1、合成孔径雷达的应用合成孔径雷达的应用美研发出最小合成孔径雷达孔径雷达 154MD上的合成孔径雷达合成孔径雷达 美国宇航局(NASA)s AirSAR合成孔径雷达装载于一架DC-8飞机的侧面“空警空警”2000型预警机型预警机 “空警”2000型预警机在驾驶舱下方的雷达罩内,加装有合成孔径雷达(SAR),可执行对地面目标的侦测与追踪任务, 目前只有美国计划在2012年服役的E10预警机(MC2A),才具有这种空地并重的功能,由此显示中国的预警机发展引领了世界世界潮流。 雷达罩内雷达罩内,加装有合成孔径雷达加装有合成孔径雷达 ALOS卫星是日本在1992年发射的地球资源卫星1号和1996年发射的改
2、进型地球观测卫星之后发射的又一颗更加先进的陆地观测技术卫星。陆地观测技术卫星ALOS号合成孔径雷达天线打开 大地彩虹合成孔径雷达“全球鹰”可同时携带光电、红外传感系统和合成孔径雷达 带有多种有效载荷，包括侧视合成孔径 ERS-1 ERS-2 欧空局分别于1991年和1995年发射。携带有多种有效载荷，包括侧视合成孔径雷达（SAR）和风向散射计等装置），由于ERS-1（2）采用了先进的微波遥感技术来获取全天候与全天时的图象，比起传统的光学遥感图象有着独特的优点。 欧洲近日用俄罗斯宇宙-3M发射首颗雷达成像侦察卫星“合成孔径雷合成孔径雷达达-放大镜”。它是德国第1颗侦察卫星，旨在帮助德国构建本国太
3、空侦察体系，从而引起了世界军事航天界的广泛关注。太阳神-2A光学成像侦察卫星机身下装有一个12米长的雷达舱，即前机身下白色长形物体。利用舱内强劲的AN/APY-3多模式侧视相控阵I波段电子扫描合成孔径雷达 澳大利亚“楔尾”预警机和机上的MESA多功能电子扫描阵列雷达天线图片 创新的小型电控天线阵列创新的小型电控天线阵列天线阵天线阵合成孔径雷达的模糊问题合成孔径雷达的模糊问题SAR为脉冲工作状态时，由于是对连续信号取样， 这时， 将存在二维模糊。 方位角模糊是由于在脉冲工作状态时，在每个位置上发收一个脉冲，经过d=vTr时间后再发射接收下一个回波脉冲。离散天线阵列的方向图具有栅瓣多值性。“飞豹飞
4、豹”脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达的平面狭缝天线的平面狭缝天线 飞豹战斗轰炸机飞豹战斗轰炸机 精确定位杀手锏中华飞豹 卫星雷达与大气遥测 云云/ /雨带分析雨带分析 气候监控气候监控l厄尔尼诺与反厄尔尼诺现象（结合海面厄尔尼诺与反厄尔尼诺现象（结合海面观测）观测）l臭氧洞观测臭氧洞观测 大气组成气体之观测、信息获取与分析大气组成气体之观测、信息获取与分析 剧烈天气观测剧烈天气观测卫星雷达与大气遥测云雨带分析SIR-C/X-SAR侦测的西太平洋海面。气侦测的西太平洋海面。气象学家可利用此类影像来研究热带降雨象学家可利用此类影像来研究热带降雨风包线的发生、分布和活动，了解大气风包线的发生、分布和活动
5、，了解大气和海洋间的热能交换，以及热带海洋上和海洋间的热能交换，以及热带海洋上层海水的混合机制。影像上方的白色弯层海水的混合机制。影像上方的白色弯曲部分是所罗门群岛的部分环礁。环礁曲部分是所罗门群岛的部分环礁。环礁附近的两个红点是由雷雨包上层较冷的附近的两个红点是由雷雨包上层较冷的冰晶微粒反射所形成。影像下方的黄绿冰晶微粒反射所形成。影像下方的黄绿色区域则是极强的雷雨包，约色区域则是极强的雷雨包，约 15km 15 km，包含一圆形暗区和一长方形暗区包含一圆形暗区和一长方形暗区，该暗区应是由于下极大的雨使海面平，该暗区应是由于下极大的雨使海面平滑，因镜面反射而导致雷达回波极弱。滑，因镜面反射而
