遥感技术概论-微波与图像处理部分课件:微波遥感技术系统-链接版.pptx
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1、微波遥感对地观测技术郭磐Chapter 72光学和红外遥感取得了巨大的成功!光学和红外遥感取得了巨大的成功!北京(北京(30米)米)台北(台北(0.6米)米)为什么要研究微波遥感?为什么要研究微波遥感?3可见光对地观测遭遇的难题可见光对地观测遭遇的难题地球上经常有地球上经常有40%-60%的地区被云层覆盖着,尤其是占地球面的地区被云层覆盖着,尤其是占地球面积五分之三的海洋上,气候条件变化更大,经常被云层遮蔽。积五分之三的海洋上,气候条件变化更大,经常被云层遮蔽。 全天侯工作,不受云、雾和小雨的影响。全天侯工作,不受云、雾和小雨的影响。 全天时工作,不受时间限制,黑夜也能工作。全天时工作,不受时
2、间限制,黑夜也能工作。 对某些地物有一定的穿透能力,可在一定程对某些地物有一定的穿透能力,可在一定程度上获取隐伏的信息。度上获取隐伏的信息。 微波能穿透冰雪、植被、人工伪装,并能对地面表层微波能穿透冰雪、植被、人工伪装,并能对地面表层土壤穿透一定深度,所以可用于测量许多陆地特征,土壤穿透一定深度,所以可用于测量许多陆地特征,如土壤湿度、雪被深度和地质构造。如土壤湿度、雪被深度和地质构造。 直接观测土壤、岩石边界。直接观测土壤、岩石边界。 适当选择工作频率和波束入射角,可穿透大多数植被,适当选择工作频率和波束入射角,可穿透大多数植被,除了极茂密的森林。除了极茂密的森林。4微波遥感的优越性5 微波
3、的基本特性微波的基本特性 微波遥感的特性微波遥感的特性 微波传感器及其分类微波传感器及其分类 机载侧视雷达机载侧视雷达工作工作原理原理 合成孔径雷达合成孔径雷达 微波遥感历史微波遥感历史6本章内容7微波波段微波波段微 波 是 指 波 长微 波 是 指 波 长 1 m m 1 m ( 即 频 率( 即 频 率300MHz300GHz)的电磁波。)的电磁波。遥感中常用的微波范围为遥感中常用的微波范围为0.830cm(频率为(频率为401GHz)。)。地面物质的微波反射、发射与它们对可地面物质的微波反射、发射与它们对可见光或热红外的发射、反射无直接关系。见光或热红外的发射、反射无直接关系。通过微波响
4、应使人们从一个完全不同于通过微波响应使人们从一个完全不同于光和热的视角去观察世界。光和热的视角去观察世界。电磁波谱电磁波谱8BandFrequency rangeOrigin of nameHF band3 to 30 MHzHigh FrequencyVHF band30 to 300 MHzVery High FrequencyUHF band300 to 1000 MHzUltra High FrequencyL band1 to 2 GHzLong waveS band2 to 4 GHzShort waveC band4 to 8 GHzCompromise between S an
5、d XX band8 to 12 GHzUsed in WW II for fire control, X for cross (as in crosshair)Ku band12 to 18 GHzKurz-underK band18 to 27 GHzGerman Kurz (short)Ka band27 to 40 GHzKurz-aboveV band40 to 75 GHzW band75 to 110 GHzW follows V in the alphabetmm band110 to 300 GHzTable of IEEE bands91. 微波的基本特性 微波微波的衰减与
