地理國情監(jiān)測專業(yè)中關(guān)于SAR成像機理的實驗教學研究

石書祝

【摘要】針對目前武漢大學地理國情監(jiān)測專業(yè)學生對合成孔徑雷達（SAR）成像機理理解不深的問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了利用地基SAR系統(tǒng)對地物目標進行成像的實驗教學。作者將科學研究設(shè)備用于實驗教學的嘗試，加深了學生對SAR系統(tǒng)構(gòu)架和成像機理的理解，培養(yǎng)了學生將SAR系統(tǒng)應(yīng)用于地理國情監(jiān)測的能力以及科學研究的興趣。

【關(guān)鍵詞】地理國情監(jiān)測 合成孔徑雷達 實驗教學 成像機理

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）03-0012-02

【Abstract】At present， the students in the major of national geographical conditions monitoring of Wuhan University usually cant well understand the imaging principle of synthetic aperture radar （SAR）. In order to solve this problem， the experimental teaching in which the ground-based SAR is used to achieve the image of the target is designed and implemented in this paper. From this experimental teaching， the students can better understand the architecture of SAR and its imaging principle. Furthermore， the abilities of the students to apply the SAR in the area of national geographical conditions monitoring can be improved， and the interests of the students in scientific research can be inspired.

【Key words】National geographical conditions monitoring； Synthetic aperture radar； Experiment teaching； Imaging principle

地理國情是指包括國土疆域面積、地理區(qū)域劃分、地形地貌特征、道路交通網(wǎng)絡(luò)、江河湖海分布、土地利用與土地覆蓋、城市布局和城鎮(zhèn)化擴張、生產(chǎn)力空間布局、災(zāi)害分布等在內(nèi)的自然和人文地理要素在宏觀層面的綜合表達，是基本國情的重要組成部分[1，2]。地理國情監(jiān)測就是從地理的角度，綜合利用現(xiàn)代測繪、遙感、地理信息系統(tǒng)、空間統(tǒng)計學、云計算、通訊等技術(shù)，在普查的基礎(chǔ)上對自然、人文和社會經(jīng)濟要素進行動態(tài)、定量監(jiān)測，并分析評估地理國情信息的時空特征和變化趨勢，形成涵蓋資源分布與利用、生態(tài)環(huán)境評估、區(qū)域規(guī)劃、城鎮(zhèn)化發(fā)展、經(jīng)濟布局、社會公共服務(wù)等諸多方面的地理國情監(jiān)測產(chǎn)品[3]。

相對于目前常用的光學遙感手段，合成孔徑雷達（SAR）應(yīng)用于地理國情監(jiān)測中時不受云、雨、霧等因素的影響，可全天時、全天候獲取高分辨率影像，而且在長時間序列森林覆蓋監(jiān)測、地面沉降等方面具有很大的優(yōu)勢[4]。因此，SAR在地理國情監(jiān)測中有非常大的應(yīng)用潛力[5]。地理國情監(jiān)測專業(yè)是武漢大學乃至全國第一個本科專業(yè)，從2012年招收本科生開始，針對遙感數(shù)據(jù)在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用目前已經(jīng)開設(shè)了《遙感原理與應(yīng)用》、《遙感圖像解譯》、《微波遙感》、《水利遙感監(jiān)測》和《海洋遙感》等專業(yè)課程。由于缺乏SAR實物平臺，這些課程對該系統(tǒng)構(gòu)架和成像機理的講授都很膚淺，造成學生對SAR成像機制理解不深，進而限制了學生將SAR影像應(yīng)用于地理國情監(jiān)測的能力和興趣。本文利用由國家自然科學基金項目資助研制的地基SAR系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了該系統(tǒng)對地物目標進行成像的教學實驗。實驗的目的是使學生掌握SAR系統(tǒng)構(gòu)架和成像機理，了解不同地物目標在SAR影像上所呈現(xiàn)的紋理特征，培養(yǎng)學生將SAR應(yīng)用于地理國情監(jiān)測的能力和開展相應(yīng)科學研究的興趣。

