SAR原理2005

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,合成孔径雷达原理,2005年6月,合成孔径雷达原理内容,1 概述,2 脉冲雷达原理,3 合成孔径雷达原理,4 合成孔径雷达的基本特点,5 合成孔径雷达系统组成,1 概 述,名 词,雷达,Radar,是 “,Radio Detecting and Ranging,”,即“无线电检测和测距”的缩写,合成孔径雷达,SAR,是,Synthetic Aperture Radar,的缩写,基 本 概 念,雷达,：通过辐射电磁能量并检测反射的能量来检测,目标的,电子设备,（也称,仪器,、,传感器,）,目标,：能反射（散射）电磁能量的物体,检测,：通过检测,雷达回波,信号，获取目标的,信息,：,目标的,强度,雷达截面积,或,散射系数,目标的,方位,目标与雷达的,距离,目标的,速度,目标的,极化特性,目标的,图像,雷达探测能力,目标有无有无回波,目标大小回波强弱（雷达截面积大小）,目标方位天线指向,目标距离回波延迟时间,目标速度多普勒频率和目标方向变化,极化特性回波极化成份的变化,雷达成像成像雷达,雷达简史,1904年,Hulsmeyer,试验用无线电检测障碍物和船只,1922年,A.H.Taylor,和美国海军研究实验室用连续波,试验，检测舰艇和飞机,1925年,Breit,和,Tuve,用脉冲雷达测量电离层高度,1936年,美国海军研究试验室研制成功,第一部脉冲,雷达,并正式运行,1951年6月,C.Wiley,提出“多普勒波束锐化”概念可提高,雷达的角分辨率,1952年3月,Sherwin,等人用机载雷达试验证实,1957年8月,密西根大学与军方合作的,第一个,SAR,系统,获得了第一张全聚焦的,SAR,图像,1978年6月,第一颗,SAR,卫星,“海洋一号”发射成功,电子所,SAR,研究简史,1974,1976,合成孔径雷达调研,1979,机载合成孔径雷达原理样机和光学成像处理器,（中科院二等奖）,1980,机载合成孔径雷达性能样机,1983,单通道机载合成孔径雷达,1987,机载多极化多条带成像合成孔径雷达系统,（中科院一等奖）,1990,多极化合成孔径雷达系统,是“高空机载遥感实用系统”的重要部分,1993,获中科院科技进步奖特等奖,1995,获国家科技进步奖二等奖,电子所,SAR,研究简史,1994,机载,SAR,数字实时成像处理器,（中科院一等奖）,1995,机载,SAR,双极化同时成像和定标,1988,1993,星载,SAR,总体及关键技术研究,1994,1997,-波段星载,SAR,模样机研制,1998,1999,-波段星载,SAR,关键技术攻关,1997,2002,X-,波段,机载,SAR,侦察系统,1999,-波段,SAR,卫星工程,2003,S -,波段,SAR,环境小,卫星工程,2004,Ku-,波段高分辨率无人机载,SAR,系统,2004,X-,波段,SAR,卫星工程,SAR,的特点,成像雷达可得到高分辨率的雷达图像,高分辨率理论分辨率与距离无关,全天候能穿透云雨，在阴、雨天工作,全天时主动式遥感设备，不需光照，能日夜工作,穿透力对植被、伪装及地表层有一定的穿透能力,对飞机、坦克、船舶、导弹等军事目标发现能力很强,对水、陆交界区分能力很强，对海上目标发现能力很强,能清晰地显示地质结构（特别是线性结构）,侧视工作载机可在远离敌方的上空进行侦察,雷达阴影增加区别目标的能力,动目标显示和成像能对运动目标进行显示和成像,干涉,SAR,三维成像能进行地形高度的测绘,合成孔径雷达采用的先进技术, 