20120113星载SAR的发展成像原理和图像特征(青岛求实学院学报---修改稿)

星载SAR的发展、成像原理及其图像特征余景波（青岛求实职业技术学院，山东青岛266108）摘要：星载SAR是一种微波传感器，作为一种主动式传感器，可以通过向地表不断的发射脉冲信号并接收它们从地表反射回的信号来生成SAR影像。首先介绍了星载SAR发展情况，然后，推导出了星载SAR成像原理，最后，归纳总结了星载SAR图像特征。关键词：星载SAR；发展；成像原理；图像特征中图分类号：P225.1文献标识码：AInSAR(InterferometricSyntheticApertureRadar)技术与D-InSAR(DifferentialInSAR)技术都是在星载SAR技术的基础上发展起来的，其都需要覆盖同一研究地区的一幅或多幅SAR图像来获取有用信息，即从它们所产生的干涉相位图来提取形变或地形信息。因此，了解星载SAR图像的成像原理和图像特征是理解InSAR和D-InSAR本质的前提。本文从星载SAR发展、成像原理以及其图像特征三个方面介绍了星载SAR。1星载SAR的发展合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)是20世纪50年代提出的一个概念[1]，它是一种主动式微波传感器，也就是传感器本身能向地面发射波束且接受其反射信号进行探测，而不是依靠太阳的辐射能量，从而可以不分昼夜的获取数据。因此，星载SAR具有全天时、全天候的工作能力；还可以穿透云层、浓雾、烟尘和某些地物，并且能够在不同的微波段、不同极化状态下获取地面目标的高分辨率图像。这些特点使它在农业、林业、水文、灾害、地质、环境、气象和军事等领域[2]的应用具有独特的优势，对那些传统的光学传感器成像比较困难的地区来说尤为适用，因此，星载SAR研制得到各国政府的高度重视与支持[3-4]。表1详细归纳总结了世界部分国家已经发射或计划的星载SAR系统的基本信息。表1世界部分国家已经或计划发射的星载SAR系统Tab.1ThelaunchedandplanedspaceborneSARsystemofsomecountries卫星/航天飞机国家发射时间波长(CM)分辨率(M)测绘带宽(KM)2008年是否仍在轨干涉重访天数备注Seasat美国197823.5(L)25100否---SAR仅工作105天SIR-A美国198123.5(L)4050否---SIR均为航天飞机任务SIR-B美国198423.5(L)17-2510-60否---机械扫描波束Magellan美国198912.5(S)12020可变否---金星观测计划SIR-C/X美国1994三种波段多分辨率15-90否---电扫描波束Cassini美国19962.2(Ku)40068-311否---土卫六观测计划SRTM美国2000C/X30225/50否---SIR-C/X的改进,双天线ERS-1欧空局19915.66(C)30约100否35第一个获广泛应用的星载SARERS-2欧空局19955.66(C)30约100否35ERS-1的后继星Envisat欧空局20025.66(C)多分辨率5-400是35ERS后续,多模式,全极化Cosmo-Skymed意大利2006-23.12(X)3/10030/400是---军民两用,4卫星星座TerraSAR-X德国20073.12(X)1-1515-100是11多极化,多模式,高分辨率,07年6月发射JERS-1日本199223.5(L)1875否46此卫星数据价格便宜ALOS日本200623.5(L)7-10030-350是46PALSAR,相控阵天线Radarsat-1加拿大19955.66(C)9-10050-500否247种波束模式Radarsat-2加拿大20085.66(C)3-10020-500是24Radarsat-1改进,双侧试TanDEM-X德国20093.12(X)------否---与TerraSAR-X类似,保持0.5-2km垂直基线SAR-Lupe德国2006-20083.12(X)15是---军用;5卫星星座SENTINEL-1欧空局20115.66(C)------否---ENVISAT后续Cosmo-1870俄罗斯198712.5(S)25-3020否---SAR试验星Alamz-1俄罗斯199112.5(S)10-1530-45否---双侧视Alamz-1B俄罗斯1993、1998---------否---搭有3种SAR荷载;Alamz-1V的民用型号Arkon-2俄罗斯2002、200723.5(L)/701/5010/450是---3波段多功能雷达;卫星星座Kondor-E俄罗斯20089.81-3500----卫星星座Monitor-R俄罗斯----------------小卫星,Monitor星座的一部分TECSAR以色列2008已发射3.12(X)1-8100是36RISAT印度20075.66(C)2-5010-240是------SAOCOM-1阿根廷200823.5(L)7/10030/400是---加入Cosmo-Skymed系统2卫星星座Kompsat-5韩国20063.12(X)------是---SAR荷载由意大利制造遥感一号中国2006---5---是---2006年4月发射遥感三号中国2007---------是---2007年11月发射环境1C(HJ-1_C)中国200812.5(S)5=100是---组成环境监测卫星星座的一部分2星载SAR的成像原理SAR技术是在真实孔径的基础上发展而来的，它通过飞行平台的向前运动实现合成孔径。地物被雷达发射信号照射后会返回包含有地物信息(反射特性等)的信号，这个信号通常是以一个较大角度的扇面向空中散射开来(此时可以将其等效为从地物发出了一个广播信号)。