号是相似的

合成孔径天线

对同一个地物目标

不是在同一时刻得到一个回波

而是在每个会位置上都要记录

一个回波信号

每个信号由于飞机或者是卫星

飞行器在不停的运动

因此和目标的距离是不同的

反映在信号上就是相位和强度都是不同的

换句话说

我们得到的是一组相干信号

对于这组相干信号

我们经过复杂的处理

就能够得到地面的实际影像

在这种情况下

我们应用了合成孔径技术

合成后的天线孔径

我们说是LS

这个LS和什么有关

实际上根据天线的一些理论

我们发现

假如说这时候天线的

实际孔径大小为d的话

最大的合成孔径LS应该等于

λ/d R

R同样是传感器距离 目标的距离

因此我们把刚才前面对

真实孔径中求方向分辨率的ρ_a里头

D用LS代替

我们就能够得到ρ_a=λ/Ls R

Ls我们刚才又说他等于

λ/d R

所有的代进去之后

再考虑刚才我们说的SAR这种双程效应

我们就得到ρA等于D/2

到了这里大家就可以看到

合成孔径雷达它的方位向分辨率

已经和传感器距离地面的距离无关了

只与孔径的大小有关

并且原来真实孔径里头

方位像分辨率是和孔径D的大小

成反比的

而现在它是成正比的

换句话说

我们要想提高方位相分辨率

只需要缩小孔径就行了

对于在天上飞的机载的或星载的SAR来说

缩小天线孔径比放大天线孔径

要容易得多

这里我们同样举个例子

让大家对合成孔径雷达

对方位向分辨率的提高

有个概念性的认识

我们假设天线孔径是8米

波长呢采用的是4cm波长的微波信号

目标和天线的距离是400千米

在这种情况下

假如说我们按真实孔径雷达

来计算方位向分辨率

我们可以看到

这时候它的方位向分辨率是2000米

如果我采用合成孔径雷达的技术

代入上面的公式

我们得到这时候方位方向分辨率

是8米

所以大家可以看到同样的孔径大小

方位向分辨率由原来的2000米

提高到了8米

有了明显的数量级上的这种提升

所以我们可以看到合成孔径雷达技术

能够有效地提高方位上的分辨率

因此合成孔径雷达是现在

普遍使用的一种雷达技术

关于它的原理

前面我们也进行了一个简单的讲解

实际上关于它的具体原理

有这么几种不同的观点

首先比如说波束锐化的观点

波束锐化的观点实际上是认为

利用了传感器移动

产生的多普勒过程

把天线方位向的波束进行了一个压缩

使它变窄了

另外一种观点就是脉冲多普勒观点

认为是多普勒滤波

来区分了方位向不同位置的目标

还有一种就是我们刚才说的

合成孔径的这种观点

也就是说把运动的小天线

多个运动的小天线组合在一起

合成一个大天线

从信号处理的角度也有

匹配滤波的观点

因为合成孔径雷达里头是通过

用匹配滤波器来实现信号的最佳检测

当然把雷达和光学图像对比

也有人提出了全息的这种观点

认为SAR它就是一种微波全息技术

跟光学中的这种全息照相是相似的

下面我们就一起来看一下

第三个内容

也就是合成孔径雷达的主要参数

因为我们知道雷达是

需要放在卫星或者是飞机上

然后发射信号获取地面信息的

因此它的参数主要包括三个方面

一个是它所在的飞机

或者卫星的飞行参数

这些可能包括比如说所在的高度

星下点的位置 卫星的这种姿态

倾角 成像的具体时间

卫星运行的轨道

还有具体的帧等等

另外一组参数就是

我们说发射的微波信号

它的微波的工作参数

这里包括微波的波长

采用的极化方式

还有我们刚才说的带宽

以及相应信号的入射角 俯角

和它距离地面的斜距

地距等等

另外我们得到的SAR影像对应的影像参数

又包括相应的分辨率

当然了分辨率

前面我们讲了有距离向分辨率

还有方位向分辨率

除了这之外

有时候我们为了均衡的

看这个图像的一些特性

还定义了平均分辨率和体分辨率

下面我们主要讲一下工作参数

首先我们说波长

波长

在我们讲微波的基本概念的时候

就给大家提过

它是一个非常重要的电磁波的参数

对于雷达遥感来说

我们使用的是频率

从0.3G赫兹到300兆赫兹的

这个波段范围内的电磁波

也就是我们说的微波

波长越长

它对地物的穿透能力就越强

比如说对于波长大于两厘米的雷达

它是不会受到云的影响的

我们在雷达频率的选择上

怎么样选择合适的波长呢

这个是需要根据具体的应用

来进行选择的