6、透射的衰减与透射 微波的散射微波的散射 微波微波的多普勒效应的多普勒效应 微波的极化微波的极化10微波基本特性11微波的基本特性衰减与透射12微波的基本特性衰减与透射13能见度(m)水平路径衰减(dB/km)可见光红外94GHz37GHz15230561012191206030102412630.880.320.130.0440.190.0620.0220.009不同能见度下,云和雾在海平面水平路径的衰减不同能见度下,云和雾在海平面水平路径的衰减微波的基本特性衰减与透射14微波对云层的穿透作用微波对云层的穿透作用微波对小雨的穿透作用微波对小雨的穿透作用微波的基本特性衰减与透射15雨的衰减系数雨
7、的衰减系数与微波频率与微波频率的关系的关系微波的基本特性衰减与透射16烟雾烟雾和尘埃对微波的衰减比较复杂,目前尚无定量的系和尘埃对微波的衰减比较复杂,目前尚无定量的系统资料,但从烟雾和尘埃对红外波段的衰减特性变化可统资料,但从烟雾和尘埃对红外波段的衰减特性变化可得出:波长得出:波长越长,衰减越小。越长,衰减越小。微波的基本特性衰减与透射 表面表面散射:和介质表面粗糙度散射:和介质表面粗糙度有关;有关; 体体散射:介质内部产生的散射,为经多路径散射:介质内部产生的散射,为经多路径散射后所产生的总有效散射散射后所产生的总有效散射。 粗糙度与波长相关粗糙度与波长相关17微波的基本特性散射 表面表面散
8、射:和介质表面粗糙度散射:和介质表面粗糙度有关有关18微波的基本特性散射光滑: h /32 cos()例如: 1.5 GHz = 60入射 h 1/ FFT反变换回时域后,时间间隔为反变换回时域后,时间间隔为t 即时间分辨率为即时间分辨率为t = 1/B 则脉冲压缩后的距离向分辨率:则脉冲压缩后的距离向分辨率:2OcTR _22OPCtcRcBB_OPCR_OPCR 提高距离分辨率提高距离分辨率脉冲压缩技术脉冲压缩技术 脉冲脉冲压缩比压缩比定义为宽脉冲宽度定义为宽脉冲宽度 T 与压缩后脉冲宽度与压缩后脉冲宽度 t的的之之比比 带宽带宽 B 与压缩后的脉冲宽度与压缩后的脉冲宽度 t 的的关系关系
9、为为B 1/ t 。 这这使得脉冲压缩比近似使得脉冲压缩比近似为为 BT。即。即压缩比压缩比等于信号的等于信号的时时宽宽-带宽积带宽积。距离分辨率2OcTR _22OPCtcRcB61%demo of chirp signal T = = 10e-6; ; %pulse duration10us B = = 30e6; ; %chirp frequency modulation bandwidth 30MHz K = = B/ /T; ; %chirp slope Fs = = 2* *B; ;Ts = = 1/ /Fs; ; %sampling frequency and sample sp
10、acing N = = T/ /Ts; ; t = = linspace(-(-T/ /2, ,T/ /2, ,N);); St = = exp( (j* *pi* *K* *t.2);); %generate chirp signal subplot( (211) ) plot( (t* *1e6, ,real( (St);); xlabel( (Time in u sec);); title( (Real part of chirp signal);); grid on; ;axis tight; ; subplot( (212) ) freq = = linspace(-(-Fs/ /2
11、, ,Fs/ /2, ,N);); plot( (freq* *1e-6, ,fftshift( (abs( (fft( (St);); xlabel( (Frequency in MHz);); title( (Magnitude spectrum of chirp signal);); grid on; ;axis tight; ; 匹配滤波器是最优滤波器的一种。匹配滤波器是最优滤波器的一种。 所谓所谓的最优滤波器,实际上都是在某个准则的最优滤波器,实际上都是在某个准则下的最优下的最优。 匹配滤波器匹配滤波器对应的最优的准则是对应的最优的准则是输出信噪比输出信噪比(SNR)最大)最大。 而
