合成孔径雷达成像原理与图像特征

1、InSAR系列讲座2SAR成像原理与图像特征刘国祥(西南交通大学测量工程系,四川成都,610031摘要作为InS AR系列讲座的第二篇,本文介绍InS AR的传感器合成孔径雷达(S AR的成像基本原理与其所获取的S AR图像特征。关键词S AR成像传感器;原理;S AR图像;图像特征中图分类号P237文献标识码A文章编号1001-8379(200403-0141-03Principles of Imaging SAR and Characteristics of SAR ImageLIU Guo2xiang(Dept1of Surveying Engineering,S outhwest Ji

2、aotong University,Chengdu610031,ChinaAbstract:As the second part of the tutorial,the paper will introduce the basic principles of imaging sens or of synthetic aper2 ture radar(S ARand the characteristics of S AR image1K ey w ords:imaging S AR sens or;principles;S AR image;image characteristics1引言上一个

3、讲座总体介绍了InS AR的发展历史、技术背景、系统构成与应用情况等。要完整理解In2S AR的基本原理,我们要首先了解合成孔径雷达(S AR成像传感器的基本原理与S AR图像的基本特征,这正是本讲座的主题。我们已知道,InS AR主要是利用覆盖同一地区的多幅S AR影像来提取有用信息,更确切地说,是从它们所产生的干涉相位图来提取地形或形变信息。因而,了解S AR影像的获取原理是理解干涉实质的前提。本文将首先介绍真实孔径侧视(Sidelooking雷达成像的基理,然后介绍合成孔径侧视雷达成像的基理,最后介绍S AR图像的基本特征。2真实孔径侧视雷达成像图1显示了对地观测成像雷达的几何配置。搭载

4、雷达的平台可以是飞机、卫星或航天飞机。雷达以一定的侧视角0发射一个椭圆锥状的微波脉冲束,这个椭圆锥的轴垂直于平台飞行方向,与轨道垂直的面内的椭圆锥顶角即波束高度角V与雷达天线宽度w有关,即:V =w(1这里,为雷达所采用的微波波长;而沿轨的椭圆锥顶角h与雷达天线长度L有关,即:h =L(2这个椭圆锥状的微波脉冲束在地表形成一个辐照带(footprint,这个辐照带可看作由许多小的空间面元所组成,每一个面元将雷达脉冲后向散射(backscattering回去,由雷达接收并记录下来。实际上,如图2所示,对于影像平面内某一行像素,不同雷达斜距R对应于不同的像素。这样,在雷达平台飞行的过程中,一定幅宽

5、(swath的地表被连续成像,幅宽W G可如下近似确定:W GRmwcos(3这里,R m为雷达中心到椭圆锥状辐照带中心的斜距,为该中心点的雷达入射角 。图1 雷达成像几何图2雷达斜距投影可区分两个相邻目标的最小距离称为雷达影像的空间分辨率。显然,这个距离越小,分辨率越高,如图3所示,沿雷达飞行即方位向(azimuth 和雷达斜距向(slant range 的分辨率分别为X 和R ,将斜距分辨率Y 投影到水平地面时,则变为斜距向地面分辨率Y 。结合式(2,方位向分辨率可按下面公式确定:X =R h =R L(4这里,R 为雷达斜距。实际上,X 就是雷达辐照带的沿轨宽度。斜距分辨率和斜距向地面分

6、辨率分别为:R =c p2(5Y=R cos (90°-i =c p2cos (90°-i (6这里,c 为光速,p 为脉冲宽度,i 为侧视角i 。实际上,随着侧视角i 在一定范围内的变化,因为R 为定值,则Y 也在一定的范围内变化,也就是说,雷达斜距向的地面分辨率是变化的, 越靠近底点,斜距向地面分辨率越低,越远离底点,斜距向地面分辨率越高。如果雷达侧视角为0,即正对底点成像,那么,靠近底点的地面分辨率将非常糟糕,这也正是为什么成像雷达一定要侧视的主要原因。值得注意的是,较航空摄影测量的中心投影方式,雷达斜距投影方式是非常特别的。公式(4(6说明了雷达斜距或地面分辨率仅与

7、雷达波特征和雷达侧视角有关系,而与雷达天线的大小无关,但是方位向分辨率主要由雷达天线的长度所决定,比如,若ERS -1/2卫星雷达(使用C 波段,=5166cm 操作在真实孔径成像模式上,为了达到10m 方位向分辨率,将需要3km 长的雷达天线,这是一般飞行平台难以承受的。也就是说,常规真实孔径成像雷达系统不可能获得沿搭载平台飞行方向具有高分辨率的图像,而在合成孔径雷达成像模式下,这一问题得到了很好的解决。图3成像雷达分辨率3合成孔径侧视雷达成像当雷达沿轨道飞行时,被成像的地面目标与雷达间存在相对运动,因而被地面反射回来的雷达脉冲频率产生漂移,这就是美国人Carl Wiley 发现的多普勒频移