6、导致雷达回波极弱。风速最弱处为环礁内的区域，为黑色；风速最弱处为环礁内的区域，为黑色；风速中等处在影像中为蓝绿色至黑色之风速中等处在影像中为蓝绿色至黑色之云雾状区域；风速最强处则为黄绿色的云雾状区域；风速最强处则为黄绿色的大雷雨包。大雷雨包。圣婴/反圣婴现象介绍一般情形正常状况正常状况 太平洋赤道地区的信风（西风带）太平洋赤道地区的信风（西风带）把海水推挤到西太平洋，使得印把海水推挤到西太平洋，使得印度尼西亚附近的海面高于厄瓜多度尼西亚附近的海面高于厄瓜多尔约尔约 50cm。西岸温暖的海水促使西岸温暖的海水促使暖空气上升，对流旺盛，故在印暖空气上升，对流旺盛，故在印度尼西亚雨水甚多，而东太平洋
7、度尼西亚雨水甚多，而东太平洋则相对较干燥。西风和海水西进则相对较干燥。西风和海水西进带动东岸的涌升流，故东岸海面带动东岸的涌升流，故东岸海面温度较低。这些涌升流是由深海温度较低。这些涌升流是由深海涌出的冷水，富含浮游生物等养涌出的冷水，富含浮游生物等养分，对当地生态食物链扮演极重分，对当地生态食物链扮演极重要的角色。要的角色。 圣婴/反圣婴现象介绍-圣婴现象圣婴现象圣婴现象(El Nino) 圣婴现象乃指太平洋赤道东岸高压圣婴现象乃指太平洋赤道东岸高压减弱，使信风亦减弱，造成平时减弱，使信风亦减弱，造成平时由东向西流的海水减少甚至回流由东向西流的海水减少甚至回流，导致斜温线，导致斜温线 (th
8、ermocline)在东在东太平洋下降。此时东岸涌升流减太平洋下降。此时东岸涌升流减弱，水温较平时为高，使浮油生弱，水温较平时为高，使浮油生物减少并影响食物链及渔民生计物减少并影响食物链及渔民生计。圣婴现象发生时雨带随着东岸。圣婴现象发生时雨带随着东岸的暖水东移，形成印度尼西亚和的暖水东移，形成印度尼西亚和澳洲的干旱，以及秘鲁的水灾。澳洲的干旱，以及秘鲁的水灾。此大气热源东移并位于暖水区的此大气热源东移并位于暖水区的效应，透过海气作用造成效应，透过海气作用造成 全球大全球大气环流变迁，并影响全球气候。气环流变迁，并影响全球气候。以ERS2雷达测高仪所观测的圣婴现象结合结合TOPEX, AVHR
9、RTOPEX, AVHRR观测之圣婴现象观测之圣婴现象TOPEX/POSEIDON最近觀測之太平洋最近觀測之太平洋赤道地區海面高度分佈赤道地區海面高度分佈-La Nina 反圣婴现象反圣婴现象( (La NinaLa Nina) ) 所谓反圣婴现象顾名思义即圣婴现象之反象。所谓反圣婴现象顾名思义即圣婴现象之反象。此时太平洋赤道东岸之高压比正常情况为强，信此时太平洋赤道东岸之高压比正常情况为强，信风（西风带）亦加强，故推挤更多海水至太平洋风（西风带）亦加强，故推挤更多海水至太平洋西岸，诱使更多赤道东岸的涌升流，使得东岸海西岸，诱使更多赤道东岸的涌升流，使得东岸海温比平时为低，西岸海温则较高。此时
10、印度尼西温比平时为低，西岸海温则较高。此时印度尼西亚之降雨比平常为多，而太平洋秘鲁一带的干旱亚之降雨比平常为多，而太平洋秘鲁一带的干旱则更严重。透过海气交互作用，此反常现象亦会则更严重。透过海气交互作用，此反常现象亦会导致全球变迁，影响全球气候。导致全球变迁，影响全球气候。TOPEX/POSEIDON最近观测之太平洋最近观测之太平洋赤道地区海面高度分布赤道地区海面高度分布-La NinaERS之 GOME 臭氧洞觀測（1995-1997）Total ozone column amount measured by GOMEOzone hole over the South卫星雷达与剧烈天气之观测