宽频带天线馈线系统, 宽频带相干发射接收系统, 高稳定度频率基准和高精度时间基准, 脉冲压缩技术（通常使用线性调频技术）, 高速数据采集和格式化器, 高速大容量数据存储器, 高速大容量信号处理器, 系统控制和故障监测（程控、遥控、遥测）, 高精度运动补偿系统（包括天线平台，,IMU,等 ）, 数据压缩技术 (原始数据、图像数据),数据传输,(原始数据、图像数据), 高精度导航及定位技术 （,INS，GPS）, 图像处理和识别等,（黄字部分不含在雷达设备中）,2 脉冲雷达原理,2.1 脉冲雷达测距原理,距离,R,回波,发射脉冲,天线,雷达,飞机,0,t,发射脉冲,回波,2.2 距离向分辨率,不同的距离上有两个目标回波,A,和,B,测量时间差,t,确定两个目标间的距离,d,回波,B,回波,A,发射脉冲,0,0,t,t,a,t,b,雷达的距离分辨率,距离分辨率,R,：,脉冲的宽度 (,3,dB,),脉冲宽度, 1,s,，,距离分辨率,R,150 米,要求距离分辨率,R,1,米， 则,6.6 ns。,提高距离分辨率的方法,1.,减小脉冲宽度,会减小脉冲能量，减小雷达作用距离,减小脉冲宽度,，,提高脉冲功率，技术上实现很困难,增大信号带宽,B ,采用脉冲压缩技术,增大信号带宽可提高距离分辨率（,B = 1/）,同时可增大脉冲宽度，提高脉冲功率，增大雷达作用距离,2.3 脉冲压缩技术,A,B,两个目标,回波,A+B,发射脉冲,回波,A,发射脉冲,回波,B,脉冲压缩后,脉冲压缩技术,脉冲压缩比,kB,时间带宽积,(无量纲数,),脉冲信号带宽,B 1/,距离分辨率,例如：,1s (,微秒)，,B150 MHz (,兆赫),则：,kB150， ,R,1m (,米),提高距离分辨率要求增大信号带宽,2.4 线性调频信号和脉冲压缩,射频脉冲波形,压缩脉冲波形,视频脉冲波形,线性调频信号波形,脉冲压缩信号波形,分辨率,R,主瓣,-,3,dB,宽度,分辨率定义,0,dB,-,3,dB,-,4,dB,脉冲压缩的数学描述,线性调频信号：,解调后视频信号：,脉冲压缩后的波形：,脉冲压缩信号的距离分辨率,定义：,脉冲宽度：,冲击响应半功率,(,-,3,dB),点之间,宽度,距离分辨率 ：,系统冲击响应半功率,(,-,3,dB),点之间,宽度对应的距离,回波信号的脉冲压缩,地面目标,回波信号,压缩波形,图像,信号频率,2.5 雷达的方位分辨率,天线的方位向波束角：决定方位分辨率,雷达的方位分辨率,A,（,-,4,dB,定义）,：,例:,=0.24m, D=10m, R=600km,A,=14.4km,提高方位分辨率要求增大天线方位向孔径,天线方向图,-,4,dB,主瓣,副瓣,副瓣,副瓣,副瓣,副瓣,副瓣,0,dB,-,3,dB,主瓣宽度,图2.7 天线方向图,天线方向图,提高方位分辨率对天线的要求：,天线方向图主瓣窄天线孔径大,天线方向图副瓣低天线口面分布加权,合成孔径雷达原理,合成孔径雷达的几种观点,波束锐化观点：,利用多普勒过程把天线方位向波束压窄,脉冲多普勒观点：,用多普勒滤波区分方位不同位置的目标,合成孔径观点,：,用运动的小天线合成一个大天线,匹配滤波观点：,用匹配滤波器实现信号的最佳检测,全息观点,：,SAR,是一种微波全息技术,3.1 合成孔径观点,小 天 线 阵 列,雷达,合 成 网 