1、InSAR系列講座2SAR成像原理與圖像特征劉國(guó)祥(西南交通大學(xué)測(cè)量工程系,四川成都,610031摘要作為InS AR系列講座的第二篇,本文介紹InS AR的傳感器合成孔徑雷達(dá)(S AR的成像基本原理與其所獲取的S AR圖像特征。關(guān)鍵詞S AR成像傳感器;原理;S AR圖像;圖像特征中圖分類號(hào)P237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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引言上一個(gè)

3、講座總體介紹了InS AR的發(fā)展歷史、技術(shù)背景、系統(tǒng)構(gòu)成與應(yīng)用情況等。要完整理解In2S AR的基本原理,我們要首先了解合成孔徑雷達(dá)(S AR成像傳感器的基本原理與S AR圖像的基本特征,這正是本講座的主題。我們已知道,InS AR主要是利用覆蓋同一地區(qū)的多幅S AR影像來提取有用信息,更確切地說,是從它們所產(chǎn)生的干涉相位圖來提取地形或形變信息。因而,了解S AR影像的獲取原理是理解干涉實(shí)質(zhì)的前提。本文將首先介紹真實(shí)孔徑側(cè)視(Sidelooking雷達(dá)成像的基理,然后介紹合成孔徑側(cè)視雷達(dá)成像的基理,最后介紹S AR圖像的基本特征。2真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)成像圖1顯示了對(duì)地觀測(cè)成像雷達(dá)的幾何配置。搭載

4、雷達(dá)的平臺(tái)可以是飛機(jī)、衛(wèi)星或航天飛機(jī)。雷達(dá)以一定的側(cè)視角0發(fā)射一個(gè)橢圓錐狀的微波脈沖束,這個(gè)橢圓錐的軸垂直于平臺(tái)飛行方向,與軌道垂直的面內(nèi)的橢圓錐頂角即波束高度角V與雷達(dá)天線寬度w有關(guān),即:V =w(1這里,為雷達(dá)所采用的微波波長(zhǎng);而沿軌的橢圓錐頂角h與雷達(dá)天線長(zhǎng)度L有關(guān),即:h =L(2這個(gè)橢圓錐狀的微波脈沖束在地表形成一個(gè)輻照帶(footprint,這個(gè)輻照帶可看作由許多小的空間面元所組成,每一個(gè)面元將雷達(dá)脈沖后向散射(backscattering回去,由雷達(dá)接收并記錄下來。實(shí)際上,如圖2所示,對(duì)于影像平面內(nèi)某一行像素,不同雷達(dá)斜距R對(duì)應(yīng)于不同的像素。這樣,在雷達(dá)平臺(tái)飛行的過程中,一定幅寬

5、(swath的地表被連續(xù)成像,幅寬W G可如下近似確定:W GRmwcos(3這里,R m為雷達(dá)中心到橢圓錐狀輻照帶中心的斜距,為該中心點(diǎn)的雷達(dá)入射角 。圖1 雷達(dá)成像幾何圖2雷達(dá)斜距投影可區(qū)分兩個(gè)相鄰目標(biāo)的最小距離稱為雷達(dá)影像的空間分辨率。顯然,這個(gè)距離越小,分辨率越高,如圖3所示,沿雷達(dá)飛行即方位向(azimuth 和雷達(dá)斜距向(slant range 的分辨率分別為X 和R ,將斜距分辨率Y 投影到水平地面時(shí),則變?yōu)樾本嘞虻孛娣直媛蔣 。結(jié)合式(2,方位向分辨率可按下面公式確定:X =R h =R L(4這里,R 為雷達(dá)斜距。實(shí)際上,X 就是雷達(dá)輻照帶的沿軌寬度。斜距分辨率和斜距向地面分

6、辨率分別為:R =c p2(5Y=R cos (90°-i =c p2cos (90°-i (6這里,c 為光速,p 為脈沖寬度,i 為側(cè)視角i 。實(shí)際上,隨著側(cè)視角i 在一定范圍內(nèi)的變化,因?yàn)镽 為定值,則Y 也在一定的范圍內(nèi)變化,也就是說,雷達(dá)斜距向的地面分辨率是變化的, 越靠近底點(diǎn),斜距向地面分辨率越低,越遠(yuǎn)離底點(diǎn),斜距向地面分辨率越高。如果雷達(dá)側(cè)視角為0,即正對(duì)底點(diǎn)成像,那么,靠近底點(diǎn)的地面分辨率將非常糟糕,這也正是為什么成像雷達(dá)一定要側(cè)視的主要原因。值得注意的是,較航空攝影測(cè)量的中心投影方式,雷達(dá)斜距投影方式是非常特別的。公式(4(6說明了雷達(dá)斜距或地面分辨率僅與