11、卫星雷达与剧烈天气之观测-台风观测台风观测George飓风飓风1998/09/25 03.43ERS Wind Scatt./GOES-8 03.151998/09/25 03.43ERS Wind Scatt. Max.wind speed: 155 km/hCenter: 27.8N 78.9W卫星雷达与剧烈天气之观测卫星雷达与剧烈天气之观测-台风观测台风观测George飓风（续）飓风（续）1998/09/25 16.03ERS Wind Scatt./GOES-8 16.151998/09/25 16.03 ERS Wind Scatt.Max. wind speed: 110 km/h
12、 Center: 24.5N 82.0W1998/09/25NOAA-14 AVHRR 19.35卫星雷达与海洋遥测n 海洋状态观测海洋状态观测n 海洋表面地形观测海洋表面地形观测n 海洋环流观测海洋环流观测n 计算海洋重力异常计算海洋重力异常n 计算海洋大地水平面计算海洋大地水平面n 计算海洋深度计算海洋深度海洋状态观测海洋状态观测-海温及植物分布探测海温及植物分布探测以以ATSR-2（循轨迹扫描辐射仪）观测的地中海区域海）观测的地中海区域海温变化和植物分布情形海温颜色由暖至冷分别以红色、温变化和植物分布情形海温颜色由暖至冷分别以红色、黄色、绿色、和蓝色表示。陆地之植物茂密区以绿色黄色、绿色
13、、和蓝色表示。陆地之植物茂密区以绿色表示，荒芜区则以棕色表示。表示，荒芜区则以棕色表示。海洋表面地形觀測海洋表面地形觀測海洋环流观测海洋环流观测Gulf Stream Velocity计算海洋重力异常计算海洋重力异常North Sea -重力异常图重力异常图计算海洋大地水平面计算海洋大地水平面以以ERS四个月的影像数据所建立之初步海洋水平面四个月的影像数据所建立之初步海洋水平面（Preliminary Marine Geoid）与）与OSU-91A水平面之差异图水平面之差异图利用星载 SAR资料已能直接导出波长、波向、波的折射和绕射等海浪信息。星载SAR海浪资料的主要应用有以下三个方面：海浪预
14、报、海洋工程和物理海洋学。例如，西欧等国家正在将欧洲遥感卫星上的SAR 观测到的二维方向波谱资料用于海浪数值预报，改善海浪预报精度；我国和荷兰等国科学家利用欧洲遥感卫星1和日本地球遥感卫星1上的SAR资料研究海浪对海岸的侵蚀和对近岸工程的影响； 美国等国家的科学家利用星载SAR提供的大范围海浪场信息， 研究开阔大洋长波浪的形成和传播以及波浪在近岸的折射和绕射。以上三个方面的应用研究还处在起步阶段海洋卫星1等卫星上的SAR提供了世界各海区大量的内波图像， 为内波及其应用研究提供了丰富的资料。利用星载SAR 资料已经搞清楚了不少海区内波的时空分布特征。通过对波群空间间隔的测量还获得了有关波群速度、
