合成孔徑雷達(dá)圖像典型目標(biāo)解譯特性分析

唐明霞

(61287部隊(duì),四川成都 610036)

合成孔徑雷達(dá)圖像典型目標(biāo)解譯特性分析

唐明霞

(61287部隊(duì),四川成都 610036)

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,簡(jiǎn)稱SAR)是20世紀(jì)50年代末研制成功的一種微波傳感器,是微波傳感器中發(fā)展最為迅速、最有成效的一種對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)是微波遙感發(fā)展史上劃時(shí)代的偉大成就。經(jīng)過(guò)近五十多年的發(fā)展,合成孔徑雷達(dá)已在軍事、地學(xué)、海洋、農(nóng)林、資源探測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著其它遙感手段不可替代的作用,成為人類經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的強(qiáng)大科技支持之一。

合成孔徑雷達(dá) 測(cè)繪 觀測(cè)系統(tǒng)

1 國(guó)外星載合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1978年6月美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)發(fā)射了第一顆雷達(dá)衛(wèi)星SEASAT，對(duì)地球表面1億平方公里的面積進(jìn)行了測(cè)繪。SEASAT的發(fā)射標(biāo)志著合成孔徑雷達(dá)已成功地進(jìn)入到從天空對(duì)地面觀測(cè)的新時(shí)代，標(biāo)志著星載SAR技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室向應(yīng)用研究的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。除了SEASAT外，NASA還利用航天飛機(jī)分別于1981年11月、1984年10月和1994年4月進(jìn)行了SIR-A、SIR-B、和SIR-C/X-SAR的合成孔徑雷達(dá)成像試驗(yàn)。1987年7月和1991年3月，前蘇聯(lián)分別發(fā)射了鉆石1號(hào)ALMAZ-Ⅰ和鉆石2號(hào)ALMAZ-Ⅱ。歐洲空間局于1991年7月和1995年4月分別發(fā)射了歐洲遙感衛(wèi)星ERS-1和ERS-2。日本于1992年發(fā)射了JERS-1。加拿大于1995年發(fā)射了地球資源衛(wèi)星RADARSAT-1。

最近發(fā)射的雷達(dá)衛(wèi)星主要有日本的A L O S，加拿大的RADARSAT-2以及德國(guó)的TerraSAR-X。2005年日本發(fā)射了ALOS衛(wèi)星，攜帶有L波段的PALSAR雷達(dá)，最高分辨率方位向和距離向均達(dá)到10米。2005年加拿大發(fā)射了RADARSAT-2衛(wèi)星，采用C波段，采用多極化工作模式，可大大增加可識(shí)別地物或目標(biāo)的類別，分辨率范圍為到3—100米、幅寬范圍為10—500公里，應(yīng)用目標(biāo)面向測(cè)繪以及環(huán)境和自然資源的監(jiān)測(cè)等方面。2007年德國(guó)發(fā)射了TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星，采用X波段，高分辨率模式下地面分辨率達(dá)到1米。

圖1 被局部污染的海面

圖2 灌溉的農(nóng)田

圖3 不同極化方式的雷達(dá)圖像

圖4 雷達(dá)圖像上的鐵路

圖5 光學(xué)圖像上的鐵路

圖6 雷達(dá)圖像上的居民地

縱觀當(dāng)前星載合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展，雷達(dá)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(fā)展受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。

圖7 光學(xué)圖像上的居民地

2 合成孔徑雷達(dá)圖像物理特性與目標(biāo)解譯

2.1 合成孔徑雷達(dá)的特點(diǎn)

用于成像的合成孔徑雷達(dá)屬于主動(dòng)式傳感器，它具有分辨率高、作用距離遠(yuǎn)、測(cè)繪帶寬和能全天候、全天時(shí)工作的特點(diǎn)。在成像時(shí)，雷達(dá)本身發(fā)射一定波長(zhǎng)和功率的微波波束，然后接收并記錄目標(biāo)散射或反射的帶有目標(biāo)屬性信息的回波信號(hào)，從而獲得了地面物體的微波圖像。與其他測(cè)繪傳感器相比，合成孔徑雷達(dá)有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)微波能穿透云霧和雨雪，具有全天候工作能力。(2)微波對(duì)地物有一定的穿透能力。(3)合成孔徑雷達(dá)圖像不僅包含了地物對(duì)微波的反射或散射的強(qiáng)弱，而且還包含了回波的相位信息，從而可進(jìn)行雷達(dá)干涉測(cè)量，確定目標(biāo)的高度。(4)合成孔徑雷達(dá)圖像的地面分辨率與平臺(tái)高度無(wú)關(guān)。

2.2 影響雷達(dá)圖像物理特性的因素與典型目標(biāo)解譯

地面目標(biāo)在雷達(dá)圖像上的色調(diào)取決于天線接收到的回波強(qiáng)度，回波功率強(qiáng)，影像色調(diào)淺，回波信號(hào)弱，則影像色調(diào)深。對(duì)一個(gè)特定的雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收的回波強(qiáng)度除了與斜距有關(guān)外，主要取決于目標(biāo)的散射截面。而這個(gè)值與系統(tǒng)的極化方式、側(cè)視角、目標(biāo)表面的粗糙度和目標(biāo)的復(fù)介電常數(shù)有關(guān)。