7、雷達(dá)波特征和雷達(dá)側(cè)視角有關(guān)系,而與雷達(dá)天線的大小無關(guān),但是方位向分辨率主要由雷達(dá)天線的長(zhǎng)度所決定,比如,若ERS -1/2衛(wèi)星雷達(dá)(使用C 波段,=5166cm 操作在真實(shí)孔徑成像模式上,為了達(dá)到10m 方位向分辨率,將需要3km 長(zhǎng)的雷達(dá)天線,這是一般飛行平臺(tái)難以承受的。也就是說,常規(guī)真實(shí)孔徑成像雷達(dá)系統(tǒng)不可能獲得沿搭載平臺(tái)飛行方向具有高分辨率的圖像,而在合成孔徑雷達(dá)成像模式下,這一問題得到了很好的解決。圖3成像雷達(dá)分辨率3合成孔徑側(cè)視雷達(dá)成像當(dāng)雷達(dá)沿軌道飛行時(shí),被成像的地面目標(biāo)與雷達(dá)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),因而被地面反射回來的雷達(dá)脈沖頻率產(chǎn)生漂移,這就是美國(guó)人Carl Wiley 發(fā)現(xiàn)的多普勒頻移

8、(D oppler frequency shift 現(xiàn)象。合成孔徑雷達(dá)正是利用這一物理現(xiàn)象來改善雷達(dá)成像的方位向分辨率的。圖4顯示了合成孔徑側(cè)視雷達(dá)成像的幾何。設(shè)一個(gè)具有長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的真實(shí)孔徑雷達(dá)天線從點(diǎn)a 移動(dòng)到點(diǎn)b 再到c ,則被成像點(diǎn)O 的雷達(dá)斜距會(huì)由大變小再變大,這樣雷達(dá)接收從地面點(diǎn)O 反射回來的脈沖頻率會(huì)產(chǎn)生變化,即頻率漂移由大變小。通過精確測(cè)定這些接收脈沖的雷達(dá)相位延遲并跟蹤頻率漂移,最后可相應(yīng)地合成一個(gè)脈沖,使方位向的目標(biāo)被銳化(sharpening ,即提高方位向分辨率(如圖4所示。相對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)方位向分辨率來說,合成孔徑雷達(dá)的方位向分辨率被大大地改善,此時(shí)的X 可近似表達(dá)為

9、:X =L 2(7這意味著方位向分辨率僅由雷達(dá)天線的長(zhǎng)度所確定。比如,ERS -1/2操作在合成孔徑雷達(dá)成像模式下,使用長(zhǎng)度為10m 的天線,便可獲得5米左右的方位向分辨率。圖4合成孔徑雷達(dá)成像幾何必須記住,機(jī)載/星載雷達(dá)系統(tǒng)基于側(cè)視成像幾何所獲取的初數(shù)據(jù)須經(jīng)計(jì)算機(jī)集焦(focusing 和濾波處理才能形成S AR 影像,也就是說,“合成孔徑”的概念是通過數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)的。4S AR 圖像的基本特征S AR 影像的每一像素不僅包含反映地表微波反射強(qiáng)度即所謂的灰度值,而且還包含與雷達(dá)斜距(一般取樣到垂直于平臺(tái)飛行方向的斜距上有關(guān)的相位值,這兩個(gè)信息分量可用一個(gè)復(fù)數(shù)(a +b i 來表達(dá),即Pix

10、el a +b i =a 2+b 2e i(8其中,a 2+b 2為振幅(對(duì)應(yīng)灰度信息, =tan -1(b/a 為相位值。因此S AR 影像又被稱為復(fù)數(shù)影像。振幅越大,表示地表反射強(qiáng)度越大。反射強(qiáng)度的大小取決于雷達(dá)側(cè)視角度、雷達(dá)波長(zhǎng)、雷達(dá)極化方式、表面朝向、表面粗糙度等諸因素。如平靜的湖面在雷達(dá)灰度圖像中呈全黑,而城市則呈現(xiàn)為亮區(qū)域。從像素信息量來看,S AR 圖像比可見光遙感影像要豐富,可見光遙感影像的每一像素僅包含灰度信息。從視覺效果來看,S AR 灰度影像遠(yuǎn)沒有可見光遙感影像(含航攝相片清晰,這主要是由于雷達(dá)成像時(shí)無法避免所謂的斑點(diǎn)噪聲效應(yīng)。因此,要獲得好的視覺效果,一般要進(jìn)行多視(m

