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  • 【遥感专题系列】微波遥感(二、合成孔径雷达SAR基础)

    目前使用最广的成像雷达系统就是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar:SAR),SAR几乎成为了雷达的代名词。本文从应用角度介绍SAR系统的基本知识。

           本文主要包括:

    • SAR基本原理
    • 几个重要的参数
    • SAR拍摄模式
    • 当前主流星载SAR系统

    1.SAR基本原理

         雷达发展初期,出现的是真实孔径雷达(Real Aperture Radar:RAR),由于成像分辨率与雷达天线的长度成正比,与波长和观测距离成反比,要想得到较高分辨率的SAR图像,需要增加天线的物理尺寸,限制其发展和应用,后来逐渐被合成孔径雷达SAR取代。

            SAR用一个小天线作为单个辐射单元,将此单元沿一直线不断移动,在不同位置上接收同一地物的回波信号并进行相关解调压缩处理。一个小天线通过"运动"方式就合成一个等效"大天线",这样可以得到较高的方位向分辨率,同时方位向分辨率与距离无关,这样SAR就可以安装在卫星平台上而可以获取较高分辨率的SAR图像。

    图: SAR成像原理示意图

    2.SAR几个重要的参数

    为了更好的理解SAR和SAR图像,需要知道几个重要的参数。

    2.1分辨率

            

           SAR图像分辨率包括距离向分辨率(Range Resolution)和方位向分辨率(Azimuth Resolution)。

    【遥感专题系列】微波遥感(二、合成孔径雷达SAR基础)
    图: 距离向和方位向示意图

    • 距离向分辨率(Range Resolution)

          垂直飞行方向上的分辨率,也就是侧视方向上的分辨率。距离向分辨率与雷达系统发射的脉冲信号相关,与脉冲持续时间成正比:

    Res( r) = c*τ/2

    其中c为光速,τ为脉冲持续时间。

    • 方位向分辨率(Azimuth Resolution)

    沿飞行方向上的分辨率,也称沿迹分辨率。如下为推算过程:

    • 真实波束宽度: β= λ/ D

    • 真实分辨率:ΔL = β*R = Ls (合成孔径长度)

    • 合成波束宽度βs = λ /(2* Ls) = D / (2* R)

    • 合成分辨率ΔLs = βs* R = D / 2

             其中λ为波长,D为雷达孔径,R为天线与物体的距离。

           从这个公式中可以看到,SAR系统使用小尺寸的天线也能得到高方位向分辨率,而且与斜距离无关(就是与遥感平台高度无关)。

    图: 方位向分辨率示意图

    2.2极化方式

              

             雷达发射的能量脉冲的电场矢量,可以在垂直或水平面内被偏振。无论哪个波长,雷达信号可以传送水平(H)或者垂直(V)电场矢量,接收水平(H)或者垂直(V)或者两者的返回信号。雷达遥感系统常用四种极化方式——HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化,后两者为异向(交叉)极化。

    图: HV极化示意图

    图:VV和HH极化示意图

            极化是微波的一个突出特点,极化方式不同返回的图像信息也不同。返回同极化(HH或者VV)信号的基本物理过程类似准镜面反射,比如,平静的水面显示黑色。交叉极化(HV或者VH)一般返回的信号较弱,常受不同反射源影响,如粗糙表面等。

    图:同一地区不同波长和极化方式得到的SAR图像

    2.3入射角(Incidence Angle)

     

               入射角也叫视角,是雷达波束与垂直表面直线之间的夹角(如下图中的θ)。微波与表面的相互作用是非常复杂的,不同的角度区域会产生不同的反射。低入射角通常返回较强的信号,随着入射角增加,返回信号逐渐减弱。

              根据雷达距离地表高度的情况,入射角会随着近距离到远距离的改变而改变,依次影响成像几何。

    图:SAR入射角示意图

    3.星载SAR拍摄模式

    星载SAR主要有三种拍摄模式:Stripmap,ScanSAR和 Spotlight。

           当然最新的SAR系统拥有更多的拍摄模式,比如RADARSAT-2还用于超精细、高入射角等拍摄模式

    3.1条带模式-Stripmap

            当运行Stripmap 模式时,雷达天线可以灵活的调整,改变入射角以获取不同的成像宽幅。

            最新的SAR系统都具有这种成像模式,包括RADARSAT-1/2, ENVISAT ASAR, ALOS PALSAR,TerraSAR-X-1, COSMOSkyMed和RISAT-1。

    图: 条带模式

    3.2扫描模式-ScanSAR

            扫描模式是共享多个独立sub-swaths的操作时间,最后获取一个完整的图像覆盖区域。它能解决Stripmap模式较小的刈幅。

    图: 扫描模式

    3.3聚束模式-Spotlight

    当执行聚束模式采集数据时,传感器控制天线不停向成像区域发射微波束。

    它与条带模式主要区别为:

    • 在使用相同物理天线时,聚束模式提供更好的方位分辨率;
    • 在可能成像的以一个区域内,聚束模式在单通道上的提供更多的视角;
    • 聚束模式可以更有效的获取多个小区域。

    图:聚束模式

    4.当前主流星载SAR系统

    系统

    发射时间

    波段

    极化

    图幅宽度

    (KM)

    分辨率

    (米)

    重复周期

    国家/机构

    ENVISAT-ASAR

    (2012失去联系)

    2002

    C

    VV

    100-400

    20

    35

    欧空局

    ALOS-PALSAR

    (2011停止运行)

    2006

    L

    Full

    40-350

    7-14-100

    46

    日本

    TerraSAR-X

    Tandem-X

    2007

    2010

    X

    Full

    5-10-30-100

    1-3-16

    11

    德国

    Cosmo-skymed-1、2、3、4

    2007

    X

    Full

    10-30-200

    1-3-15

    1-16

    意大利

    RADASAT-2

    2007

    C

    Full

    10-500

    3-100

    1-24

    加拿大

    ALOS-PALSAR2

    2014

    L

    Full

    25/35/60/70/350

    1/3/6/10 /100

    14

    日本

    "哨兵"-1A

    Sentinel-1A

    2014

    C

    Full

    20/80/100/250/400

    5/20/40

    12

    欧空局

    其他:RiSAT‐1(印度C波段)、Kompsat‐5(韩国X波段)

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/rainbow70626/p/6414941.html
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