一、地基SAR實驗設(shè)備介紹

雖然目前地理國情監(jiān)測都采用星載或機載SAR影像，但由于搭載平臺的特殊性，難以給學生現(xiàn)場展示這兩種系統(tǒng)的成像過程。地基SAR系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)架和成像機理上與星載或機載SAR基本相同，方便現(xiàn)場操作和展示，適合作為SAR成像機理的教學實驗設(shè)備。武漢大學研制的地基SAR系統(tǒng)作為一種便攜式雷達，可用于對人工建筑物、山體滑坡等地物目標進行實時成像和形變監(jiān)測，它主要由天線單元、收發(fā)單元、滑動軌道、控制單元、數(shù)據(jù)記錄和處理單元以及電源構(gòu)成，如圖1所示。

該系統(tǒng)工作在Ku波段，通過在2米長的線性軌道上來回滑動提供合成孔徑，同時通過在每個方位采樣點上發(fā)射和接收步進頻率連續(xù)波獲得高距離向分辨率。采集數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)記錄單元實時緩存，然后由處理單元調(diào)用成像算法對采集數(shù)據(jù)進行距離向和方位向的二維脈沖壓縮，最后在筆記本電腦上顯示地物目標的二維SAR影像。

二、地基SAR成像實驗介紹

SAR作為一種新型遙感手段，盡管在科學研究中已有比較廣泛的應(yīng)用，但由于它涉及雷達原理、天線原理、信號處理等多種專業(yè)知識，在大學本科教學實驗中的應(yīng)用案例還非常少。依據(jù)武漢大學地理國情監(jiān)測專業(yè)本科生的培養(yǎng)方案和課程安排的特點，我們利用地基SAR設(shè)計了相應(yīng)的教學實驗。

1.認識和實際操作SAR設(shè)備

首先向?qū)W生展示地基SAR設(shè)備的實物平臺，向?qū)W生介紹系統(tǒng)的各個組成部分以及在系統(tǒng)中所起的作用，同時向?qū)W生介紹機載、星載SAR與地基SAR在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的差異，使學生對各種SAR的系統(tǒng)構(gòu)架有比較好的掌握。

然后向?qū)W生講述地基SAR設(shè)備一些關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計依據(jù)，并結(jié)合啟發(fā)式提問的方式，使學生認識SAR影像對應(yīng)的各項參數(shù)的含義，以及掌握針對不同遙感監(jiān)測需求如何去選擇合適的SAR影像。比如：高分辨率SAR影像應(yīng)用于地理國情監(jiān)測中時具備哪些優(yōu)勢？系統(tǒng)的距離向分辨率和方位向分辨率與哪些因素有關(guān)？如果我們要獲得0.5米的距離向分辨率，需要多大的信號帶寬？

最后在學生充分了解實驗設(shè)備結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)軟件使用方法的基礎(chǔ)之上，由學生親自動手完成地基SAR的探測調(diào)試。在實驗中，由學生自主設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)，并通過對比分析參數(shù)改變前后SAR影像的變化，加深學生對系統(tǒng)各項參數(shù)的含義的理解。

2.SAR成像機理分析

在學生對SAR系統(tǒng)整體有比較清楚認識的基礎(chǔ)之上，給學生展示如何在Matlab軟件中利用經(jīng)典的距離-多普勒（RD）成像算法處理采集數(shù)據(jù)并獲得SAR影像，使學生理解系統(tǒng)成像機理。RD成像算法的流程圖如圖2所示[6]。另外，我們利用一個角反射器作為成像目標。

第一步，在Matlab軟件中給學生展示由數(shù)據(jù)記錄單元輸出的SAR原始數(shù)據(jù)的格式，介紹如何構(gòu)建距離向參考信號，以及演示如何通過快速傅里葉變換（FFT）運算完成距離向壓縮，并給學生展示距離向壓縮之后通過逆快速傅立葉變換（IFFT）得到的二維時域圖。同時啟發(fā)學生思考以下問題：SAR原始數(shù)據(jù)的格式為什么是二維的？通過距離向壓縮，我們可以得到哪些信息？

