点目标的机载SAR辐射定标实验精度分析

郑晨，黄磊，陈权

（1.西安思源学院，西安710038；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京100094）

点目标的机载SAR辐射定标实验精度分析

郑晨1，黄磊2，陈权2

（1.西安思源学院，西安710038；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京100094）

辐射定标的精度高低直接关系着后续定量遥感技术应用。鉴于辐射定标工作的重要性，该文利用积分法与峰值法提取点目标能量，计算定标常数，并通过TerraSAR－X和机载SAR数据分别进行定标实验。依照定标实验，分析了影响定标精度的主要因素。其中，定标设备方面，三角形角反射器相比四面角形角反射器定标结果稳定；定标算法方面，积分法比峰值法定标具有更高的稳定性，但也有可能对定标常数高估。实验结果表明，机载SAR定标虽然受到飞行平台稳定性的影响，但依然取得了较高稳定度的结果。

定标精度；定标常数；机载SAR；积分法；峰值法

0 引 言

SAR辐射定标最终的目的是获取能够反映目标地物后向散射系数的图像，为后续雷达影像的定量研究提供依据，这就对定标方法的准确性及定标结果的精度提出要求。

一般对定标之后的后向散射系数的不确定性范围采用定标精度来表示［1］。目前，国内外SAR系统科研工作者在定标精度计算一般采用两种方法：一是通过计算一定数量的散射截面积已知的点目标定标的标准差来计算定标精度［2］；二是通过计算具有稳定散射强度的分布目标（亚马逊热带雨林）的后向散射系数σ0（或QUOTEγγ）的标准差来测量端对端的系统定标精度［3］。而关于点目标SAR辐射定标包括无源点目标（角反射器）和有源定标器两种，其中，无源点目标的定标精度约为1dB，有源定标精度约为0.5dB［1］。其中角反射器成本低，使用方便，是目前最常用的定标器［4］。

本文首先介绍拟定标SAR系统的定标模型、定标方法。然后，分别对TerraSAR－X和机载SAR进行定标实验，根据实验结果，分别分析影响定标精度的原因。目前，机载SAR定标精度检验的方法和实验尚不充分，大多只能通过点目标的分析来评价定标精度［5，6］；而TerraSAR－X的数据产品已经给定了明确的定标常数，通过对比分析实验结果与给定的定标结果，可以对定标实验所用的定标方法、设备、背景环境等做验证，进而为机载SAR的定标提供指导和参考。

1 利用点目标进行SAR辐射定标的方法

SAR辐射定标是在定标场上布设一系列散射截面积（RCS－radar cross section）已知的点目标，计算目标后向散射系数（σ0）与其所对应图像上像素值之间的“对应关系”。这个“对应关系”是一个常量，即定标常数K。

在定标常数测算中，最为关键的是怎样从图像中提取标准参考点目标的脉冲响应能量εp。通常采用积分法或峰值法进行点目标能量的提取。其中，积分法主要通过对脉冲响应在特定区域进行积分获得点目标能量；而峰值法则利用点目标响应峰值和等效分辨单元面积的乘积获取该点的能量［7］。

1.1 积分法

利用积分法提取点目标的脉冲响应能量时，一般采用一个以峰值点为中心的N行×N列区域来描述点目标，如图1所示。

图1 点目标积分区

其中，每个小方格代表一个像素。红色区域是积分区，像素数是NA；蓝色区域是背景区，像素数是NB；方位向和距离向像素间隔分别是δaδb，则积分区总能量应该为：

式中，DNi2表示第i个像素的强度值。也就是说积分法提取点目标脉冲响应能量εp时，主要利用点目标在积分区域的能量与其相邻相同区域（背景区）的能量差来求得。

1.2 峰值法

在峰值法提取点目标能量时，SAR图像的分辨率即为天线3dB脉冲响应宽度（IRW－impulse response width）。具体提取公式如下：

式中，a、b为IRW在距离向和方位向展宽，DN为峰值点像素值。

1.3 SCR计算公式

点目标进行SAR辐射定标时，为了有效地将角反射器与周围散射背景有效区分，通常要求点目标具有较大的雷达散射截面积。一般利用信杂比SCR（signal－to－clutter ratio）衡量点目标相对于周围散射背景能见度［8］，其计算公式如下：

2 TerraSAR－X定标实验

目标地物在某个波段、入射角下的雷达截面积（RCS）是一个客观存在的值，其对应的定标常数必然也是一个客观存在的值，即真值。然而，由于雷达系统本身以及成像处理、定标模型设计等各个环节都存在不确定性，这就使得上述真值难以测量。

TerraSAR－X定标精度在整个生命周期内都能达到0.6dB［10－12］，已经能够表征目标地物的后向散射系数的基本特征了，因此不妨称其测量的结果为相对真值。“不妨”的含义是指特征精度与实践目标是联系在一起的，有其动态范围，要根据实践而定［13］。文章所阐述的就是以上述相对真值来检验本文所设计的定标方案的准确性。

