合成孔徑雷達圖像典型目標解譯特性分析

唐明霞

(61287部隊,四川成都 610036)

合成孔徑雷達圖像典型目標解譯特性分析

唐明霞

(61287部隊,四川成都 610036)

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)是20世紀50年代末研制成功的一種微波傳感器,是微波傳感器中發展最為迅速、最有成效的一種對地觀測系統。它的出現是微波遙感發展史上劃時代的偉大成就。經過近五十多年的發展,合成孔徑雷達已在軍事、地學、海洋、農林、資源探測、災害監測等眾多領域發揮著其它遙感手段不可替代的作用,成為人類經濟與社會可持續發展的強大科技支持之一。

合成孔徑雷達 測繪 觀測系統

1 國外星載合成孔徑雷達衛星發展現狀

1978年6月美國國家航空航天局(NASA)發射了第一顆雷達衛星SEASAT，對地球表面1億平方公里的面積進行了測繪。SEASAT的發射標志著合成孔徑雷達已成功地進入到從天空對地面觀測的新時代，標志著星載SAR技術由實驗室向應用研究的關鍵轉變。除了SEASAT外，NASA還利用航天飛機分別于1981年11月、1984年10月和1994年4月進行了SIR-A、SIR-B、和SIR-C/X-SAR的合成孔徑雷達成像試驗。1987年7月和1991年3月，前蘇聯分別發射了鉆石1號ALMAZ-Ⅰ和鉆石2號ALMAZ-Ⅱ。歐洲空間局于1991年7月和1995年4月分別發射了歐洲遙感衛星ERS-1和ERS-2。日本于1992年發射了JERS-1。加拿大于1995年發射了地球資源衛星RADARSAT-1。

最近發射的雷達衛星主要有日本的A L O S，加拿大的RADARSAT-2以及德國的TerraSAR-X。2005年日本發射了ALOS衛星，攜帶有L波段的PALSAR雷達，最高分辨率方位向和距離向均達到10米。2005年加拿大發射了RADARSAT-2衛星，采用C波段，采用多極化工作模式，可大大增加可識別地物或目標的類別，分辨率范圍為到3—100米、幅寬范圍為10—500公里，應用目標面向測繪以及環境和自然資源的監測等方面。2007年德國發射了TerraSAR-X雷達衛星，采用X波段，高分辨率模式下地面分辨率達到1米。

圖1 被局部污染的海面

圖2 灌溉的農田

圖3 不同極化方式的雷達圖像

圖4 雷達圖像上的鐵路

圖5 光學圖像上的鐵路

圖6 雷達圖像上的居民地

縱觀當前星載合成孔徑雷達的發展，雷達分辨率不斷提高，成像方式趨向于多波段多極化多視角。它的發展受到了世界各國的廣泛關注。

圖7 光學圖像上的居民地

2 合成孔徑雷達圖像物理特性與目標解譯

2.1 合成孔徑雷達的特點

用于成像的合成孔徑雷達屬于主動式傳感器，它具有分辨率高、作用距離遠、測繪帶寬和能全天候、全天時工作的特點。在成像時，雷達本身發射一定波長和功率的微波波束，然后接收并記錄目標散射或反射的帶有目標屬性信息的回波信號，從而獲得了地面物體的微波圖像。與其他測繪傳感器相比，合成孔徑雷達有以下優點:

(1)微波能穿透云霧和雨雪，具有全天候工作能力。(2)微波對地物有一定的穿透能力。(3)合成孔徑雷達圖像不僅包含了地物對微波的反射或散射的強弱，而且還包含了回波的相位信息，從而可進行雷達干涉測量，確定目標的高度。(4)合成孔徑雷達圖像的地面分辨率與平臺高度無關。

2.2 影響雷達圖像物理特性的因素與典型目標解譯

地面目標在雷達圖像上的色調取決于天線接收到的回波強度，回波功率強，影像色調淺，回波信號弱，則影像色調深。對一個特定的雷達系統來說，接收的回波強度除了與斜距有關外，主要取決于目標的散射截面。而這個值與系統的極化方式、側視角、目標表面的粗糙度和目標的復介電常數有關。

(1)平臺高度；平臺高度的大小會影響微波在大氣中傳播路程的長短，從而會影響微波傳輸的透過率。微波在大氣中傳播時，會受到大氣分子的吸收和散射。大氣對微波吸收的主要因素是氧氣分子和水蒸氣，波長愈短被吸收的愈多；大氣中粒子引起的散射主要由霧，雨滴引起，且波長愈短，散射影響愈大。在相同大氣條件下，微波的衰減量隨著距離的增大而增大。所以同一目標，在不同高度上被成像時，其影像色調會發生變化，平臺高度越高，其影像色調會相對深些。

(2)側視角；側視角的變化會引起地物影像色調和形狀的變化。雷達的側視角小，目標的反射率大，側視角大，目標的反射率低。當側視角大于30度時，側視角的變化對目標反射率的變化影響較小。側視角對目標反射率的影響程度還決定于目標的表面性質，對光滑表面的影響大，對粗糙表面的影響小。

