合成孔径雷达图像典型目标解译特性分析

唐明霞

(61287部队,四川成都 610036)

合成孔径雷达图像典型目标解译特性分析

唐明霞

(61287部队,四川成都 610036)

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是20世纪50年代末研制成功的一种微波传感器,是微波传感器中发展最为迅速、最有成效的一种对地观测系统。它的出现是微波遥感发展史上划时代的伟大成就。经过近五十多年的发展,合成孔径雷达已在军事、地学、海洋、农林、资源探测、灾害监测等众多领域发挥着其它遥感手段不可替代的作用,成为人类经济与社会可持续发展的强大科技支持之一。

合成孔径雷达 测绘 观测系统

1 国外星载合成孔径雷达卫星发展现状

1978年6月美国国家航空航天局(NASA)发射了第一颗雷达卫星SEASAT，对地球表面1亿平方公里的面积进行了测绘。SEASAT的发射标志着合成孔径雷达已成功地进入到从天空对地面观测的新时代，标志着星载SAR技术由实验室向应用研究的关键转变。除了SEASAT外，NASA还利用航天飞机分别于1981年11月、1984年10月和1994年4月进行了SIR-A、SIR-B、和SIR-C/X-SAR的合成孔径雷达成像试验。1987年7月和1991年3月，前苏联分别发射了钻石1号ALMAZ-Ⅰ和钻石2号ALMAZ-Ⅱ。欧洲空间局于1991年7月和1995年4月分别发射了欧洲遥感卫星ERS-1和ERS-2。日本于1992年发射了JERS-1。加拿大于1995年发射了地球资源卫星RADARSAT-1。

最近发射的雷达卫星主要有日本的A L O S，加拿大的RADARSAT-2以及德国的TerraSAR-X。2005年日本发射了ALOS卫星，携带有L波段的PALSAR雷达，最高分辨率方位向和距离向均达到10米。2005年加拿大发射了RADARSAT-2卫星，采用C波段，采用多极化工作模式，可大大增加可识别地物或目标的类别，分辨率范围为到3—100米、幅宽范围为10—500公里，应用目标面向测绘以及环境和自然资源的监测等方面。2007年德国发射了TerraSAR-X雷达卫星，采用X波段，高分辨率模式下地面分辨率达到1米。

图1 被局部污染的海面

图2 灌溉的农田

图3 不同极化方式的雷达图像

图4 雷达图像上的铁路

图5 光学图像上的铁路

图6 雷达图像上的居民地

纵观当前星载合成孔径雷达的发展，雷达分辨率不断提高，成像方式趋向于多波段多极化多视角。它的发展受到了世界各国的广泛关注。

图7 光学图像上的居民地

2 合成孔径雷达图像物理特性与目标解译

2.1 合成孔径雷达的特点

用于成像的合成孔径雷达属于主动式传感器，它具有分辨率高、作用距离远、测绘带宽和能全天候、全天时工作的特点。在成像时，雷达本身发射一定波长和功率的微波波束，然后接收并记录目标散射或反射的带有目标属性信息的回波信号，从而获得了地面物体的微波图像。与其他测绘传感器相比，合成孔径雷达有以下优点:

(1)微波能穿透云雾和雨雪，具有全天候工作能力。(2)微波对地物有一定的穿透能力。(3)合成孔径雷达图像不仅包含了地物对微波的反射或散射的强弱，而且还包含了回波的相位信息，从而可进行雷达干涉测量，确定目标的高度。(4)合成孔径雷达图像的地面分辨率与平台高度无关。

2.2 影响雷达图像物理特性的因素与典型目标解译

地面目标在雷达图像上的色调取决于天线接收到的回波强度，回波功率强，影像色调浅，回波信号弱，则影像色调深。对一个特定的雷达系统来说，接收的回波强度除了与斜距有关外，主要取决于目标的散射截面。而这个值与系统的极化方式、侧视角、目标表面的粗糙度和目标的复介电常数有关。

(1)平台高度；平台高度的大小会影响微波在大气中传播路程的长短，从而会影响微波传输的透过率。微波在大气中传播时，会受到大气分子的吸收和散射。大气对微波吸收的主要因素是氧气分子和水蒸气，波长愈短被吸收的愈多；大气中粒子引起的散射主要由雾，雨滴引起，且波长愈短，散射影响愈大。在相同大气条件下，微波的衰减量随着距离的增大而增大。所以同一目标，在不同高度上被成像时，其影像色调会发生变化，平台高度越高，其影像色调会相对深些。

(2)侧视角；侧视角的变化会引起地物影像色调和形状的变化。雷达的侧视角小，目标的反射率大，侧视角大，目标的反射率低。当侧视角大于30度时，侧视角的变化对目标反射率的变化影响较小。侧视角对目标反射率的影响程度还决定于目标的表面性质，对光滑表面的影响大，对粗糙表面的影响小。