第二步，給學生介紹距離徙動、駐相定理、多普勒中心頻率等基本概念，演示如何利用辛格插值等操作完成距離徙動校正，并分別展示二次距離壓縮和距離徙動校正之后的距離-多普勒域圖。同時提出如下所示的啟發(fā)式問題：距離徙動校正前后的距離-多普勒域圖有什么變化？距離相同而方位不同的目標為什么會具有相同的距離徙動值？

第三步，給學生介紹如何構(gòu)建方位向參考信號，以及演示如何通過FFT運算完成方位向壓縮，并給學生展示方位壓縮之后的二維聚焦SAR影像。同時引導(dǎo)學生探索新的知識，比如：由學生自己觀察目標在SAR影像上對應(yīng)的距離值和方位值，并比較分析目標實際與探測系統(tǒng)之間的縱向距離和橫向距離值，發(fā)現(xiàn)其中的對應(yīng)規(guī)律。

第四步，將目標設(shè)置在離探測系統(tǒng)不同的距離向和方位向上，并由學生親自利用RD算法對觀測數(shù)據(jù)進行成像處理。對成像過程中出現(xiàn)的問題，在老師的指導(dǎo)下由學生自己去查找原因，并對數(shù)據(jù)進行記錄，對實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)。

3.不同地物目標在SAR影像上的紋理特征分析

通過利用地基SAR對角反射器進行成像的操作，并與《遙感原理與應(yīng)用》、和《微波遙感》等課程中的講述和理論結(jié)果進行對比，便于學生理解來龍去脈，從抽象到形象生動，最終達到學生深刻理解SAR成像機理的目的。但在將SAR影像實際應(yīng)用于地理國情監(jiān)測中時，比如基于SAR影像進行地表覆蓋分類的研究，不同的地物目標在SAR影像上將呈現(xiàn)出與光學影像完全不同的特征，從而給學生在解譯這類遙感圖像時帶來困惑。

基于該問題，我們設(shè)定了利用地基SAR探測植被、水壩、湖泊、大樓等野外實驗題目。學生自由選題后，通過查閱文獻資料構(gòu)思實驗計劃、擬定實驗步驟和寫出詳細的實驗方案。在實驗過程中，學生需要對探測數(shù)據(jù)、實驗現(xiàn)象和出現(xiàn)的各種問題進行詳細記錄，并由老師指導(dǎo)學生嘗試去分析和解釋實驗結(jié)果。實驗完成后，學生以科技論文的形式寫出實驗總結(jié)。

三、結(jié)束語

通過地基SAR對地物目標進行成像的教學實驗，加深了地理國情監(jiān)測專業(yè)學生對SAR系統(tǒng)框架和成像機理的理解，培養(yǎng)了學生將SAR系統(tǒng)應(yīng)用于地理國情監(jiān)測的能力以及基于SAR影像開展各項科學研究的興趣。在實驗過程中，通過啟發(fā)式提問、啟發(fā)學生思考、引導(dǎo)學生探索新知識等教學方式，能夠激發(fā)學生的學習興趣和培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。同時通過讓學生親自參與整個實驗的設(shè)計、操作和結(jié)果分析，有利于培養(yǎng)和提高學生的動手能力、研究能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]李德仁，眭海剛，單杰.論地理國情監(jiān)測的技術(shù)支撐[J].武漢大學學報（信息科學版），2012，37（5）：505-512.

[2]陳俊勇.地理國情監(jiān)測的學習札記[J].測繪學報，2012，41（5）：633-635.

[3]李德仁，丁霖，邵振峰.關(guān)于地理國情監(jiān)測若干問題的思考[J].武漢大學學報（信息科學版），2016，41（2）：143-147.

[4]王軍鋒，喬明，魏育成，等.無人機機載SAR在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].測繪與空間地理信息，2016，39（5）：61-64.

[5]王馨爽，劉玲玲，吳桐，等.多源遙感數(shù)據(jù)在地理國情監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪標準化，2015，31（3）：5-7.

[6]耿淑敏，江志紅，程翥，等.FM-CWSAR距離-多普勒成像算法研究[J].電子與信息學報，2007，29（10）：2346-2349.

基金項目：本文系國家自然科學基金青年基金資助項目（41504007）的研究成果。