如果雷达天线是固定不动的，则只能接收到一小部分从地物返回(后向散射)的信号。但是，如果雷达是快速移动的，就有可能收集到从地物后向散射到各个方向的信号，这样获得的信息量会大大增加。利用天线的移动，可以将小孔径的天线虚拟成一个大孔径的天线，从而可以获得类似大孔径天线的探测效果,这种技术被称为合成孔径雷达技术[5]。该技术主要由四部分组成[6]：(1)用于发射电磁波脉冲的发射天线；(2)接受后向散射信号的接收天线；(3)测量信号发射及再接收的时间延迟的时钟；(4)以定向光束扫描地表的扫描设备。图1是星载SAR天线对地面某一点P的成像原理几何图。图1星载SAR成像几何示意图Fig.1ThegeometryofspaceborneSARimaging如果雷达发射的信号是连续的正弦波，则其信号表达式为[7]：tfjAtS02exp(1)式(1)中，A为发射信号的幅度，0f是发射信号的载频。当天线在a位置时，假设天线的波束恰好接触到目标点P，天线移动到b位置时，目标点P刚好位于波束中心，天线移动到c位置时，波束刚好离开目标点P。当天线位于位置a和c中间时，接收机接收到的目标点的回波信号信息为：cRtfjUAtSR22exp0(2)在式(2)中，U是与目标点P后向散射系数相关的参数，R是雷达到目标点P的距离(即为斜距)，c为光速，cR2是回波相对于发射信号的时间延迟，是与目标点P自身性质有关的随机相位(相位信息)。解调回波信号，去除载频成分后，回波信号信息为：cRfjUAtSR22exp0(3)从式(3)可以看出回波信号的相位信息R是由两个部分构成：RcRfR22220(4)在式(3)中，是载波的波长。把式(4)代入式(3)得：RjUAtSR22exp(5)3星载SAR的图像特征星载SAR成像系统和光学成像系统相比较，它们生成的图像有很多明显的差别。SAR图像主要反映了目标的电磁散射特性和结构特性两类特性，其目标特性很大程度上取决于雷达系统参数和地域参数。星载SAR图像的基本特征主要有[8-10]：(1)从式(5)可知，星载SAR图像的各分辨像元包含了反映地表微波后向反射的强度信息和与雷达斜距有关的相位信息。在SAR图像上较明亮的区域，说明是地表反射强度大的地方。地物反射强度大小取决于以下因素：雷达侧视角度、雷达波长、雷达极化方式、表面朝向、表面粗糙等。(2)在信息量上，星载SAR图像要比只记录灰度信息的光学图像丰富；在视角效果上，因为星载SAR在成像时不可避免的受到斑点噪声影响，所以星载SAR图像没有光学图像清晰。(3)因为像元内每一个地物具有不同的物理后向散射特性，由其引起的相位延迟，使得式(4)中的表现出很大的随机性。这种随机性一般被看成噪声。(4)因为星载SAR图像对地表几何形状非常敏感以及SAR图像回波信号强度与地表几何形状有直接关系，所以SAR图像可以反映出地形变化细节信息。(5)星载SAR波束以较大视角斜着照射地表，即SAR的侧视成像方式。这种成像几何模式可以导致SAR图像中出现阴影、透视收缩和顶底倒置。(6)在星载SAR图像的每个分像素中同时含有后向散射强度信息(幅度信息)和相位信息，像素信息以复数形式记录，实部为幅度信息，虚部为相位信息。4结束语本文从星载SAR发展、星载SAR成像原理和星载SAR的图像特征，三个方面介绍了星载SAR有关问题。可以预见，随着科学技术不断发展，将会有越来越多质量可靠、性能高的星载SAR发射到太空，从而为InSAR和D-InSAR技术发展提供越来越多高质量的数据，催进卫星遥感事业进一步发展。参考文献[1]张诗玉,李陶,夏耶.基于InSAR技术的城市地面沉降灾害监测研究[J].武汉大学学报.信息科学版,2008,33(8):850-854.[2]王超,张红,刘智.星载合成孔径雷达干涉测量[M].北京:科学出版社,2002:168-206.[3]成英燕,贾有良,党亚民,等.用InSAR技术进行形变监测的研究[J].测绘科学,2006,31(3):55-58.[4]王风,马颂德.用干涉合成孔径雷达技术提取地表三维信息[J].自动化学报,2002,28(4):527-535.[5]王志勇,张继贤,张永红.从InSAR干涉测量提取DEM[J].测绘通报,2007,27(7):27-34.[6]汪鲁才.星载合成孔径雷达干涉成图的信息处理方法研究[D].长沙:湖南大学,2005:40-59.[7]陶秋香.PS-InSAR关键技术及其在矿区地面沉降监测中的应用研究[D].青岛:山东科技大学,2009:13-14.[8]ZerkerH.A,GoldsteinR.M.Topographicmappingfrominterferometricsyntheticapertureradarobservations[J].GeophysicalResearch,1986,91(B5):4993-4999.[9]刘国祥.SAR成像原理与图像特征[J].四川测绘,2004,27(3):141-143.[10]SansostiE,LanariR,FornaroG,etal.DigitalelevationmodelgenerationusingascendinganddescendingERS-1/ERS-2tandemdata[J].RemoteSensing,1999,20(8):1527-1547.ThedevelopmentandtheimagingprincipleandtheimagefeaturesofspaceborneSARYUJing-bo(QingdaoQiushiCollege,Qingdao,Shandong266108,China)Abstract:SpaceborneSARisamicrowavesensorandactivesensorandgeneratesSARimagebytransmittingpulsetosurfaceandreceivingthesignalr