络,阵列天线,运动的雷达和天线,雷达,信号,存储,信号合成处理,雷达,信号,存储,合成孔径,合成孔径长度,合成孔径长度,L,S,L,S,天线,位置1,天线,位置2,L,S,R,目标,T,（,-,4,dB,定义）,合成孔径雷达方位分辨率,2,R,合成孔径长度,L,S,A,2,天线,R,合成孔径长度,L,S,点目标的回波信号多普勒历程,R,合成孔径,L,S,天线,R,o,x,方位向的压缩聚焦,SAR,点目标回波方位向也是线性调频,方位向线性调频也同样可以压缩聚焦,方位向线性调频斜率随距离变化焦距变化,方位向聚焦提高了方位向分辨率,3.2 全息观点微波全息成像,成像方法简介,成像把物空间的信息变换到像空间,成像方法：,变换成像直接进行空间变换,扫描成像把图像分解为像素传送,大多数成像系统是两种方法结合应用,人眼睛是一个非常精密、完善的成像系统：,自动调焦、自动增益、自动识别、自动分析、动目标检测,人眼睛有一定的局限性：,频带局限性、分辨率局限性、灵敏度局限性、速度局限性,人用各种仪器扩大视野，克服眼睛的局限性,望远镜、显微镜、夜视仪、红外仪、,X,光机、成像雷达等,照相机原理 1,单镜头成像,物体,图像,镜头,照相机原理 2,双镜头成像,物体,图像,镜头2,镜头1,照相机原理 3,照相过程分解,物体,图像,成像处理,形成全息图,（记录数据）,全息成像原理,物体,图像,成像处理,全息图,记录,计,算,机,全息成像原理,平行光,重建物光,共轭物光,0级光,+1级光,-,1级光,全息图记录,物体,全息图,记录,（平行光）,参,考,光,物光,全息图像重建,0级光,（平行光）,参,考,光,像面,虚像,全息图,实像,像面,重建物光,全息图形成,物面,全息图,全息图像重建,图像,全息图,聚焦处理,全息成像技术的特点,全息成像是,二步成像,，照相不用镜头，记录全息图，然后重建图像,要记录全息图的,相位信息,和,幅度信息,，而且,相位信息更重要,一个点目标的信息分布在整个全息图上,全息图上每一点都包含全部物体的信息,用一部分全息图即可处理出完整的图像,用的全息数据越多得到的图像分辨率越高,全息数据的动态范围比物体的动态范围小很多,得到图像的动态范围比数据的动态范围大很多,合成孔径雷达是一种微波全息,SAR,是微波全息成像，不用镜头而是记录微波全息图，然后重建图像，,SAR,原始数据就是数字化的全息图,SAR,在方位向是真正的微波全息，通过,PRF,进行方位向全息图的采样，采样间隔必须固定不变，因此要求,PRF,与地速成正比,SAR,在距离向是用线性调频信号模拟的微波全息，通过距离采样时钟进行距离向全息图的采样,SAR,具有光学全息的全部特点,用一部分,SAR,原始数据就能处理出完整的图像，只是分辨率降低，这是多视处理和,SCANSAR,的依据,原始数据的动态范围比目标和图像动态范围小很多,SAR,与光学全息除波段不同外，还有一点不同：,SAR,全息图方位向和距离向的比例尺不同，即二维不对称,SAR,全息图数据的采集,方位向,用,PRF,采样,距离向,用距离采样时钟采样,发射脉冲,回波信号,点目标的全息图,光学全息图,SAR,全息图, 载机运动要求匀速直线运动,相干系统获取信号的相位信息,信号存储高速、大容量,成像处理高速、大容量、二维, 运动补偿减小运动误差影响,4 合成孔径雷达的基本特点,5 合成孔径雷达系统的组成,*,根据需要选用,基本组成,机载,SAR,航天,SAR,天线,天线,天线及展开机构,馈线及微波组合,馈线及微波组合,馈线及微波组合,波束指向控制,天线平台和平台控制,或相控阵和波控器,波束指向控制（机械或相控阵）,基准信号源,基准信号源,基准信号源,发射机,发射机（或,T/R,组件）,发射机（或,T/R,组件）,接收机,接收机,接收机（或,T/R,组件）,数据采集和格式化,数据采集和格式化,数据采集和格式化,数据存储,数据记录,数据存储（星上）,定时器,定时器,定时器,系统控制和故障监测,系统控制和故障监测,系统控制和故障监测,（程控、遥控遥测）,运动补偿：,实时运动补偿（实时）,成像中补偿 （地面）,运动补偿：,地速跟踪（实时）,杂波锁定（实时）*,径向速度补偿（实时）*,成像中补偿（地面）*,运动补偿：,偏航控制（星上）*,杂波锁定（地面）,自聚焦（地面）,距离徙动校正（地面）,距离弯曲校正（地面）*,距离徙动校正（地面）,实时成像处理,实时成像处理,(,机载,),实时成像处理,（,星上,）,*,地面成像处理,地面成像处理,地面成像处理,图像记录,图像记录,(,机或地,),图像记录,(,地面,),数传（原始数据或图象）,合成孔径雷达各部分的功能简介,组成部分,功能,天线,发射和接收雷达信号。,馈线及微波组合单元,把发射机输出的雷达发射信号传送到,天线,，把,天线,接收的雷达回波信号传送到接收机以及保护接收机。,波束指向控制器,用机械方法（或相控阵）控制天线波束稳定地指向要求的方向，以保证成像条带位置和图像质量。,基准信号源,产生频率极为稳定的,信号做为雷达发射信号和接收信号的,频率,基准，以及定时信号的时间基准。,线性调频源,产生发射的,线性调频信号波形。,发射机,对发射,线性调频信号进行功率放大。,接收机,对,天线,接收的雷达回波信号,进行放大和频率变换，变换为成像用的视频信号。,数据采集和格式化器,对接收机输出的,视频信号进行采样、数字化并排成一定格式的数字雷达信号以便进行存储、传输和成像处理。,数据存储器,对,数字雷达信号进行存储。,定时器,产生有确定时间关系的定,时信号，控制雷达各部分同步协调地工作。,合成孔径雷达各部分的功能简介(续表),系统控制和故障监测单元,（包括电源供电）,对,雷达进行开关控制和工作模式设定，监测各部分的的工作状态，显示工,作不正常的部分以便检修。,运动补偿系统,实时运动补偿（实时）,地速跟踪（实时）,杂波锁定,（实时）*,径向速度,补偿（实时）,偏航控制（星上）,成像中补偿（地面）,杂波锁定,（地面）,自聚焦,（地面）,距离徙动校正,（地面）,减小载机运动误差的影响，以保证获得良好的图像。,在雷达工作中进行的运动补偿。,减小载机地速变化引起的图像散焦。,减小各种误差造成的多普勒中心频率慢变化的影响。,减小载机高度变化和横向运动造成的影响。,控制波束方位向的指向,抵消地球自转造成的多普勒中心频率变化的影响。,在成像中进行的运动补偿。,减小各种误差造成的多普勒中心频率慢变化的影响。,减小载机地速变化、高度变化等引起的图像散焦。,减小,距离徙动,引起的图像散焦。,实时成像处理器,在载机上立即对雷达信号进行,成像处理，得到图像。,地面成像处理器,在地面对存储的雷达信号进行,成像处理，得到图像。,图像记录器,（,机上,图像记录器),在载机上记录,实时成像处理器得到图像。,数据或图像传输系统,把雷达原始数据,或成像后的图像,数据,从,卫星（或飞机）上,传输到地面站。包括星上（,或机上）设备和地面设备。,机载合成孔径雷达设备,各分机,数据存储,或,数据传输,地速数据,输出,地速数据,输入,惯性测量,数据输入,天线平台,惯性测量,左右,开关,右 天 线,左 天 线,收发开关,发射机,线性调频,脉冲产生,接收机,频率源,定时器,地速补偿,数据采集,格式化,杂波锁定,径向补偿,平台控制,导航设备,实时成像,处理器,整机控制,电源,各分机,谢 谢 ！再 见 ！,