SAR辐射定标技术研究与应用

王欣璐，孟萌

（1.中国电子科技集团公司第二十二研究所，山东青岛，266107；2.中石油华东设计院有限公司，山东青岛，266071）

0 引言

随着机载SAR系统向着高分辨率、多极化和多成像模式的发展，SAR的应用不再局限于目标识别、环境判断等定性测量。在某些应用领域中（如水体污染监测、伪装效果评估等）定性测量不能满足引用要求，这就需要从SAR图像数据中获取目标的RCS（后向散射截面积）完成定量测量。因此，从SAR图像数据中求取RCS的过程称为SAR辐射定标。SAR辐射定标是SAR图像数据定量化测量的关键步骤。

国内外相关领域的研究人员对SAR辐射定标进行了大量研究，文献[1]利用点目标对机载SAR进行辐射定标关键技术与方法研究，文献[2]对点目标分别采用积分法和峰值法进行SAR辐射定标试验并进行精度分析，结果表明积分法更具有稳定性；文献[3]利用点目标进行辐射定标研究并评价了定标结果的稳定性。

本文针对机载SAR辐射定标技术进行了相关研究，将SAR飞行试验采集的SAR图像数据进行分析处理，分别利用积分法和峰值法计算相应点目标的回波响应能量，通过计算多个相同RCS的点目标回波能量的标准差来获取积分法和峰值法的相对辐射定标精度；通过回波能量计算定标常数并应用于绝对辐射定标获取地物后向散射系数。本文利用相对辐射定标精度和绝对辐射定标精度结合对积分法和峰值法进行评价，对机载SAR辐射定标应用提供参考借鉴。

1 辐射定标基本方法

基于点目标的SAR辐射定标通过在试验场地布设一定数量已知RCS的角反射器，根据雷达方程计算目标RCS与SAR图像强度值之间的对应关系，对于一个稳定的SAR系统，这个对应关系即为定标常数[2]，利用定标常数计算SAR图像中地物后向散射系数完成辐射定标。

在辐射定标的过程中，需要进行角反射器回波响应能量计算和定标常数的计算。角反射器回波响应能量计算是定标常数计算的基础，定标常数的计算是用于绝对辐射定标求取SAR图像中各地物RCS，辐射定标流程如图1所示。

图1 SAR图像辐射定标流程

■1.1 角反射器回波响应能量计算

利用角反射器进行SAR图像辐射定标时，为了保证角反射器能够从背景中有效地被提取出来，需保证角反射器的RCS足够大。因此，引入信噪比SCR的概念来衡量目标相对于背景的可见度[4]，SCR的计算公式见式（1）：

SAR图像中角反射器回波响应能量计算常用方法有峰值法和积分法。峰值法是通过角反射器的回波响应能量最大值得到该角反射器的回波响应能量，通过响应能量最大值与等效分辨单元的乘积获取该角反射器的响应能量[2]，公式见式（2）：

式（2）中2DN为SAR图像中角反射器峰值强度值，a、b为天线3dB脉冲响应宽度在方位向和距离向的展宽；aδ、bδ为方位向、距离向像素大小。

积分法是通过对角反射器响应范围内的像素强度进行积分得到该角反射器的回波响应能量[5]。角反射器的响应能量等于在SAR图像中响应范围内总能量减去对应范围内的背景能量，计算公式[2]见式（3）：

式（3）中：A为角反射器回波相应积分区域；B为角反射器相邻的背景区域；NA为角反射器积分区域像素个数；NB为相邻背景区域像素个数；为SAR图像上各像素点的强度值：aδ、bδ为方位向、距离向像素大小。根据角反射器的回波响应区域确定所选取的积分窗口大小，本文所采取的积分窗口如图2所示，其中灰色填充区域为角反射器回波能量积分区域，＊符号填充区域为相邻背景积分区域。

图2 积分窗口示意图

■1.2 天线方向图和作用距离的影响分析

相关研究表明，在其他参数都一定的前提下，影响SAR图像强度的主要因素是天线方向图和作用距离[6]。

雷达天线方向图主瓣中心方向，SAR成像强度最大、信噪比最高；从主瓣中心向方向向两侧成像强度依次减弱，且夹角大于半功率角后，强度减弱加剧。雷达作用距离对SAR成像强度的影响可根据雷达方程推导得出，SAR成像强度与作用距离的4次方成反比，因此，作用距离越远，SAR图像强度越小、信噪比越低[6]。

本文SAR飞行试验中，条带截取信噪比和强度较好且均匀一致的距离向中心区域图像，保证在雷达天线的主瓣内；而飞行中斜距对SAR图像强度的影响可以根据SAR图像中各像素点的斜距信息对SAR图像进行相对辐射校正后消除，因此天线方向图对SAR成像强度的影响可不考虑，作用距离对SAR成像强度的影响已通过成像算法中的相对辐射校正完成补偿。