12、且而且还有一个前提条件还有一个前提条件是:在是:在白噪声背景下白噪声背景下。 匹配滤波器匹配滤波器的表达式为的表达式为: H( f ) = S*( f )匹配滤波器的频率响应是输入信号频率响应的共轭匹配滤波器的频率响应是输入信号频率响应的共轭62匹配滤波器 从幅频特性来看,匹配滤波器和输入信号的幅频特从幅频特性来看,匹配滤波器和输入信号的幅频特性完全一样。这也就是说,在信号越强的频率点,性完全一样。这也就是说,在信号越强的频率点,滤波器的放大倍数也越大;在信号越弱的频率点,滤波器的放大倍数也越大;在信号越弱的频率点,滤波器的放大倍数也越滤波器的放大倍数也越小小 也就是说,匹配滤波器是让信号尽可
13、能通过,而不也就是说,匹配滤波器是让信号尽可能通过,而不管噪声的特性。管噪声的特性。因为其前提因为其前提是白噪声,也即是噪声是白噪声,也即是噪声的功率谱是平坦的,在各个频率点都一样。因此,的功率谱是平坦的,在各个频率点都一样。因此,这种情况下,让信号尽可能通过,实际上也隐含着这种情况下,让信号尽可能通过,实际上也隐含着尽量减少噪声的通过。尽量减少噪声的通过。 63匹配滤波器 从相频特性上看,匹配滤波器的相频特性和从相频特性上看,匹配滤波器的相频特性和输入信号正好完全相反。这样,通过匹配滤输入信号正好完全相反。这样,通过匹配滤波器后,信号的相位为波器后,信号的相位为0,正好能实现信号正好能实现信
14、号时域上的相干叠时域上的相干叠加。而噪声的相位是随机的,加。而噪声的相位是随机的,只能实现非相干叠加。这样在时域上保证了只能实现非相干叠加。这样在时域上保证了输出信噪比的最大。输出信噪比的最大。64匹配滤波器Example (chirped pulse) 发射脉冲为红色,2个回波信号为蓝色 (carrier 10 Hz, modulation on 16 Hz, amplitude 1, duration 1s) Example (chirped pulse) 在脉冲压缩之后,可以认为回波信号功率被放大了f 倍Example: same signals as above, plus an ad
15、ditive Gaussian white noise ( = 0.5) Springer Series in OPTICAL SCIENCES67 在方位向上,若两个目标能被区分,则该两在方位向上,若两个目标能被区分,则该两目标就不能在同一波束内目标就不能在同一波束内 。 方位方位向分辨率指相邻的两束脉冲之间,能分向分辨率指相邻的两束脉冲之间,能分辨两个目标的最小距离辨两个目标的最小距离。 方位向分辨率与波长和观测距离成正比,与方位向分辨率与波长和观测距离成正比,与天线孔径成反比,因此,要提高方位向分辨天线孔径成反比,因此,要提高方位向分辨率,须率,须采用波长较短的电磁波采用波长较短的电磁波
16、和和增大天线孔增大天线孔径径及及缩短观测距离缩短观测距离。方位分辨率ctgaRSSHddslant range wavelength=antenna lengthaSRd705. 合成孔径雷达合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含两方面的含义:即高的高分辨率在这里包含两方面的含义:即高的方位向分辨率,足够高的距离向分辨率方位向分辨率,足够高的距离向分辨率。它它采用以采用以多普勒频移理论多普勒频移理论和和雷达相干雷达相干为基础为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率,的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率,而距离向分辨率的提高则通过
17、脉冲压缩技术而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术来实现来实现。71合成孔径雷达合成孔径雷达合成孔径雷达系统通过飞机或星载飞行器的系统通过飞机或星载飞行器的向前运动构成合成孔径向前运动构成合成孔径。当当真实孔径太长,不可能实现的时候,合成真实孔径太长,不可能实现的时候,合成孔径雷达就起到了不可估量的作用,它特别孔径雷达就起到了不可估量的作用,它特别适用于星载的适用于星载的飞行器飞行器中中。只要只要目标被发射能量波瓣照射到或位于波束目标被发射能量波瓣照射到或位于波束宽度之内,此目标就会被采样并被成像。宽度之内,此目标就会被采样并被成像。72合成孔径雷达73合成孔径方式多普勒波束锐化74 方位方位
