合成孔径雷达图像特征
合成孔径雷达影像特征分析
合成孔径雷达影像特征分析作者：曾浩炜来源：《科教导刊·电子版》2014年第23期摘要合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，简称SAR）是一种全天候、全天时的现代高分辨率微波成像雷达。
SAR具有与光学遥感不同的集合特性和辐射特性，现已广泛地应用于各个领域。
本文利用Erdas和Matlab对SAR影像几何特征进行分析，具体分析SAR影像方向位、斜距向分辨率，分析SAR影像几何变形（叠掩、阴影、透视收缩），认识影像斑点噪声及其对影像分析的影响。
关键词合成孔径雷达 SAR影像几何特征噪声影响。
中图分类号：P237 文献标识码：A合成孔径雷达是二十世纪高新科技的产物，是利用合成孔径原理、脉冲压缩技术和信号处理方法，以真实的小孔径天线获得距离向和方位向双向高分辨率遥感成像的雷达系统，在成像雷达中占有绝对重要的地位。
近年来由于超大规模数字集成电路的发展、高速数字芯片的出现以及先进的数字信号处理算法的发展，使SAR具备全天候、全天时工作和实时处理信号的能力。
它在不同频段、不同极化下可得到目标的高分辨率雷达图像，为人们提供非常有用的目标信息，已经被广泛应用于军事、经济和科技等众多领域，有着广泛的应用前景和发展潜力。
1SAR影像分析1.1分辨率用erdas视窗打开img文件，浏览该SAR影像，从SAR影像头文件中可以得到该影像方位向分辨率为5米，斜距向分辨率为10米。
从影像上也可以看山体在上下方向上被拉伸了，如图1。
图1：转换img格式显示1.2显示在Matlab中将影像进行10：2的多视处理后，得到比例正常的影像，图2为放大部分区域影像。
图2：截图区域多视处理后1.3SAR影像几何变形（叠掩、阴影、透视收缩）（1）叠掩。
多个目标由于斜距相同，它们在影像上具有相同的位置，使这点的灰度值很大，这种现象叫做叠掩。
影像中有许多处山体左侧坡面几乎只有一条直线，影像右上角还有许多亮斑，这些都是叠掩。
雷达成像技术（保铮word版）第四章合成孔径雷达
雷达成像技术（保铮word版）第四章合成孔径雷达第四章合成孔径雷达合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar ，简称SAR ）是成像雷达中应用最多，也是本书讨论的重点。
在前几章对雷达如何获取高的距离分辨率和横向分辨的基础上，从本章开始用三章的篇幅对合成孔径雷达作较详细的讨论。
首先，结合工程实际介绍合成孔径雷达的原理。
在前面的讨论中已经提到，根据不同的要求，成像算法（特别是横向成像算法）有许多种，本章只介绍最简单的距离-多普勒算法的原理，目的是由此联系到对合成孔径雷达系统的要求以及工程实现方面的问题。
合成孔径雷达通常以场景作为观测对象，它与一般雷达有较大不同，我们将在本章讨论合成孔径雷达有别于一般雷达的一些技术性能和参数。
4.1 条带式合成孔径雷达成像算法的基本原理4.1所示，设X 轴为场景的中心线，Q 为线上的某一点目标，载机以高度H 平行于中心线飞行，离中心线的最近距离B R 为B R = （4.1）当载机位于A 点时，它与Q 点的斜距为R = （4.2）式中t X 为点目标Q 的横坐标。
当分析中心线上各个点目标的回波状况及成像算法时，可以在包括场景中心线（即X 轴）和载机航线的平面里进行。
至于场景里中心线外的情况将在后面说明，这里暂不讨论。
一般合成孔径雷达发射线性调频（LFM ）脉冲，由于载机运动使其到目标的距离发生变化，任一点目标回波在慢时间域也近似为线性调频，而且包络时延也几何示意图随距离变化，即所谓距离徙动。
合成孔径雷达成像算法的任务是从载机运动录取得到的快、慢时间域的回波数据，重建场景图像，它是二维匹配滤波问题。
严格考虑距离徙动的成像算法比较复杂，在实际应用中，一般均根据情况采用一些较简单的算法，这些将在第五章里系统介绍。
在这里我们主要讨论分辨率较低，距离徙动影响可以忽略的最简单的情况，这时可采用简易的距离-多普勒基本算法。
所谓距离徙动的影响可以忽略不计是指雷达波束扫过某点目标的相干处理时间里，目标斜距变化引起的距离徙动值小于距离分辨单元长度的1/4~1/8，即场景中心线上所有点目标的回波（距离压缩后的）在慢时间域里均位于同一个距离单元。
合成孔径雷达图像目标识别技术研究
合成孔径雷达图像目标识别技术研究合成孔径雷达图像目标识别技术研究摘要：合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种通过感知目标反射或散射的雷达技术。
在航天、军事、环境监测等领域都有着重要的应用价值。
本文旨在对合成孔径雷达图像目标识别技术进行研究，包括图像预处理、特征提取和分类方法。
通过实验验证了这些方法的有效性和可行性，为进一步的相关研究提供了参考。
1. 引言合成孔径雷达（SAR）是一种能够获取高分辨率地面目标信息的雷达技术。
由于其具有无视天候、全天候工作和穿透隐蔽物等优势，因此在军事侦察、环境监测、资源勘探等领域得到了广泛应用。
目标识别作为SAR图像处理的重要环节之一，对于提取目标特征、辨识目标类别具有重要意义。
2. 合成孔径雷达图像预处理合成孔径雷达图像在获取过程中会受到多种干扰因素的影响，如地物散射、方向模糊等。