11、ultilooking 處理即平滑處理,以犧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處理來提取有用信息的,理解相位信息的基理就顯得非常重要。如圖5所示,雷達(dá)相位不僅與幾何斜距R (從雷達(dá)平臺(tái)到地表分辨元平均反射面的距離有關(guān),而且地表分辨元內(nèi)部諸地物對(duì)總體觀測(cè)相位有加權(quán)和的貢獻(xiàn),即分辨元內(nèi)每一地物到平均反射面的幾何距離 i 引起相位延遲,每一地物具有不同的物理后向散射特性從而引起相位延遲,具體相位分量理論表達(dá)式見圖5中所示。這就說明了S AR 圖像像素所記錄的相位信息不僅包含距離信息,而且還包含地面分辨元諸要素的附加相位貢獻(xiàn),而后者表現(xiàn)出極大的隨機(jī)性,因此一般被視為噪聲

12、,對(duì)干涉分析帶來不便。此外,值得注意的是相位的整周數(shù)是未知的。這些問題將留在后續(xù)講座中進(jìn)一步討論。 因雷達(dá)采用側(cè)視斜距投影成像方式且受地形起伏的影響,S AR 圖像具有幾何畸變的特征,這表現(xiàn)在雷達(dá)透視收縮(foreshortening 、雷達(dá)迭掩(lay 2over 、雷達(dá)陰影(shadowing 等方面。關(guān)于這些幾何畸變產(chǎn)生的原因見文獻(xiàn)3中的討論。這些幾何畸變會(huì)對(duì)S AR 圖像的應(yīng)用和干涉分析帶來負(fù)面影響。參考文獻(xiàn)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劉國(guó)祥,丁曉利,李志林,陳永奇,章國(guó)寶1衛(wèi)星S AR復(fù)數(shù)圖像的空間配準(zhǔn)J 1測(cè)繪學(xué)報(bào),2001,30:60-6613劉國(guó)祥,丁曉利,李志林,陳永奇,李志偉1使用In 2S AR 建立DE M 的試驗(yàn)研究J 1測(cè)繪學(xué)報(bào),2001,30:336-34214劉國(guó)祥

14、,劉文熙,黃丁發(fā)1InS AR 技術(shù)及其應(yīng)用中的若干問題J 1測(cè)繪通報(bào),2001,8:10-1215舒寧1雷達(dá)遙感原理M 1北京:測(cè)繪出版社,19961收稿日期2004-08-06作者簡(jiǎn)介劉國(guó)祥(1968-,男,博士,現(xiàn)任西南交通大學(xué)測(cè)量工程系教授,主要從事遙感及GIS 研究。本講座得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助(批準(zhǔn)號(hào):40374003。InSAR系列講座2SAR成像原理與圖像特征劉國(guó)祥(西南交通大學(xué)測(cè)量工程系,四川成都,610031摘要作為InS AR系列講座的第二篇,本文介紹InS AR的傳感器合成孔徑雷達(dá)(S AR的成像基本原理與其所獲取的S AR圖像特征。關(guān)鍵詞S AR成像傳感器;

15、原理;S AR圖像;圖像特征中圖分類號(hào)P237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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引言上一個(gè)講座總體介紹了InS AR的發(fā)展歷史、技術(shù)背景、系統(tǒng)構(gòu)成與應(yīng)用情況等。要完整理解In2S AR的基本原理,我們要首先了解合成孔徑雷達(dá)(S AR成像傳感器的基本原理與S AR圖像的基本特征,這正是本講座的主題。我們已知道,InS AR主要是利用覆蓋同一地區(qū)的

17、多幅S AR影像來提取有用信息,更確切地說,是從它們所產(chǎn)生的干涉相位圖來提取地形或形變信息。因而,了解S AR影像的獲取原理是理解干涉實(shí)質(zhì)的前提。本文將首先介紹真實(shí)孔徑側(cè)視(Sidelooking雷達(dá)成像的基理,然后介紹合成孔徑側(cè)視雷達(dá)成像的基理,最后介紹S AR圖像的基本特征。2真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)成像圖1顯示了對(duì)地觀測(cè)成像雷達(dá)的幾何配置。搭載雷達(dá)的平臺(tái)可以是飛機(jī)、衛(wèi)星或航天飛機(jī)。雷達(dá)以一定的側(cè)視角0發(fā)射一個(gè)橢圓錐狀的微波脈沖束,這個(gè)橢圓錐的軸垂直于平臺(tái)飛行方向,與軌道垂直的面內(nèi)的橢圓錐頂角即波束高度角V與雷達(dá)天線寬度w有關(guān),即:V =w(1這里,為雷達(dá)所采用的微波波長(zhǎng);而沿軌的橢圓錐頂角h與雷