18、向分辨率向分辨率75合成孔径雷达sLRD合成后的天线长度合成后的天线长度22sDLR双程距离差而导致的双程距离差而导致的波束宽度为波束宽度为22aDRL对应的地面方位向分对应的地面方位向分辨率为辨率为理想条件下,只要满足D ,且信噪比SNR 1,则天线的物理孔径越小,雷达的方位向分辨率越好。76利用小天线D作为单个发射接收单元,当平台以等速直线飞行时,将经过1,2,3,n等若干位置,在每个位置上发射一个信号,并接收来自目标的回波信号,且存储其幅度和相位,将存储的信号经叠加处理,就得到等效孔径L = nD的天线所获取的结果。 真实孔径天线是在一个位置上接收地物真实孔径天线是在一个位置上接收地物目
19、标的回波,而合成孔径天线是在不同位置目标的回波,而合成孔径天线是在不同位置上接收同一地物的回波信号。上接收同一地物的回波信号。77Synthetic aperture radar (SAR)7879coherent lightradar hologramimage of object9879876.578 etc. etc.Creation of SAR image80移位寄存器81 合成孔径雷达主要由发射机、接收机和天线组成。合成孔径雷达主要由发射机、接收机和天线组成。由发射器产生的线性调频脉冲经放大后,馈送至天线发由发射器产生的线性调频脉冲经放大后,馈送至天线发射出去,平台做等速直线飞行并
20、保持天线的指向稳定,射出去,平台做等速直线飞行并保持天线的指向稳定,天线接收的地面回波信号,经接收系统混频、中放、相天线接收的地面回波信号,经接收系统混频、中放、相位检波等一系列的信号处理后,再送入存储器,存储器位检波等一系列的信号处理后,再送入存储器,存储器的信号经成像后形成雷达图像。合成孔径雷达与真实孔的信号经成像后形成雷达图像。合成孔径雷达与真实孔径雷达有许多共同点,其主要差异在于合成孔径雷达是径雷达有许多共同点,其主要差异在于合成孔径雷达是利用合成孔径原理来改善方位向分辨率。利用合成孔径原理来改善方位向分辨率。合成孔径雷达合成孔径雷达1. 方位方位向分辨率与距离、波长无关向分辨率与距离
21、、波长无关2. 方位方位向分辨率与平台飞行高度向分辨率与平台飞行高度无关无关3. 理论上理论上方位分辨率是雷达天线真实孔径长度方位分辨率是雷达天线真实孔径长度D的一半。如的一半。如ERS-1 SAR天线长度为天线长度为10米,理米,理论上方位向分辨率能达到论上方位向分辨率能达到5米米82合成孔径雷达 Stripmap(条带式条带式): 最早的成像模式,最早的成像模式,1950s 低分辨率成像的最有效方法低分辨率成像的最有效方法 Spotlight(聚束式聚束式): 在在1970s提出提出 获得较高的分辨率获得较高的分辨率 一次飞行中,通过不同视角改变对同一区域成像一次飞行中,通过不同视角改变对
22、同一区域成像 Scan(扫描模式扫描模式): 信号处理非常复杂信号处理非常复杂83合成孔径雷达成像模式8485合成孔径雷达影像城市机场86合成孔径雷达影像火山87合成孔径雷达影像峡谷 采用干涉测量技术的合成孔径雷达(采用干涉测量技术的合成孔径雷达(InSAR),),也有称双天线也有称双天线SAR或相干或相干SAR。它通过两条侧。它通过两条侧视天线同时观测,或一定时间间隔的两次平视天线同时观测,或一定时间间隔的两次平行观测,来获得地面同一景观两次成像的复行观测,来获得地面同一景观两次成像的复图像对(包括强度信息和相位信息)。图像对(包括强度信息和相位信息)。88干涉合成孔径雷达 干涉干涉SAR可
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