(3)波長與目標表面的粗糙度；同一地物對不同波段微波的反射特性有較大的差異。根據微波遙感目的的不同，常常選用不同的微波波段。地物表面粗糙度決定了對雷達微波的反射形式。若地面目標是光滑的，對入射到其表面的微波產生了鏡面反射作用，使回波信號很弱，此時地面目標在雷達圖像上呈暗色調。若地面目標是粗糙的，對入射到其表面的微波鏟射漫反射或方向反射，回波信號相對較強，此時地面目標在雷達圖像上呈淺色調。下圖1為Radarsat圖像，略帶波浪的海平面，中間被石油污染的局部區域，可被視為光滑的表面，呈現為黑色的色調。

(4)復介電常數；復介電常數是表示物體導電、導磁性能的一格參數。復介電常數大的目標、反射微波的能力強，微波的穿透作用小。在雷達圖像解譯中，含水量常常是復介電常數的代名詞。一般情況下，金屬物體比非金屬物體的復介電常數大；潮濕的土壤比干燥的土壤復介電常數大。在其他情況相同時，復介電常數大的物體比復介電常數小的物體在雷達圖向上色調淺。下圖2為Radarsat圖像，反映的是灌溉后的農田。中間圓形的區域是噴灌的水柱，造成土壤潮濕，復介電常數不同造成的影響。

(5)極化；極化是指電磁波的偏振。根據偏振方向，極化方式可以分為水平極化和垂直極化。根據微波遙感的目的可以采用合適的極化方式組合。雷達圖像的極化方式可有HH、HV、VH、VV四種組合。下圖3為Radarsat圖像，從上到下、從左到右分別是極化合成圖，HV、HH、VV極化雷達圖像。從圖中可以看出，同一地物在不同極化方式的雷達圖像上反映的影像色調不同。對于目標識別與解譯來講，選擇適合的極化方式的雷達圖像對于目標的解譯非常重要。

(6)硬目標；具有較大的散射截面，在雷達圖像上呈亮白色影像的物體統稱為硬目標。與雷達波方向垂直的金屬板、略呈圓拱形的金屬表面、與入射方向垂直的線導體、以及角反射物體都是硬目標。金屬塔架、鐵路、飛機、坦克等表面有較高的復介電常數，對微波的反射能力較強，故在雷達圖像上是亮白色影像。高壓輸電線路除金屬塔架在側視雷達圖像上為亮白色影像外，當線路與雷達波方向垂直，也可能形成亮白色現狀影像。圖4為TerraSAR圖像，圖5為分辨率為2．5米的SPOT圖像。由于鐵路為金屬表面的性質在雷達圖像上引起強反射，使得鐵路在雷達圖像上表現的非常明亮。

角反射器是向著微波入射方向由兩個或三個相互垂直的光滑平面的物體。在雷達圖像的上的街區式居民地、與側視雷達波垂直的街道和成排的房屋色調很亮。單幢房屋在雷達圖像上也是較淺地色調。另外，當高于地面的堤、行樹和溝壑等目標與雷達波垂直時，在雷達圖像上也呈線狀的白色影像。圖6為TerraSAR雷達圖像，圖7為Google Earth上的截圖。居民地在雷達圖像與光學圖像上的反映大不相同。在雷達圖像上，由于墻面與地面構成了角反射器的原因，街區式的居民地在雷達圖像上表現的色調很亮。

3 結語

由于雷達傳感器的成像機理非常獨特，并且使用的是較長的微波(波長為1毫米到1米)成像，因此利用雷達圖像進行解譯目標也顯得與眾不同。雖然雷達圖像的判讀特征與普通光學圖像相差很大，但是利用雷達圖像進行判讀的優勢也很明顯，其主要表現在以下幾個方面:

(1)雷達圖像的目標解譯是對其他圖像的有效的補充。常見的光學遙感的方式受到天氣和大氣的影響很大，尤其在戰爭、抗洪搶險等突發事件中，由于天氣原因，往往不能及時有效的獲取圖像，此時只能依靠雷達圖像進行判讀解譯。(2)雷達圖像對復介電常數很高的物體非常敏感，而多數的動態目標都屬于該類物體，因此在雷達圖像上能非常容易的獲得車輛、飛機等重要目標的位置及數量。

在利用雷達圖像進行判讀時，可以依據傳統的判讀原則，注意顧及雷達圖像的特點，從形狀特征、大小特征、色調特征、紋形特征、陰影特征以及位置布局等特征來進行目標識別。隨著目前雷達圖像的分辨率越來越高，其相應的判讀識別條件正在逐漸改善。不斷加強對雷達圖像性質的研究與了解，逐步掌握雷達圖像目標的識別與解譯的經驗與規律，對于解決當前軍事應用的急需不僅是十分緊迫的，而且是十分必要的。