18、達(dá)天線長(zhǎng)度L有關(guān),即:h =L(2這個(gè)橢圓錐狀的微波脈沖束在地表形成一個(gè)輻照帶(footprint,這個(gè)輻照帶可看作由許多小的空間面元所組成,每一個(gè)面元將雷達(dá)脈沖后向散射(backscattering回去,由雷達(dá)接收并記錄下來。實(shí)際上,如圖2所示,對(duì)于影像平面內(nèi)某一行像素,不同雷達(dá)斜距R對(duì)應(yīng)于不同的像素。這樣,在雷達(dá)平臺(tái)飛行的過程中,一定幅寬(swath的地表被連續(xù)成像,幅寬W G可如下近似確定:W GRmwcos(3這里,R m為雷達(dá)中心到橢圓錐狀輻照帶中心的斜距,為該中心點(diǎn)的雷達(dá)入射角 。圖1 雷達(dá)成像幾何圖2雷達(dá)斜距投影可區(qū)分兩個(gè)相鄰目標(biāo)的最小距離稱為雷達(dá)影像的空間分辨率。顯然,這個(gè)距離

19、越小,分辨率越高,如圖3所示,沿雷達(dá)飛行即方位向(azimuth 和雷達(dá)斜距向(slant range 的分辨率分別為X 和R ,將斜距分辨率Y 投影到水平地面時(shí),則變?yōu)樾本嘞虻孛娣直媛蔣 。結(jié)合式(2,方位向分辨率可按下面公式確定:X =R h =R L(4這里,R 為雷達(dá)斜距。實(shí)際上,X 就是雷達(dá)輻照帶的沿軌寬度。斜距分辨率和斜距向地面分辨率分別為:R =c p2(5Y=R cos (90°-i =c p2cos (90°-i (6這里,c 為光速,p 為脈沖寬度,i 為側(cè)視角i 。實(shí)際上,隨著側(cè)視角i 在一定范圍內(nèi)的變化,因?yàn)镽 為定值,則Y 也在一定的范圍內(nèi)變化,也

20、就是說,雷達(dá)斜距向的地面分辨率是變化的, 越靠近底點(diǎn),斜距向地面分辨率越低,越遠(yuǎn)離底點(diǎn),斜距向地面分辨率越高。如果雷達(dá)側(cè)視角為0,即正對(duì)底點(diǎn)成像,那么,靠近底點(diǎn)的地面分辨率將非常糟糕,這也正是為什么成像雷達(dá)一定要側(cè)視的主要原因。值得注意的是,較航空攝影測(cè)量的中心投影方式,雷達(dá)斜距投影方式是非常特別的。公式(4(6說明了雷達(dá)斜距或地面分辨率僅與雷達(dá)波特征和雷達(dá)側(cè)視角有關(guān)系,而與雷達(dá)天線的大小無關(guān),但是方位向分辨率主要由雷達(dá)天線的長(zhǎng)度所決定,比如,若ERS -1/2衛(wèi)星雷達(dá)(使用C 波段,=5166cm 操作在真實(shí)孔徑成像模式上,為了達(dá)到10m 方位向分辨率,將需要3km 長(zhǎng)的雷達(dá)天線,這是一般飛

21、行平臺(tái)難以承受的。也就是說,常規(guī)真實(shí)孔徑成像雷達(dá)系統(tǒng)不可能獲得沿搭載平臺(tái)飛行方向具有高分辨率的圖像,而在合成孔徑雷達(dá)成像模式下,這一問題得到了很好的解決。圖3成像雷達(dá)分辨率3合成孔徑側(cè)視雷達(dá)成像當(dāng)雷達(dá)沿軌道飛行時(shí),被成像的地面目標(biāo)與雷達(dá)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),因而被地面反射回來的雷達(dá)脈沖頻率產(chǎn)生漂移,這就是美國(guó)人Carl Wiley 發(fā)現(xiàn)的多普勒頻移(D oppler frequency shift 現(xiàn)象。合成孔徑雷達(dá)正是利用這一物理現(xiàn)象來改善雷達(dá)成像的方位向分辨率的。圖4顯示了合成孔徑側(cè)視雷達(dá)成像的幾何。設(shè)一個(gè)具有長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的真實(shí)孔徑雷達(dá)天線從點(diǎn)a 移動(dòng)到點(diǎn)b 再到c ,則被成像點(diǎn)O 的雷達(dá)斜距會(huì)由