15、温跃层深度、海水密度差和内波产生的波源等信息。所有这些研究极大地丰富了人们对内波的认识。目前，星载SAR内波资料正在用于海洋军事(如潜艇的活动)和海洋经济活动(如海上石油平台设计)等领域。此外，实时星载SAR内波图像还用于指导海洋调查船的现场测量，以获取科学资料和节省调查费用。我国科学家也开展了星载SAR 海洋内波观测研究，探讨了东沙群岛西北海区内波的空间特征及其产生机制。 利用星载SAR进行浅海水深和水下地形探测具有重要的军事和经济意义， 世界各国对此十分重视。自1978年美国海洋卫星1发射以来，美国、前苏联和西欧等国都相继开展了星载 SAR浅海水深和水下地形探测研究，并取得了很大的进展。
16、例如，荷兰开发的“水深测量系统” 利用星载SAR 资料和少量实测资料对大面积海区进行水深测绘，试验区的绝对测量精度达到30 厘米。我国科学家利用欧洲遥感卫星上的SAR图像探测了山东蓬莱西北海区的水下地形， 也获得了登州浅滩的详细地形特征。星载SAR浅海水深和水下地形探测目前还处于定性描述阶段， 定量探测是今后的发展方向。由于星载SAR具有全天候、全天时工作的优点， 在极地和高纬度海冰监测中能发挥特殊的作用，因此，海洋卫星、欧洲遥感卫星和2和雷达卫星都将海冰监测作为重要的监测内容。目前，星载SAR海冰监测已进入业务化、海冰信息产品化阶段。例如，挪威将欧洲遥感卫星的SAR图像制成海冰密集度、类型、
17、 冰水边缘线和海冰漂移等产品，向海上石油平台、船舶和破冰船等提供海冰实时预报服务。我国有关单位与加拿大遥感中心合作于1995年在辽东湾开展了星载SAR海冰监测应用试验，也取得了较好的成果。除此之外，科学家们正在使用星载SAR 海冰资料研究海冰的动力和热力耦合过程、海冰与海洋之间的相互作用以及海冰与全球气候变化等课题。 雷达后向散射图像给海岸带遥感提供了新的资料。目前，星载SAR 图像在海岸带方面的应用主要包括海岸带资源调查和环境动态变化监测。例如，我国有关单位对欧洲遥感卫星-1上的 SAR图像进行解译， 获得了山东蓬莱和烟台市海岸带地貌分类图；美国和荷兰等国利用星载SAR 资料监测潮间带的动态
18、变化。 星载 SAR监测海洋油污染，在目前主要是用于发现污染、估算污染范围、监视污染扩散，但还不能测定油膜厚度和分辨油的种类。一些发达国家正在建立包括星载SAR、飞机和船只的油污染监测系统，实现油污染监测业务化。 我国在这方面的应用还处于空白。 在一定的海面风速和海况条件下，星载 SAR能较容易地获取海面船只位置、大孝航行方向和速度等信息。这些信息正在用于海洋军事、航道监测和遇难船只救助等方面。近年来，美国科学家开展了利用船尾迹星载 SAR图像密度谱和波浪斜率变化谱估算运动船只船体外形的研究，但还未达到应用要求，仍是星载 SAR船只探测研究的一个重要内容。 对敌方潜艇的探测和跟踪是反潜战术中最
19、关键的技术难题。多年来，美国、前苏联和西方国家一直致力于开发星载 SAR探潜技术。目前，美国已能够在近海小风速海况下找出巡航中的潜艇尾迹，正在耗巨资全力开发任何海况下的星载 SAR探潜新方法。我国在“八五”期间开展了实验室探潜原理研究，对 SAR仅适用于近海小风速海况这一限制的成因作出了理论解释，给出了全新的技术改进方案，使所研制的实验室探测系统几乎可适用于任何海况，在理论和技术上有所突破。 利用河流、湖泊及高等级公路做先验信息来指导和判别整个SAR图像中的信息提取过程。（静态地物、动态地物） 依据地理信息库中存储的水系来提供桥梁所在的大致区域，将输入桥梁检测的图像范围从整幅SAR减少到图像中