(1)平臺(tái)高度；平臺(tái)高度的大小會(huì)影響微波在大氣中傳播路程的長(zhǎng)短，從而會(huì)影響微波傳輸?shù)耐高^(guò)率。微波在大氣中傳播時(shí)，會(huì)受到大氣分子的吸收和散射。大氣對(duì)微波吸收的主要因素是氧氣分子和水蒸氣，波長(zhǎng)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(zhǎng)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(biāo)，在不同高度上被成像時(shí)，其影像色調(diào)會(huì)發(fā)生變化，平臺(tái)高度越高，其影像色調(diào)會(huì)相對(duì)深些。

(2)側(cè)視角；側(cè)視角的變化會(huì)引起地物影像色調(diào)和形狀的變化。雷達(dá)的側(cè)視角小，目標(biāo)的反射率大，側(cè)視角大，目標(biāo)的反射率低。當(dāng)側(cè)視角大于30度時(shí)，側(cè)視角的變化對(duì)目標(biāo)反射率的變化影響較小。側(cè)視角對(duì)目標(biāo)反射率的影響程度還決定于目標(biāo)的表面性質(zhì)，對(duì)光滑表面的影響大，對(duì)粗糙表面的影響小。

(3)波長(zhǎng)與目標(biāo)表面的粗糙度；同一地物對(duì)不同波段微波的反射特性有較大的差異。根據(jù)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(duì)雷達(dá)微波的反射形式。若地面目標(biāo)是光滑的，對(duì)入射到其表面的微波產(chǎn)生了鏡面反射作用，使回波信號(hào)很弱，此時(shí)地面目標(biāo)在雷達(dá)圖像上呈暗色調(diào)。若地面目標(biāo)是粗糙的，對(duì)入射到其表面的微波鏟射漫反射或方向反射，回波信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，此時(shí)地面目標(biāo)在雷達(dá)圖像上呈淺色調(diào)。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(qū)域，可被視為光滑的表面，呈現(xiàn)為黑色的色調(diào)。

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

(5)極化；極化是指電磁波的偏振。根據(jù)偏振方向，極化方式可以分為水平極化和垂直極化。根據(jù)微波遙感的目的可以采用合適的極化方式組合。雷達(dá)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(dá)圖像。從圖中可以看出，同一地物在不同極化方式的雷達(dá)圖像上反映的影像色調(diào)不同。對(duì)于目標(biāo)識(shí)別與解譯來(lái)講，選擇適合的極化方式的雷達(dá)圖像對(duì)于目標(biāo)的解譯非常重要。

(6)硬目標(biāo)；具有較大的散射截面，在雷達(dá)圖像上呈亮白色影像的物體統(tǒng)稱為硬目標(biāo)。與雷達(dá)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(dǎo)體、以及角反射物體都是硬目標(biāo)。金屬塔架、鐵路、飛機(jī)、坦克等表面有較高的復(fù)介電常數(shù)，對(duì)微波的反射能力較強(qiáng)，故在雷達(dá)圖像上是亮白色影像。高壓輸電線路除金屬塔架在側(cè)視雷達(dá)圖像上為亮白色影像外，當(dāng)線路與雷達(dá)波方向垂直，也可能形成亮白色現(xiàn)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(zhì)在雷達(dá)圖像上引起強(qiáng)反射，使得鐵路在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)的非常明亮。

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

3 結(jié)語(yǔ)

由于雷達(dá)傳感器的成像機(jī)理非常獨(dú)特，并且使用的是較長(zhǎng)的微波(波長(zhǎng)為1毫米到1米)成像，因此利用雷達(dá)圖像進(jìn)行解譯目標(biāo)也顯得與眾不同。雖然雷達(dá)圖像的判讀特征與普通光學(xué)圖像相差很大，但是利用雷達(dá)圖像進(jìn)行判讀的優(yōu)勢(shì)也很明顯，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)雷達(dá)圖像的目標(biāo)解譯是對(duì)其他圖像的有效的補(bǔ)充。常見(jiàn)的光學(xué)遙感的方式受到天氣和大氣的影響很大，尤其在戰(zhàn)爭(zhēng)、抗洪搶險(xiǎn)等突發(fā)事件中，由于天氣原因，往往不能及時(shí)有效的獲取圖像，此時(shí)只能依靠雷達(dá)圖像進(jìn)行判讀解譯。(2)雷達(dá)圖像對(duì)復(fù)介電常數(shù)很高的物體非常敏感，而多數(shù)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)都屬于該類物體，因此在雷達(dá)圖像上能非常容易的獲得車輛、飛機(jī)等重要目標(biāo)的位置及數(shù)量。

在利用雷達(dá)圖像進(jìn)行判讀時(shí)，可以依據(jù)傳統(tǒng)的判讀原則，注意顧及雷達(dá)圖像的特點(diǎn)，從形狀特征、大小特征、色調(diào)特征、紋形特征、陰影特征以及位置布局等特征來(lái)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。隨著目前雷達(dá)圖像的分辨率越來(lái)越高，其相應(yīng)的判讀識(shí)別條件正在逐漸改善。不斷加強(qiáng)對(duì)雷達(dá)圖像性質(zhì)的研究與了解，逐步掌握雷達(dá)圖像目標(biāo)的識(shí)別與解譯的經(jīng)驗(yàn)與規(guī)律，對(duì)于解決當(dāng)前軍事應(yīng)用的急需不僅是十分緊迫的，而且是十分必要的。