合成孔径雷达成像原理与图像特征
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四川测绘第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月
141
InSAR 系列讲座 2
SAR 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 InSAR 系列讲座的第二篇 , 本文介绍 InSAR 的传感器 ———合成孔径雷达 (SAR) 的成像基本原 理与其所获取的 SAR 图像特征 。 [ 关键词 ] SAR 成像传感器 ; 原理 ; SAR 图像 ; 图像特征 [ 中图分类号 ] P237 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1001 - 8379 (2004) 03 - 0141 - 03
Abstract : As the second part of the tutorial , the paper will introduce the basic principles of imaging sensor of synthetic aper2 ture radar (SAR) and the characteristics of SAR image1 Key words : imaging SAR sensor ; principles ; SAR image ; image characteristics
参考文献 [1 ] Liu , Guoxiang1 Mapping of Earth Deformations with Satellite
Radar Interferometry : A Study of Its Accuracy and Reliability Performances [D ] 1 Ph1D1 thesis : Dept1 of Land Surveying
1 引言
上一个讲座总体介绍了 InSAR 的发展历史 、技
术背景 、系统构成与应用情况等 。要完整理解 In2
SAR 的基本原理 , 我们要首先了解合成孔径雷达
(SAR) 成像传感器的基本原理与 SAR 图像的基本特
征 , 这正是本讲座的主题 。
我们已知道 , InSAR 主要是利用覆盖同一地区
的多幅 SAR 影像来提取有用信息 , 更确切地说 , 是
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 10 m 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 SAR 影像 , 也就是说 , “合成孔 径”的概念是通过数据处理来实现的 。
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 。
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 SAR 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 ( Side
looking) 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 SAR 图像的基本特征 。
图 1 雷达成像几何 图 2 雷达斜距投影
142
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ΔX 和 ΔR , 将斜距分辨率ΔY 投影到水平地面时 , 则变为 斜距向地面分辨率ΔY。结合式 (2) , 方位向分辨
4 SAR 图像的基本特征
SAR 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 = a2 + b2ei
率可按下面公式确定 :
ΔX
=
Rωh
=
Rλ L
(4)
这里 , R 为雷达斜距 。实际上 , ΔX 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 :
ΔR
=
cτp 2
(5)
ΔY = cos
ΔR (90°- θi )
= 2cos
cτp (90°- θi )
(6)
这里 , c 为光速 , τp 为脉冲宽度 , θi 为侧视角
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InSAR 系列讲座 2
SAR 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)
因雷达采用侧视斜距投影成像方式且受地形起 伏的影响 , SAR 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 ( lay2 over) 、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 SAR 图像的应用和干涉分析带来负面影响 。
(8)
四川测绘第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月
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 。
θi 。实际上 , 随着侧视角θi 在一定范围内的变化 ,
因为ΔR 为定值 , 则 ΔY 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
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 WG 可如下近似确定 :
WG≈wλcRomsη
(3)
这里 , Rm 为雷达中心到椭圆锥状辐照带中心的 斜距 , η为该中心点的雷达入射角 。
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ΔX 可近似表达为 :
ΔX =
L 2
(7)
这意味着方位向分辨率仅由雷达天线的长度所
& Geo - Informatics , The Hong Kong Polytechnic University , pp1250 , 20031 [ 2 ] 刘国祥 , 丁晓利 , 李志林 , 陈永奇 , 章国宝 1 卫星 SAR 复数图像的空间配准 [J ] 1 测绘学报 , 2001 , 30 : 60
- 661 [3 ] 刘国祥 , 丁晓利 , 李志林 , 陈永奇 , 李志伟 1 使用 In2
SAR 建 立 DEM 的 试 验 研 究 [J ] 1 测 绘 学 报 , 2001 , 30 : 336 - 3421 [4 ] 刘国祥 , 刘文熙 , 黄丁发 1 InSAR 技术及其应用中的 若干问题 [J ] 1 测绘通报 , 2001 , 8 : 10 - 121 [5 ] 舒 宁 1 雷 达 遥 感 原 理 [ M ] 1 北 京 : 测 绘 出 版 社 , 19961
式上 , 为了达到 10 m 方位向分辨率 , 将需要 3 km
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
四川测绘第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月
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
[ 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) 。
四川测绘第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月
3 合成孔径侧视雷达成像
当雷达沿轨道飞行时 , 被成像ຫໍສະໝຸດ Baidu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 (Doppler 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
Principles of Imaging SAR and Characteristics of SAR Image
LIU Guo2xiang
(Dept1 of Surveying Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031 , China)
ωV
=
λ w
(1)
这里 , λ为雷达所采用的微波波长 ; 而沿轨的
椭圆锥顶角ωh 与雷达天线长度 L 有关 , 即 :
ωh
=
λ 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
143
前已指出 , InSAR 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ρi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 。
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 , λ= 5166cm) 操作在真实孔径成像模