22、大變小再變大,這樣雷達(dá)接收從地面點(diǎn)O 反射回來的脈沖頻率會(huì)產(chǎn)生變化,即頻率漂移由大變小。通過精確測(cè)定這些接收脈沖的雷達(dá)相位延遲并跟蹤頻率漂移,最后可相應(yīng)地合成一個(gè)脈沖,使方位向的目標(biāo)被銳化(sharpening ,即提高方位向分辨率(如圖4所示。相對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)方位向分辨率來說,合成孔徑雷達(dá)的方位向分辨率被大大地改善,此時(shí)的X 可近似表達(dá)為:X =L 2(7這意味著方位向分辨率僅由雷達(dá)天線的長(zhǎng)度所確定。比如,ERS -1/2操作在合成孔徑雷達(dá)成像模式下,使用長(zhǎng)度為10m 的天線,便可獲得5米左右的方位向分辨率。圖4合成孔徑雷達(dá)成像幾何必須記住,機(jī)載/星載雷達(dá)系統(tǒng)基于側(cè)視成像幾何所獲取的初數(shù)據(jù)

23、須經(jīng)計(jì)算機(jī)集焦(focusing 和濾波處理才能形成S AR 影像,也就是說,“合成孔徑”的概念是通過數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)的。4S AR 圖像的基本特征S AR 影像的每一像素不僅包含反映地表微波反射強(qiáng)度即所謂的灰度值,而且還包含與雷達(dá)斜距(一般取樣到垂直于平臺(tái)飛行方向的斜距上有關(guān)的相位值,這兩個(gè)信息分量可用一個(gè)復(fù)數(shù)(a +b i 來表達(dá),即Pixel a +b i =a 2+b 2e i(8四川測(cè)繪第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月 143 其中 , a2 + b2 為振幅 ( 對(duì)應(yīng)灰度信息 , = tan - 1 ( b/ a 為相位值 。因此 SAR 影像又被稱為復(fù) 數(shù)影像 。振幅越

24、大 , 表示地表反射強(qiáng)度越大 。反射 強(qiáng)度的大小取決于雷達(dá)側(cè)視角度 、雷達(dá)波長(zhǎng) 、雷達(dá) 極化方式 、表面朝向 、表面粗糙度等諸因素 。如平 靜的湖面在雷達(dá)灰度圖像中呈全黑 , 而城市則呈現(xiàn) 為亮區(qū)域 。 從像素信息量來看 , SAR 圖像比可見光遙感影 像要豐富 , 可見光遙感影像的每一像素僅包含灰度 信息 。從視覺效果來看 , SAR 灰度影像遠(yuǎn)沒有可見 光遙感影像 ( 含航攝相片 清晰 , 這主要是由于雷 達(dá)成像時(shí)無法避免所謂的斑點(diǎn)噪聲效應(yīng) 。因此 , 要 獲得好的視覺效果 , 一般要進(jìn)行多視 ( multilooking 處理即平滑處理 , 以犧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處理 來提取有用信息的 , 理解相位信息的基理就顯得非 常重要 。如圖 5 所示 , 雷達(dá)相位不僅與幾何斜距 R (從雷達(dá)平臺(tái)到地表分辨元平均反射面的距離 有 關(guān) , 而且地表分辨元內(nèi)部諸地物對(duì)總體觀測(cè)相位有 加權(quán)和的貢獻(xiàn) , 即分辨元內(nèi)每一地物到平均反射面 的幾何距離i 引起相位延遲 , 每一地物具有不同的 物理后向散射特性從而引起相位延遲 , 具體相位分 量理論表達(dá)式見圖 5 中所示 。這就說明了 SAR 圖像 像素所記錄的相位信息不僅包含距離信息 , 而且還 包含地面分辨元諸要素的附加相位貢獻(xiàn) , 而后者表 現(xiàn)出極大的隨機(jī)性 , 因此一般被視為噪聲 , 對(duì)干涉分 析帶來不便。此外 , 值得注意的是相位的整周數(shù)是未 知的。這些問題將留在后續(xù)講座中進(jìn)一步討論。 因雷達(dá)采用側(cè)視斜距投影成像方式且受地形起 伏