综上，本文的SAR定标试验可不考虑天线方向图和作用距离带来的影响。

■1.3 定标常数计算

根据SAR成像原理，地面上某一点接收的功率见式（4）：

式（4）中，rP为接收功率；tP为发射功率；Gθ为天线增益；λ为雷达波长；θσ为角反射器RCS；R为雷达天线到目标的距离。

在SAR图像中，任一给定像元，其影像振幅值DNi与接收功率关系[7]见式（5）：

根据上述公式原理，对于稳定的SAR系统其传递函数应为一常数即为定标常数，其计算公式[8]见式（6）。

式（6）中：Ki表示第i个角反射器所对应的定标常数；Epi为该角反射器所对应的回波响应能量；refi为角反射器理论RCS；θ为角反射器对应的入射角。

2 试验数据介绍

本文机载SAR辐射定标试验的具体参数如下：

(1)雷达频率：9.65GHz（X波段）；

(2)极化方式：VV；

(3)中心入射角：18.8°；

(4)飞行高度：500m；

(5)分辨率：0.5m；

(6)条带宽度：1000m。

本试验选用X波段小型机载SAR进行试验，小型机载SAR搭载在复合翼无人机上，无人机完成航迹规划后，系统采用正测视的方式照射无人机航线的右侧区域，以条带方式对目标区域进行成像，将各条带进行拼接形成目标区域的完整SAR图像。

为保证SCR满足大于20dB的要求，选取5个边长25cm的三角角反射器作为定标点目标,试验场地选取成都彭州天空之眼试验场，5个角反射器依次摆放，确保间隔一定的距离，以保证各角反射器的回波不相互影响，对每个角反射器进行编号，机载SAR获取的SAR图像如图3所示，CR1-CR5对应着角反射器1到角反射器5，由SAR图像可知，角反射器布置区域背景相对均匀，满足后续积分法计算各角反射器回波能量的应用条件。

图3 机载SAR试验图像

3 试验数据分析

通过SAR图像计算获取各目标点的SCR，即目标最大能量与背景平均能量的比值，各目标点SCR如表1所示，由表1可得，各点SCR均大于20dB，平均值为44.64dB；表明各目标点均满足信噪比的要求，因此背景对辐射定标的影响可忽略不计。

表1 各目标点的SCR

本次试验选用的角反射器为单向棱长25cm的三角角反射器，三角角反射器理论RCS[5]计算公式见式（7）。

式（7）中，σrefi为三角角反射器的理论RCS，a为三角面体的一个边长，λ为波长。根据上述公式，可计算单向棱长25cm三角角反射器的理论RCS为12.29dB。

根据式（2）和式（3）分别用峰值法和积分法获取各目标点的回波能量，各目标点的回波能量如表2所示。

表2 峰值法和积分法获取的CR回波能量

根据式（6）可计算各角反射器的定标常数，如表3所示。

表3 各角反射器定标常数

试验结果表明，积分法相对辐射定标精度为0.1848dB，峰值法相对辐射定标精度为0.4344dB，积分法相对于峰值法具有更好的稳定性，相对定标结果更准确，但峰值法得到的定标常熟略大于积分法得到的定标常数。

以定标常数的平均值作为SAR图像整体定标常数，对整幅图像进行绝对辐射定标，可获取图像获取的RCS值，进而得到各角反射器理论RCS和从图像获取RCS的差值，以多组差值绝对值的最大值作为绝对辐射定标精度，结果如表4、表5所示。由表4和表5可得，积分法绝对辐射定标精度为0.276dB，峰值法绝对辐射定标精度为0.568dB。

表4 峰值法绝对辐射定标精度

表5 积分法绝对辐射定标精度

通过查阅相关文献资料可得各类应用对SAR辐射定标精度的相关要求，一般情况下，相对辐射定标精度要求小于0.5dB，绝对辐射定标精度要求小于1dB。本文试验积分法相对辐射定标精度为0.1848dB，峰值法相对辐射定标精度为0.4344dB；积分法绝对辐射定标精度为0.276dB，峰值法绝对辐射定标精度为0.568dB，因此可见，本文的试验结果满足SAR辐射定标对定标精度的要求，试验数据可作为相应方法的评判依据。

经上述试验数据分析可得，不管是相对辐射定标精度还是绝对辐射定标精度，积分法的定标精度都要优于峰值法，说明一定条件下积分法在机载SAR定标应用中相比于峰值法具有更好的效果。

4 结论

本文中试验所采用的机载SAR为X波段SAR，进行辐射定标试验后，通过对SAR图像计算分析获得积分法和峰值法的相对辐射定标精度和绝对辐射定标精度，定标精度满足相关要求。

试验结果表明，积分法的定标结果要优于峰值法的定标结果。针对机载SAR辐射定标应用，由于SAR图像质量易受到机载平台稳定性的影响，进而无法保证SAR图像的质量，这种情况下，积分法的适用性要比峰值法更好，峰值法的应用场景对SAR图像的质量和SAR分辨率有较高的要求，即在系统稳定且分辨率较高的情况下，峰值法的定标结果会更好。

不同场景、不同的目标可能都会影响定标结果，因此在今后的研究中，应针对不同的场景和不同的目标，重点研究各种定标方法的实际效果，进而得到更加稳定有效的定标策略。