2.1 TerraSAR－X给定的系统参数

TerraSAR－X给定的系统参数如表1所示。

由于采用的定标模型表达方式不同，TerraSAR－X中定标常数与本文所计算出的定标常数互为倒数关系，归一化后为：49.78dB。

表1 TerraSAR－X系统参数

2.2 定标场说明

本次实验的定标场在内蒙根河周边草原和农田，实验时间是2012年9月。为确保测量结果的准确性，实验中选择了3种类型且不同边长的角反射器，目的是减小由角反射器理论RCS计算的不精确对结果造成的影响。图2是实验中所用的四面角形角反射器，图4是实验中角反射器安置情况。其中，黄色代表三角形角反射器，红色代表四边形角反射器，蓝色代表圆弧形角反射器。

图2 根河实验中四面角形角反射器

图3 根河实验中扇形角反射器

图4 角反射器布设图

2.3 点目标SCR分析

TerraSAR－X SCR测量结果见表2。表2中，TerraSAR－X SCR平均为48.763dB，高于20dB背景噪声的要求，能够满足SCR可见度要求，说明本实验有效。

表2 TerraSAR－X SCR

2.4 定标结果及精度分析

根据表3中计算的定标常数，对积分法与峰值法分别绘制定标常数变化图，如图5所示。结合表3与图5，分析影响定标精度的原因。主要有以下两个方面：

（1）角反射器对定标结果的影响

对比图5中的（a）和（b）可以看出点4与点16计算出的定标常数在两种算法中都明显偏低，而这两个点对应的是四面角形角反射器，可见不同角反射器类型对定标结果影响还是比较大的。点11同样是四面角形角反射器，但是边长较小，计算出的定标常数与三角形角反射器值相近。四面角形角反射器定标结果的稳定性比不上三角形角反射器。三角形角反射器3dB波束宽度为40°，四面角形为23°。因此，四面角形角反射器对角度更加敏感，地面摆放角度的偏差可能造成较大的影响。

表3 TerraSAR－X定标结果

图5 定标常数计算结果图

（2）计算方法对定标结果的影响

去除点4和16，从图5（a）与图5（b）可以看出，积分法测量的结果相对于峰值法变化幅度较小，数据结果更加稳定；而峰值法的均值，更加接近TerraSAR－X数据给出的官方定标常数（积分法比真值高出1.53dB，峰值法比真值低1.1dB）。在SAR图像出现散焦时，积分法具有比峰值法更高的精度。在聚焦的情况下，峰值法通常比积分法精度更高［1，14］.

3 机载SAR定标实验

3.1 机载SAR系统参数

机载SAR实验中采用X波段雷达，平均功率为220kW，峰值为4kW。具体系统参数见表4。

表4 机载SAR系统参数

3.2 定标场说明

机载SAR定标实验于2013年06月在天津滨海新区开展。实验中，地面点目标均采用三角形角反射器，其外观如图6所示。实验中，角反射器的布设情况如图7所示。

3.3 点目标SCR分析

机载SAR的SCR测量结果见表5。表5中，机载SAR的SCR平均为67.626dB，大于20dB，能够满足SCR可见度要求，说明本次实验有效。

图6 天津实验中的三角形角反射器

表5 机载SAR SCR

图7 机载SAR图像中角反射器分布情况

3.4 定标结果及精度分析

（1）根据前面第二节中的定标模型与方法，计算机载SAR定标结果，具体如表6所示。

（2）定标精度分析

由表6中的数据可知，积分法计算的标准差为0.284，而峰值法计算的标准差为0.592，即可知积分法较峰值法更为稳定。

表6 机载SAR定标结果

4 实验对比分析

TerraSAR－X定标实验中，利用积分法和峰值法对于三角形角反射器计算的定标常数标准差分别为：0.965dB，2.016dB。而机载SAR定标中，利用积分法和峰值法对于三角形角反射器计算的定标常数标准差分别：0.284dB，0.592dB。直观上看，机载X波段SAR的定标稳定性反而比星载X波段SAR更高。虽然两次实验在不同的时间地点开展，不具有直接对比性，但我们还是能分析一些可能的原因：

（1）机载SAR选用的是平整光滑的土地，而星载SAR是收割后的农田，地表更粗糙，背景影响更大，从两次实验SCR的对比可以看出，星载SAR的场地SCR更大，对定标精度的影响更大。

（2）定标设备的影响。虽然两次实验所用的角反射器加工工艺相近，但尺寸差异较大。机载SAR的角反射器棱长在0.4159m，而星载SAR所用的角反射器大多超过1m。尺寸越大，角反射器的平整度、角度等因素引起的RCS偏差越大［15］。

（3）机载平台飞行过程中，受风力及自身震动的影响，航线及入射角度与预定值会有一定偏差。这种偏差对定标精度的影响，往往体现在多次重复测量实验的结果偏差较大，对于单次实验，影响可能较小。因此，单次机载SAR的定标实验，仍然可能取得较高的精度。