8、(D oppler frequency shift 现象。合成孔径雷达正是利用这一物理现象来改善雷达成像的方位向分辨率的。图4显示了合成孔径侧视雷达成像的几何。设一个具有长度为L 的真实孔径雷达天线从点a 移动到点b 再到c ,则被成像点O 的雷达斜距会由大变小再变大,这样雷达接收从地面点O 反射回来的脉冲频率会产生变化,即频率漂移由大变小。通过精确测定这些接收脉冲的雷达相位延迟并跟踪频率漂移,最后可相应地合成一个脉冲,使方位向的目标被锐化(sharpening ,即提高方位向分辨率(如图4所示。相对于真实孔径雷达方位向分辨率来说,合成孔径雷达的方位向分辨率被大大地改善,此时的X 可近似表达为

9、:X =L 2(7这意味着方位向分辨率仅由雷达天线的长度所确定。比如,ERS -1/2操作在合成孔径雷达成像模式下,使用长度为10m 的天线,便可获得5米左右的方位向分辨率。图4合成孔径雷达成像几何必须记住,机载/星载雷达系统基于侧视成像几何所获取的初数据须经计算机集焦(focusing 和滤波处理才能形成S AR 影像,也就是说,“合成孔径”的概念是通过数据处理来实现的。4S AR 图像的基本特征S AR 影像的每一像素不仅包含反映地表微波反射强度即所谓的灰度值,而且还包含与雷达斜距(一般取样到垂直于平台飞行方向的斜距上有关的相位值,这两个信息分量可用一个复数(a +b i 来表达,即Pix

10、el a +b i =a 2+b 2e i(8其中,a 2+b 2为振幅(对应灰度信息, =tan -1(b/a 为相位值。因此S AR 影像又被称为复数影像。振幅越大,表示地表反射强度越大。反射强度的大小取决于雷达侧视角度、雷达波长、雷达极化方式、表面朝向、表面粗糙度等诸因素。如平静的湖面在雷达灰度图像中呈全黑,而城市则呈现为亮区域。从像素信息量来看,S AR 图像比可见光遥感影像要丰富,可见光遥感影像的每一像素仅包含灰度信息。从视觉效果来看,S AR 灰度影像远没有可见光遥感影像(含航摄相片清晰,这主要是由于雷达成像时无法避免所谓的斑点噪声效应。因此,要获得好的视觉效果,一般要进行多视(m

11、ultilooking 处理即平滑处理,以牺牲分辨率而提高信噪比。前已指出,InS AR 主要是基于相位信息的处理来提取有用信息的,理解相位信息的基理就显得非常重要。如图5所示,雷达相位不仅与几何斜距R (从雷达平台到地表分辨元平均反射面的距离有关,而且地表分辨元内部诸地物对总体观测相位有加权和的贡献,即分辨元内每一地物到平均反射面的几何距离 i 引起相位延迟,每一地物具有不同的物理后向散射特性从而引起相位延迟,具体相位分量理论表达式见图5中所示。这就说明了S AR 图像像素所记录的相位信息不仅包含距离信息,而且还包含地面分辨元诸要素的附加相位贡献,而后者表现出极大的随机性,因此一般被视为噪声

12、,对干涉分析带来不便。此外,值得注意的是相位的整周数是未知的。这些问题将留在后续讲座中进一步讨论。 因雷达采用侧视斜距投影成像方式且受地形起伏的影响,S AR 图像具有几何畸变的特征,这表现在雷达透视收缩(foreshortening 、雷达迭掩(lay 2over 、雷达阴影(shadowing 等方面。关于这些几何畸变产生的原因见文献3中的讨论。这些几何畸变会对S AR 图像的应用和干涉分析带来负面影响。参考文献1Liu ,G uoxiang 1Mapping of Earth Deformations with SatelliteRadar Inter ferometry :A S tu

13、dy of I ts Accuracy and Reliability Per formances D1Ph 1D 1thesis :Dept 1of Land Surveying &G eo -In formatics ,The H ong K ong P olytechnic University ,pp 1250,200312刘国祥,丁晓利,李志林,陈永奇,章国宝1卫星S AR复数图像的空间配准J 1测绘学报,2001,30:60-6613刘国祥,丁晓利,李志林,陈永奇,李志伟1使用In 2S AR 建立DE M 的试验研究J 1测绘学报,2001,30:336-34214刘国祥