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θ0 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ωV 与雷达 天线宽度 w 有关 , 即 :
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InSAR 系列讲座 2
SAR 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 InSAR 系列讲座的第二篇 , 本文介绍 InSAR 的传感器 ———合成孔径雷达 (SAR) 的成像基本原 理与其所获取的 SAR 图像特征 。 [ 关键词 ] SAR 成像传感器 ; 原理 ; SAR 图像 ; 图像特征 [ 中图分类号 ] P237 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1001 - 8379 (2004) 03 - 0141 - 03
Abstract : As the second part of the tutorial , the paper will introduce the basic principles of imaging sensor of synthetic aper2 ture radar (SAR) and the characteristics of SAR image1 Key words : imaging SAR sensor ; principles ; SAR image ; image characteristics
参考文献 [1 ] Liu , Guoxiang1 Mapping of Earth Deformations with Satellite
Radar Interferometry : A Study of Its Accuracy and Reliability Performances [D ] 1 Ph1D1 thesis : Dept1 of Land Surveying
1 引言
上一个讲座总体介绍了 InSAR 的发展历史 、技
术背景 、系统构成与应用情况等 。要完整理解 In2
SAR 的基本原理 , 我们要首先了解合成孔径雷达
(SAR) 成像传感器的基本原理与 SAR 图像的基本特
征 , 这正是本讲座的主题 。
我们已知道 , InSAR 主要是利用覆盖同一地区
的多幅 SAR 影像来提取有用信息 , 更确切地说 , 是
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 10 m 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 SAR 影像 , 也就是说 , “合成孔 径”的概念是通过数据处理来实现的 。
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 。
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 SAR 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 ( Side
looking) 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 SAR 图像的基本特征 。
图 1 雷达成像几何 图 2 雷达斜距投影
142
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ΔX 和 ΔR , 将斜距分辨率ΔY 投影到水平地面时 , 则变为 斜距向地面分辨率ΔY。结合式 (2) , 方位向分辨
4 SAR 图像的基本特征
SAR 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 = a2 + b2ei
率可按下面公式确定 :
ΔX
=
Rωh
=
Rλ L
(4)
这里 , R 为雷达斜距 。实际上 , ΔX 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 :
ΔR
=
cτp 2
(5)
ΔY = cos
ΔR (90°- θi )
= 2cos
cτp (90°- θi )
(6)
这里 , c 为光速 , τp 为脉冲宽度 , θi 为侧视角
141
InSAR 系列讲座 2
SAR 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)
因雷达采用侧视斜距投影成像方式且受地形起 伏的影响 , SAR 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 ( lay2 over) 、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 SAR 图像的应用和干涉分析带来负面影响 。
(8)
四川测绘第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月
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 。
θi 。实际上 , 随着侧视角θi 在一定范围内的变化 ,
因为ΔR 为定值 , 则 ΔY 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
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 WG 可如下近似确定 :
WG≈wλcRomsη
(3)
这里 , Rm 为雷达中心到椭圆锥状辐照带中心的 斜距 , η为该中心点的雷达入射角 。
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ΔX 可近似表达为 :
ΔX =
L 2
(7)
这意味着方位向分辨率仅由雷达天线的长度所
& Geo - Informatics , The Hong Kong Polytechnic University , pp1250 , 20031 [ 2 ] 刘国祥 , 丁晓利 , 李志林 , 陈永奇 , 章国宝 1 卫星 SAR 复数图像的空间配准 [J ] 1 测绘学报 , 2001 , 30 : 60
- 661 [3 ] 刘国祥 , 丁晓利 , 李志林 , 陈永奇 , 李志伟 1 使用 In2
SAR 建 立 DEM 的 试 验 研 究 [J ] 1 测 绘 学 报 , 2001 , 30 : 336 - 3421 [4 ] 刘国祥 , 刘文熙 , 黄丁发 1 InSAR 技术及其应用中的 若干问题 [J ] 1 测绘通报 , 2001 , 8 : 10 - 121 [5 ] 舒 宁 1 雷 达 遥 感 原 理 [ M ] 1 北 京 : 测 绘 出 版 社 , 19961
式上 , 为了达到 10 m 方位向分辨率 , 将需要 3 km
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
四川测绘第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月
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
[ 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) 。
四川测绘第 27 卷第 3 期 2004 年 9 月
3 合成孔径侧视雷达成像
当雷达沿轨道飞行时 , 被成像ຫໍສະໝຸດ Baidu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 (Doppler 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
Principles of Imaging SAR and Characteristics of SAR Image
LIU Guo2xiang
(Dept1 of Surveying Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031 , China)
ωV
=
λ w
(1)
这里 , λ为雷达所采用的微波波长 ; 而沿轨的
椭圆锥顶角ωh 与雷达天线长度 L 有关 , 即 :
ωh
=
λ 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
143
前已指出 , InSAR 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ρi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 。
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 , λ= 5166cm) 操作在真实孔径成像模
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θ0 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ωV 与雷达 天线宽度 w 有关 , 即 :