5 结束语

SAR辐射定标是由定性遥感走向定量遥感过程中不可或缺的一步。对于定标结果的可行性与准确性，一般通过定标精度来衡量。利用TerraSARX和机载SAR定标实验分析影响定标的因素主要有：

①不同角反射器对定标结果的影响。其中三角形角反射器相比四面角形角反射器定标结果稳定。②计算方法的影响：积分法比峰值法定标精度稍高些。而机载SAR定标实验，尽管容易受到飞行平台稳定性的影响，但单幅机载SAR的定标精度略高于星载SAR。

［1］ 袁礼海，葛家龙，江凯，等.SAR辐射定标精度设计与分析［J］.雷达科学与技术，2009，2（1）：35－39.

［2］ SCHWERDT M，BRÄUTIGAM B，BACHMANN M，et al.TerraSAR－X calibration results［C］.Paper presented at the Synthetic Aperture Radar（EUSAR），2008 7th European Conference on.

［3］ ZINK M，BAMLER R.X－SAR radiometric calibration and data quality［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，1995，33（4）：840－847.

［4］ LIU C，SANDIRASEGARAM N，ENGLISH R A，et a1.MarCoPola polarimetric SAR trial：Signatures of multiple vessels with aligned operating conditions［R］.Defence R＆D Canada Ottaw a Technical Mem oran dum，2005：10－13.

［5］ FREEMAN A，ALVES M，CHAPMAN B，et al.SIR－C data quality and calibration results［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，1995，33（4）：848－857.

［6］ DOBSON M C，ULABY F T，BRUNFELDT D R，et al.External calibration of SIR－B imagery with area－extended and point targets［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，1986，4：453－461.

［7］ 袁礼海，李钊，葛家龙，等.利用点目标进行SAR辐射定标的方法研究［J］.无线电工程，2009，39（1）：25－28.

［8］ FREEMAN A.SAR calibration：An overview［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，1992，30（6）：1107－1121.

［9］ TOUZI R，HAWKINS R K，CÔTÉS.High－precision assessment and calibration of polarimetric RADARSAT－2SAR using transponder measurements［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，2013，51（1）：487－503.

［10］ SCHWERDT M，HOUNAM D，ALVAREZ－PÉRES J－L，et al.The calibration concept of TerraSAR－X，a multiple mode high，resolution SAR［J］.Canadian Journal of Remote Sensing，2005，31（1）：30－36.

［11］ SCHWERDT M，HOUNAM D，ALVAREZ－PÉRES J－L，et al.TerraSAR－X：Calibration concept of a multiple mode high resolution SAR［C］.in Proc.25th Int.Geosci.Remote Sens.Symp.，Seoul，Korea，2005：4874－4877.

［12］ SCHWERDT M，BRAUTIGAM B，BACHMANN M，et al.Final TerraSAR－X calibration results based on novel efficient methods［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，2010，48（2）：677－689.

［13］ 张仁华，田静，李召良，等.定量遥感产品真实性检验的基础与方法［J］.中国科学：地球科学，2010，40（2）：211－222.

［14］ ULANDER L M H.Accuracy of using point targets for SAR calibration［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，1991，27（1）：139－148.

［15］ 张婷，张鹏飞，曾琪明.SAR定标中角反射器的研究［J］遥感信息，2010，25（3）：38－42.

Accuracy of Airborne SAR Radiometric Calibration with Point Target

ZHENG Chen1，HUANG Lei2，CHEN Quan2
（1.College of Geometrics，Xi’an University of science and Technology，Xi’an710038；2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing100094）

The accuracy of SAR radiometric calibration directly affects the study of quantitative remote sensing technology.Firstly，the peak method and integration method to extract target energy was introduced and the computational method for calibration constants was given.Then，the TerraSAR－X and airborne SAR test was carried out，the calibration accuracy was calculated and the reasons influencing the calibration accuracy were analysed.The experiments illustrate that the calibration result was effected by different corner reflectors.Compared with square trihedral corner reflector，the triangular trihedral corner reflector was more stable.The calibration result was also influenced by different methods.Though the integration method was more stable than the peak method，it was also possible to overvalue the calibration constant.The results show that although airborne SAR calibration was influenced by flight stability of the platform，it could achieve high calibration accuracy.

calibration accuracy；calibration constant；airborne SAR；integral method；peak method

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.003

P237

A

1000－3177（2015）140－0014－06

2014－05－05

2014－08－12

中国科学院遥感与数字地球研究所所长青年基金（Y3SJ8500CX）。

郑晨（1987—），女，硕士研究生，研究方向为遥感图像处理。

E－mail：zchen＿feng＠sina.com

黄磊（1982—），男，副研究员，研究方向为微波遥感。

E－mail：huanglei＠radi.ac.cn