比如说我们要去观察一些冰雪的识别

这时候实际上是一些小型特征

我们就需要使用一些波长比较短的波

比如说使用X-band的波长的信号

假如说我们要进行地质制图

就需要一些大型的特征

这时候我们就可以考虑

使用波长比较长的一些微波信号

就比如说L波段的信号

假如说我们需要知道

农作物的一些特性

得到叶面的一些渗透

这时候我们最好使用

波长更长的一些微波

比如说P波段的微波

所以大家可以看到波长的选择

还是很有要求的

一般情况下

咱们看到天上发的很多卫星

都采用的是C波段

那C波段实际上是一个折中波段

对于各种应用都可以

怎么合理使用

它得到一些相应信息

所以我们采用

这种折中波段的卫星是比较多的

目前在天上飞的卫星或者是机载的SAR

它常用的波段主要有

P波段、L波段、S波段、C波段、X波段等等

军事领域也有用到K波段的

下面我们说一下SAR的

另外一个参数就是极化

上节课我们在讲微波的时候

给大家提过

微波具有极化特性

当然发射和接收微波数据的SAR

当然它也具有极化特性

假如说雷达作用于地球表面的时候

它的极化方式就可能会发生改变

它是否改变取决于地物的物理和电特性

不管是发射信号也好

还是回来的接收信号也好

他们可能都包含有

水平和垂直两种极化分量

因此我们可以获得

四种模式的极化信号

我们前面提过有同极化的HH的信号

或者是VV的信号

还有交叉极化的HV的信号和VH的信号

在获取不同极化模式的影像的情况下

我们就可以解读出

地物目标的不同极化特性来

所以极化特性也是我们在

微波的影像应用中一个重要的特性

第三个SAR参数就是入射角

所谓的入射角

它实际上对应的是

雷达的波束与垂直地表的直线之间的

这么一个夹角θ

微波和地表它的相互作用是非常复杂的

不同角度的区域会产生不同的回波

一般来说小入射角返回比较强的信号

而随着入射角的增大

这个信号是会逐渐减弱的

所以根据雷达距离地表的

高度情况的变化

入射角我们知道它是

随着近距离的到远距离会逐渐变化

因此它的影像也会产生相应的

这种明暗的这种变化

所以我们后期需要做一校正

这个后面我们会给大家进行讲解

入射角和雷达后向散射系数之间

它有什么样的关系呢

当然不同的应用

我们要选择不同的入射角

来确定地面信号

这里我们给出了一般星载SAR都会给出的

一些卫星参数和工作参数

大家可以看一下这个表

这是一个简单的示例

我们这个表里头给出的是

Radarsat2的参数的情况

所以我们一般看一个星载SAR的时候

都会根据这些参数来确定

它是否适合我们的应用

除了卫星参数

也就是飞行参数和工作参数之外

还有作为整个图像它对应的参数

刚才我们说了最主要的参数就是

分辨率

分辨率前面我们提到有

距离向分辨率和方位向分辨率

我们确切的再定义一下

距离向分辨率

我们是说侧视方向上的分辨率

而方位向分辨率

我们只沿着轨迹行向上的分辨率

也称为沿航迹分辨率

这个距离向分辨率

我们之前讲过

它是通过发射信号再接收信号不同的

地物发射接收之间的时延差来确定

它对应的距离卫星的距离的

这个距离实际上在雷达的应用中

我们通常称为斜距

也就是说斜着的距离

而和地面上对应的距离

我们一般称之为地距

当然我们看图像的时候

可能更习惯的是

已经转换成地面距离的图像

所以后面我们会给大家讲到

拿到雷达图像之后

我们需要把斜距的图像

转化成地距的图像

这就是后面要说的斜地转换

除了我们前面说的距离向分辨率

和方位向分辨率之外

我们还有一个平均面分辨率

和体分辨率的概念

什么是平均面分辨率呢

我们知道根据雷达的工作原理

在距离向上

由于视角入射角的不同

近距离端和远距离端它的分辨率是不一样的

我们如何来衡量分辨率到底好还是坏

常用的就是平均面分辨率

它是把照射带内近端到远端

所有的分辨单元面积进行平均

这就是所谓的平均面分辨率

除了平均面分辨率之外

我们还给出了一个概念体分辨率

这所谓的体分辨率就是指雷达的

空间分辨率和灰度分辨率的一个乘积

灰度分辨率指的是可以分出

两个地物目标的最小的

灰度对比度之差

所以我们体分辨率就是由

灰度分辨率和空间分辨率来

共同决定的

今天的课主要就给大家讲了这些

希望大家对SAR的原理

有一个基本的认识

谢谢大家