(3)波长与目标表面的粗糙度；同一地物对不同波段微波的反射特性有较大的差异。根据微波遥感目的的不同，常常选用不同的微波波段。地物表面粗糙度决定了对雷达微波的反射形式。若地面目标是光滑的，对入射到其表面的微波产生了镜面反射作用，使回波信号很弱，此时地面目标在雷达图像上呈暗色调。若地面目标是粗糙的，对入射到其表面的微波铲射漫反射或方向反射，回波信号相对较强，此时地面目标在雷达图像上呈浅色调。下图1为Radarsat图像，略带波浪的海平面，中间被石油污染的局部区域，可被视为光滑的表面，呈现为黑色的色调。

(4)复介电常数；复介电常数是表示物体导电、导磁性能的一格参数。复介电常数大的目标、反射微波的能力强，微波的穿透作用小。在雷达图像解译中，含水量常常是复介电常数的代名词。一般情况下，金属物体比非金属物体的复介电常数大；潮湿的土壤比干燥的土壤复介电常数大。在其他情况相同时，复介电常数大的物体比复介电常数小的物体在雷达图向上色调浅。下图2为Radarsat图像，反映的是灌溉后的农田。中间圆形的区域是喷灌的水柱，造成土壤潮湿，复介电常数不同造成的影响。

(5)极化；极化是指电磁波的偏振。根据偏振方向，极化方式可以分为水平极化和垂直极化。根据微波遥感的目的可以采用合适的极化方式组合。雷达图像的极化方式可有HH、HV、VH、VV四种组合。下图3为Radarsat图像，从上到下、从左到右分别是极化合成图，HV、HH、VV极化雷达图像。从图中可以看出，同一地物在不同极化方式的雷达图像上反映的影像色调不同。对于目标识别与解译来讲，选择适合的极化方式的雷达图像对于目标的解译非常重要。

(6)硬目标；具有较大的散射截面，在雷达图像上呈亮白色影像的物体统称为硬目标。与雷达波方向垂直的金属板、略呈圆拱形的金属表面、与入射方向垂直的线导体、以及角反射物体都是硬目标。金属塔架、铁路、飞机、坦克等表面有较高的复介电常数，对微波的反射能力较强，故在雷达图像上是亮白色影像。高压输电线路除金属塔架在侧视雷达图像上为亮白色影像外，当线路与雷达波方向垂直，也可能形成亮白色现状影像。图4为TerraSAR图像，图5为分辨率为2．5米的SPOT图像。由于铁路为金属表面的性质在雷达图像上引起强反射，使得铁路在雷达图像上表现的非常明亮。

角反射器是向着微波入射方向由两个或三个相互垂直的光滑平面的物体。在雷达图像的上的街区式居民地、与侧视雷达波垂直的街道和成排的房屋色调很亮。单幢房屋在雷达图像上也是较浅地色调。另外，当高于地面的堤、行树和沟壑等目标与雷达波垂直时，在雷达图像上也呈线状的白色影像。图6为TerraSAR雷达图像，图7为Google Earth上的截图。居民地在雷达图像与光学图像上的反映大不相同。在雷达图像上，由于墙面与地面构成了角反射器的原因，街区式的居民地在雷达图像上表现的色调很亮。

3 结语

由于雷达传感器的成像机理非常独特，并且使用的是较长的微波(波长为1毫米到1米)成像，因此利用雷达图像进行解译目标也显得与众不同。虽然雷达图像的判读特征与普通光学图像相差很大，但是利用雷达图像进行判读的优势也很明显，其主要表现在以下几个方面:

(1)雷达图像的目标解译是对其他图像的有效的补充。常见的光学遥感的方式受到天气和大气的影响很大，尤其在战争、抗洪抢险等突发事件中，由于天气原因，往往不能及时有效的获取图像，此时只能依靠雷达图像进行判读解译。(2)雷达图像对复介电常数很高的物体非常敏感，而多数的动态目标都属于该类物体，因此在雷达图像上能非常容易的获得车辆、飞机等重要目标的位置及数量。

在利用雷达图像进行判读时，可以依据传统的判读原则，注意顾及雷达图像的特点，从形状特征、大小特征、色调特征、纹形特征、阴影特征以及位置布局等特征来进行目标识别。随着目前雷达图像的分辨率越来越高，其相应的判读识别条件正在逐渐改善。不断加强对雷达图像性质的研究与了解，逐步掌握雷达图像目标的识别与解译的经验与规律，对于解决当前军事应用的急需不仅是十分紧迫的，而且是十分必要的。