14、,刘文熙,黄丁发1InS AR 技术及其应用中的若干问题J 1测绘通报,2001,8:10-1215舒宁1雷达遥感原理M 1北京:测绘出版社,19961收稿日期2004-08-06作者简介刘国祥(1968-,男,博士,现任西南交通大学测量工程系教授,主要从事遥感及GIS 研究。本讲座得到了国家自然科学基金项目的资助(批准号:40374003。InSAR系列讲座2SAR成像原理与图像特征刘国祥(西南交通大学测量工程系,四川成都,610031摘要作为InS AR系列讲座的第二篇,本文介绍InS AR的传感器合成孔径雷达(S AR的成像基本原理与其所获取的S AR图像特征。关键词S AR成像传感器;

15、原理;S AR图像;图像特征中图分类号P237文献标识码A文章编号1001-8379(200403-0141-03Principles of Imaging SAR and Characteristics of SAR ImageLIU Guo2xiang(Dept1of Surveying Engineering,S outhwest Jiaotong University,Chengdu610031,ChinaAbstract:As the second part of the tutorial,the paper will introduce the basic principles o

16、f imaging sens or of synthetic aper2 ture radar(S ARand the characteristics of S AR image1K ey w ords:imaging S AR sens or;principles;S AR image;image characteristics1引言上一个讲座总体介绍了InS AR的发展历史、技术背景、系统构成与应用情况等。要完整理解In2S AR的基本原理,我们要首先了解合成孔径雷达(S AR成像传感器的基本原理与S AR图像的基本特征,这正是本讲座的主题。我们已知道,InS AR主要是利用覆盖同一地区的

17、多幅S AR影像来提取有用信息,更确切地说,是从它们所产生的干涉相位图来提取地形或形变信息。因而,了解S AR影像的获取原理是理解干涉实质的前提。本文将首先介绍真实孔径侧视(Sidelooking雷达成像的基理,然后介绍合成孔径侧视雷达成像的基理,最后介绍S AR图像的基本特征。2真实孔径侧视雷达成像图1显示了对地观测成像雷达的几何配置。搭载雷达的平台可以是飞机、卫星或航天飞机。雷达以一定的侧视角0发射一个椭圆锥状的微波脉冲束,这个椭圆锥的轴垂直于平台飞行方向,与轨道垂直的面内的椭圆锥顶角即波束高度角V与雷达天线宽度w有关,即:V =w(1这里,为雷达所采用的微波波长;而沿轨的椭圆锥顶角h与雷

18、达天线长度L有关,即:h =L(2这个椭圆锥状的微波脉冲束在地表形成一个辐照带(footprint,这个辐照带可看作由许多小的空间面元所组成,每一个面元将雷达脉冲后向散射(backscattering回去,由雷达接收并记录下来。实际上,如图2所示,对于影像平面内某一行像素,不同雷达斜距R对应于不同的像素。这样,在雷达平台飞行的过程中,一定幅宽(swath的地表被连续成像,幅宽W G可如下近似确定:W GRmwcos(3这里,R m为雷达中心到椭圆锥状辐照带中心的斜距,为该中心点的雷达入射角 。图1 雷达成像几何图2雷达斜距投影可区分两个相邻目标的最小距离称为雷达影像的空间分辨率。显然,这个距离

19、越小,分辨率越高,如图3所示,沿雷达飞行即方位向(azimuth 和雷达斜距向(slant range 的分辨率分别为X 和R ,将斜距分辨率Y 投影到水平地面时,则变为斜距向地面分辨率Y 。结合式(2,方位向分辨率可按下面公式确定:X =R h =R L(4这里,R 为雷达斜距。实际上,X 就是雷达辐照带的沿轨宽度。斜距分辨率和斜距向地面分辨率分别为:R =c p2(5Y=R cos (90°-i =c p2cos (90°-i (6这里,c 为光速,p 为脉冲宽度,i 为侧视角i 。实际上,随着侧视角i 在一定范围内的变化,因为R 为定值,则Y 也在一定的范围内变化,也

