SAR图像处理

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一：SAR图像概述：

SAR是一种可成像的雷达，它所用的雷达波段大约是300MHz到30GHz。比如一般用的波段是1~10GHz的合成孔径雷达，大气对这种波段的影响不大。也就是说如果天上有一个合成孔径雷达卫星，白天黑夜、大气的云雾雨雪等天气变化对雷达看到的结果影响甚微，可忽略不计。所以合成孔径雷达是一种全天时、全天候的雷达，它所成的图像就是SAR图像了。 SAR图像的场景和照相机拍出来的场景类似，只不过波段不同看到的事物也不一样。SAR都是斜视的，而光学的可以垂直照射。

二 SAR图像成像原理

雷达是通过发射微波，接收地面目标反射的回波来获得信息的一种主动微波遥感，而且主要采用侧视雷达。侧视雷达的工作原理是把天线安装在飞行器的侧面，在垂直于航线的一侧或两侧发射雷达波束，这个波束在航向上很窄，在距离向上很宽，覆盖了地面上一个很窄的条带，随着飞行器向前移动，不断地发射这样的波束，并接收相应的地面窄带上各种地物的回波信号。这样，雷达波束在目标区域上扫过，获得该地区的连续带状。平行于飞行航线的方向称为方位向，垂直于航线的方向称为距离向。图像的灰度与后向散射波强相关，反映地表的粗糙性、介电常数等性质。侧视雷达又可以分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达。真实孔径雷达是一种以天线的真实孔径工作的侧视雷达，这种雷达的方位向分辨率比较低，要提高方位向分辨率，只有加大天线的孔径，尽量缩短观测距离和采用较短波长的电磁波，但是在实际应用中，这些办法受到很多因素的限制，因此要想进一步提高方位向分辨

率，往往采用合成孔径技术。合成孔径雷达（SAR）作为一种高分辨成像雷达，其基本思想是：将同时处于天线主波束内的真实孔径雷达不能区分的多个目标的多普勒频率和相位同时加以记录和处理，然后再根据多普勒频率和相位的不同来识别相邻的目标。也就是说，利用飞行器的移动，将真实孔径雷达的小天线依次携带到相应于线性天线阵列的各个阵元应该放置的位置上，而在每个位置上发射一个雷达信号并接收其回波加以存储，当发射单元移动一个波束宽度的距离后，存储的信号与一个实际线性天线阵诸阵元所接收到的天线信号非常相似。所不同的是，前者是在不同的时刻记录不同位置的相干信号，然后进行合成；后者是在同一时刻记录不同位置的信号并加以合成。因此，只要通过信号处理器的处理，就可以使一个物理长度的短天线起到一个有效长度很长的长天线的作用。因此，从根本上突破了真实孔径天线的限制，使得侧视雷达的方位向分辨率得到了较大的提高。

三：光学图像与SAR图像的异同：

对于初学者来说，区分光学图像与SAR图像是很重要的。通过查阅资料以及《新技术讲座》这门课的学习，以下是我的一些见解：

按传感器采用的成像波段分类，光学图像通常是指可见光和部分红外波段传感器获取的影像数据。而SAR传感器基本属于微波频段，波长通常在厘米级。

可见光图像通常会包含多个波段的灰度信息，以便于识别目标和分类提取。而SAR 图像则只记录了一个波段的回波信息，以二进制复数形式记录下来；但基于每个像素的复数数据可变换提取相应的振幅和相位信息。振幅信息通常对应于地面目标对雷达波的后向散射强度，与目标介质、含水量以及粗糙程度密切相关；该信息与可见光成像获得的灰度信息有较大的相关性。而相位信息则对应于传感器平台与地面目标的往返传播距离，这与GPS相位测距的原理相同。

由于SAR影像分辨率相对较低、信噪比较低，所以SAR影像中所包含的振幅信息远达不到同光学影像的成像水平；但其特有的相位信息是其他传感器所无法获取的，基于相位的干涉建模也是SAR的主要应用方向。

在成像模式方面，光学影像通常采用中心投影面域成像或推帚式扫描获取数据；而S AR处于信号处理的需要（合成孔径过程，这里就不展开讨论了）不能采用垂直向下的照射方式而只能通过测视主动成像方式发射和接受面域雷达波，并通过信号处理（聚焦、压缩、滤波等）手段后期合成对应于地面目标的复数像元。

单一SAR影像的相位信息基本没有统计特征，只有振幅信息可用于目标识别和分类等应用。正如前面所说，振幅信息深受噪声的影响，加之SAR影像特有的几何畸变（叠掩、透视收缩、多路径虚假目标等）特征，个人认为仁兄若是想在图像分割领域做探讨的话，可以直接忽略掉SAR影像了。

四：SAR图像的几何特征与纠正方法

在雷达成像中，目标的位置在方向上按雷达飞行的时序记录成像，而在距离向是按目标反射信息先后来记录成像及斜距成像，因而它有不同于一般光学影像的几何特征。

透视收缩：出现在距离向是指图像依比例尺测量距离比实际距离小的特征。收缩的大小随波束入射角的变化而变化，例如山坡这样的目标，即使前、后坡的大小一样，由于透视收缩的原理，使得图像正对波束的一面较窄，而背对波束的一面较宽。

定点位移：雷达是距离成像，目标距天线的距离越近，成像则越靠近航迹线，因此，高出地面的物体的影像靠近航迹线，而低于地面的物体的影像原理航迹线。顶点位移的大小同物体的高度和波束的入射角有关。

阴影：雷达成像是侧视的，发射的电磁波沿直线传播，因此，高的物体阻挡雷达发射的电磁波，而位于高物体之下的地物不能反射电磁波，不能成像从而形成阴影。阴影的大小跟物体的高度、雷达天线的俯角以及背坡坡角有关。

叠掩：多个目标由于斜距相同，它们在影像上具有相同的位置，使这点的灰度值很大，这种现象叫做叠掩。

SAR 图像几何纠正方法

目前已经提出了一些处理方法，如：

1）利用SAR的斜距信息和DEM来模拟SAR成像的透视收缩，然后利用TM影像来与之相匹配，最后达到纠正的目的。

2）利用DEM和后向散射函数以及卫星辅助数据记录模拟雷达影像并生成DEM 地址文件，在模拟影像上给每个像素指定一个地理参考位置，然后进行匹配与重采样，以实现图像的每个像素作必要的坐标变换，生成一种以地面坐标系为标准的新图像。

3）方圣辉舒宁潘斌在“ERS-1SAR图像的几何处理的研究”中，提供的模式是按照SAR的构象方程，利用星历参数建立的，可以达到很好的纠正精度：（1）利用影像的头文件提供的参数把地距产品转化为斜距产品；（2）利用斜距投影建立纠正数学模型。

五：SAR 图像相干斑的形成机理

由于雷达所照射场景的特性——表面的粗造程度、分布式散射体的密度等等，总是不确定的，因而SAR原始信号表现为一个随机过程。SAR图像中的噪声包括系统噪声和斑点噪声。其中，系统噪声主要包括系统的非线性性质，对数据进行采样、量化、压缩、传输和解码等数字化过程以及图像本身在成像过程中的退化等因素的影响所产生的噪声，是直接作用到图像上的，一般可以用高斯噪声或椒盐噪声进行描述。而对SAR图像质量影响最大的斑点噪声与成像系统本身固有的噪声有着本质的