20、的水系区域，则算法效率和可靠性都将大幅提高。 图像预处理搜索地理信息库获取感兴趣区域图像分析信息提取 SAR图像与地理信息库通过位置关联 利用R-D模型（SAR对地成像模型）进行目标定位的实质是以卫星位置为起算坐标通过获取距离和多普勒观测值对目标进行观测的测量问题。 条件：水系的变化不是骤变的；GIS数据与SAR图像可能在配准上存在准确度问题；桥梁基本上为线性目标且横跨河流。 河流区域提取，利用对河流的检测代替对整个SAR图像的检测，检测到矢量数据后，根据坐标的对应关系将矢量映射到SAR图像上。 直线检测和辨识，将河流区域中的亮目标（桥梁）与暗目标（背景）区分开。 桥梁辨识，在指定的桥梁宽度范
21、围内有多条直线被检测出来；在指定范围内仅有一条直线被检测出来。 综上所述，利用先验知识（地理信息库）可以加快算法的实际效率。 利用先验知识图像分割 基于瑞利分布的RC-CFAR检测算法进行了目标粗分割，确定可疑目标位置范围；再次使用RC-CFAR检测器进行精分割；最后通过形态学滤波、面积追踪和峰值比滤波器提取到目标ROI区域 海陆分割，又称陆地掩膜，目的是将海洋SAR图像中的陆地区域进行遮蔽或移除。 预处理，抑制杂波背景增强目标，并去除由于各种因素造成的干扰，提高舰船检测的准确性。 预分割，利用相应的舰船检测算法将海洋区域中可能是船只目标的高亮目标从背景中分割出来。 目标辨识，通过先验知识和人
22、工干预将预分割得到的可疑目标进行筛选，减少检测结果中的虚警。（目标的尺寸、形状、结构、散射特性） 目标定位与信息提取：确定目标的图像位置和实际地理位置，并检测结果和目标特征对舰船目标的面积、形状和方向等参数进行估计。 检测阶段：利用恒虚警率检测器在整幅图像中定位可能的目标； 虚警抑制阶段：采用二值相关算法，利用模板从杂波中检测目标； 分类阶段：通过对前两个阶段输出的高分辨率图像进行灰度相关处理以识别目标的类型。CFAR( constant false alarm rate)处理技术，用于在杂波环境变化时，防止雷达的虚警概率发生太大的变化，同时保证一定的检测概率，是一种对杂波问题很在效的处理技术
23、，可以随本地噪声能量信息设置门限 预处理：采用双参数CFAR，以定位可能存在目标的区域； 辨识阶段：模板法确定目标的位置，计算简单的纹理、大小、对比度和极化特征，将这些特征组合成一个辨识向量来度量检测出的物体是目标的可能性； 分类器：对目标与匹配模板进行相关运算，由均方误差分类器完成目标分类。 利用基于3D-CAD模型的视觉技术研制SAR ATR系统 前端包括聚焦模块和索引模块，聚焦模块形成ROI，索引模块对每个ROI产生一系列关于目标类型、姿态、连接、结构等信息的初始假设，本质是粗分类器 后端是一个迭代分类器，包括：特征预测、特征提取、特征匹配、搜索；预测模块给出索引模块产生的每个假设的特征
24、向量及其不确定性，提取模块从ROI提取特征向量及其不确定性，匹配模块计算每个预测特征向量集和提取向量集之间的似然比，搜索模块对假设进行改进修正以得到似然局部极大值决定是否继续迭代。 研究单位：美国国防部高级研究计划局、空军研究实验室 SAR图像聚焦索引融合处理显示结果 检测包括：聚焦和索引 识别：融合处理 整个过程10S 基于电磁特性的SAR ATR系统依据其存储的3DCAD模型，从电磁波与目标的相互作用来预估电磁散射的空间分布，可以实时提供姿态连续的目标模板图像及目标特征来完成识别过程，减少模板存储空间。 1）建立每一类目标的特征模板库 2）待识别目标特征向量的提取 3）相关性测度计算 4）平均距离搜索 道路识别 机场识别