20、就是说,雷达斜距向的地面分辨率是变化的, 越靠近底点,斜距向地面分辨率越低,越远离底点,斜距向地面分辨率越高。如果雷达侧视角为0,即正对底点成像,那么,靠近底点的地面分辨率将非常糟糕,这也正是为什么成像雷达一定要侧视的主要原因。值得注意的是,较航空摄影测量的中心投影方式,雷达斜距投影方式是非常特别的。公式(4(6说明了雷达斜距或地面分辨率仅与雷达波特征和雷达侧视角有关系,而与雷达天线的大小无关,但是方位向分辨率主要由雷达天线的长度所决定,比如,若ERS -1/2卫星雷达(使用C 波段,=5166cm 操作在真实孔径成像模式上,为了达到10m 方位向分辨率,将需要3km 长的雷达天线,这是一般飞

21、行平台难以承受的。也就是说,常规真实孔径成像雷达系统不可能获得沿搭载平台飞行方向具有高分辨率的图像,而在合成孔径雷达成像模式下,这一问题得到了很好的解决。图3成像雷达分辨率3合成孔径侧视雷达成像当雷达沿轨道飞行时,被成像的地面目标与雷达间存在相对运动,因而被地面反射回来的雷达脉冲频率产生漂移,这就是美国人Carl Wiley 发现的多普勒频移(D oppler frequency shift 现象。合成孔径雷达正是利用这一物理现象来改善雷达成像的方位向分辨率的。图4显示了合成孔径侧视雷达成像的几何。设一个具有长度为L 的真实孔径雷达天线从点a 移动到点b 再到c ,则被成像点O 的雷达斜距会由

22、大变小再变大,这样雷达接收从地面点O 反射回来的脉冲频率会产生变化,即频率漂移由大变小。通过精确测定这些接收脉冲的雷达相位延迟并跟踪频率漂移,最后可相应地合成一个脉冲,使方位向的目标被锐化(sharpening ,即提高方位向分辨率(如图4所示。相对于真实孔径雷达方位向分辨率来说,合成孔径雷达的方位向分辨率被大大地改善,此时的X 可近似表达为:X =L 2(7这意味着方位向分辨率仅由雷达天线的长度所确定。比如,ERS -1/2操作在合成孔径雷达成像模式下,使用长度为10m 的天线,便可获得5米左右的方位向分辨率。图4合成孔径雷达成像几何必须记住,机载/星载雷达系统基于侧视成像几何所获取的初数据

23、须经计算机集焦(focusing 和滤波处理才能形成S AR 影像,也就是说,“合成孔径”的概念是通过数据处理来实现的。4S AR 图像的基本特征S AR 影像的每一像素不仅包含反映地表微波反射强度即所谓的灰度值,而且还包含与雷达斜距(一般取样到垂直于平台飞行方向的斜距上有关的相位值,这两个信息分量可用一个复数(a +b i 来表达,即Pixel a +b i =a 2+b 2e i(8四川测绘第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月 143 其中 , a2 + b2 为振幅 ( 对应灰度信息 , = tan - 1 ( b/ a 为相位值 。因此 SAR 影像又被称为复 数影像 。振幅越

24、大 , 表示地表反射强度越大 。反射 强度的大小取决于雷达侧视角度 、雷达波长 、雷达 极化方式 、表面朝向 、表面粗糙度等诸因素 。如平 静的湖面在雷达灰度图像中呈全黑 , 而城市则呈现 为亮区域 。 从像素信息量来看 , SAR 图像比可见光遥感影 像要丰富 , 可见光遥感影像的每一像素仅包含灰度 信息 。从视觉效果来看 , SAR 灰度影像远没有可见 光遥感影像 ( 含航摄相片 清晰 , 这主要是由于雷 达成像时无法避免所谓的斑点噪声效应 。因此 , 要 获得好的视觉效果 , 一般要进行多视 ( multilooking 处理即平滑处理 , 以牺牲分辨率而提高信噪比 。 前已指出 , I

25、nSAR 主要是基于相位信息的处理 来提取有用信息的 , 理解相位信息的基理就显得非 常重要 。如图 5 所示 , 雷达相位不仅与几何斜距 R (从雷达平台到地表分辨元平均反射面的距离 有 关 , 而且地表分辨元内部诸地物对总体观测相位有 加权和的贡献 , 即分辨元内每一地物到平均反射面 的几何距离i 引起相位延迟 , 每一地物具有不同的 物理后向散射特性从而引起相位延迟 , 具体相位分 量理论表达式见图 5 中所示 。这就说明了 SAR 图像 像素所记录的相位信息不仅包含距离信息 , 而且还 包含地面分辨元诸要素的附加相位贡献 , 而后者表 现出极大的随机性 , 因此一般被视为噪声 , 对干涉分 析带来不便。此外 , 值得注意的是相位的整周数是未 知的。这些问题将留在后续讲座中进一步讨论。 因雷达采用侧视斜距投影成像方式且受地形起 伏