因此，为了提高目标识别的准确性，需要对SAR图像进行预处理。
预处理主要包括去噪、图像增强和几何校正等步骤。
2.1 去噪由于SAR图像在采集过程中会受到天气等因素的干扰，导致图像中出现噪声。
噪声对目标识别造成很大的困扰，因此需要进行去噪处理。
常用的去噪方法包括中值滤波、小波去噪等。
2.2 图像增强图像增强的目标是提高图像的对比度和清晰度，使得目标在图像中更加鲜明。
在SAR图像中，由于环境等因素的限制，图像质量较差。
常用的图像增强方法包括直方图均衡化、自适应直方图均衡化等。
2.3 几何校正由于SAR图像在获取过程中会有不同的几何失配问题，如斜视几何失配、散焦几何失配等。
为了进行精确的目标识别，需要对图像进行几何校正。
几何校正方法包括校正变换、几何失配校正等。
3. 合成孔径雷达图像特征提取特征提取是目标识别的关键步骤之一。
通过提取图像的特征信息，可以判断目标的类别以及与其他目标的差异。
常用的特征提取方法包括空间域特征、频率域特征和小波域特征等。
3.1 空间域特征空间域特征是通过对图像的像素进行分析提取的，包括灰度特征、形状特征等。
合成孔径雷达
欧空局(ESA)
欧空局分别于1991年7月和1995年4月,发射了欧洲遥感卫星(European Remote Sensing Satellite, ERS) 系列民用雷达成像卫星:ERS-1和ERS-2,主要用于对陆地、海洋、冰川、海岸线等成像。卫星采用法国Spot-I和 Spot-Ⅱ卫星使用的MK-1平台,装载了C波段SAR,天线波束指向固定,并采用VV极化方式,可以获得30 m空间分辨率 和100 km观测带宽的高质量图像。Envisat是ERS计划的后续,由欧空局于2002年3月送入太空的又一颗先进的近 极地太阳同步轨道雷达成像卫星。Envisat上所搭载的ASAR是基于ERS-1/2主动微波仪(AMI)建造的,继承了ERS-1 /2 AMI中的成像模式和波束模式,增强了在工作模式上的功能,具有多种极化、可变入射角、大幅宽等新的特性, 它将继续开展对地观测和地球(ESA)
意大利 德国
俄罗斯 加拿大航天局(CAS)
日本 以色列
美国宇航局(NASA)
在Seasat-A取得巨大成功的基础上,利用航天飞机分别于1981年11月、1984年10月和1994年4月将Sir-A、 Sir-B和Sir-C/X-SAR3部成像雷达送入太空。Sir-A是一部HH极化L波段SAR,天线波束指向固定,以光学记录方式 成像,对1000 ×104 km2的地球表面进行了测绘,获得了大量信息,其中最著名的是发现了撒哈拉沙漠中的地下古 河道,显示了SAR具有穿透地表的能力,引起了国际学术界的巨大震动。产生这种现象的原因,一方面取决于被观测 地表的物质常数(导电率和介电常数)和表面粗糙度,另一方面,波长越长其穿透能力越强。Sir-B是Sir-A的改进型, 仍采用HH极化L波段的工作方式,但其天线波束指向可以机械改变,提高了对重点地区的观测实效性。Sir-C/X-SAR 是在Sir-A, Sir-B基础上发展起来的,并引入很多新技术,是当时最先进的航天雷达系统:具有L、C和X3个波段, 采用4种极化(HH, HV, VH和VV),其下视角和测绘带都可在大范围内改变。
【计算机应用】_合成孔径雷达图像_期刊发文热词逐年推荐_20140725
推荐指数 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
科研热词 合成孔径雷达 非下采样contourlet变换 合成孔径雷达图像 高度 高分辨率 非子采样contourlet变换 边缘检测 粒子群优化 目标提取 灰色关联分析 模糊熵 机动目标 广义交叉验证 小波阈值去噪 多波段合成孔径雷达图像 多尺度积 图像去噪 图像分割 合成孔径雷迭 区域生长 切片图像仿真 入射角 信息光学 信噪比 伪彩色融合 亮度-色度-饱和度变换 4f系统
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2014年 科研热词 推荐指数 非下采样小波(udwt) 1 矩阵转置 1 矩阵分块 1 滑动窗口 1 拉普拉斯(laplace)分布 1 局部性优化 1 多时相合成孔径雷达(sar)图像 1 变化检测 1 snake 模型 1 sar成像并行仿真 1
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
2011年 科研热词 合成孔径雷达 hough变换 高速公路检测 高分辨率 非线性权重 边缘特征提取 自聚焦 自动目标识别 纹理特征提取 目标特征 独立分量分析 灰度共生矩阵 海陆分割 活动轮廓模型 水平集 最小二乘 方位角联合估计 方位角估计 支持向量机 提取目标主轴 小波 多级中值滤波 多普勒调频率 图像处理 合成孔径雷达影像 合成孔径雷达图像分类 合成孔径雷达图像 双参数估计 判别熵 主成分分析 主导边界 radon变换 推荐指数 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
合成孔径雷达(SAR)
3 合成孔径原理（非聚焦与聚焦处理）
则对任意位置y，在整个孔径时间内积分可 以得到目标在所有y位置上的信号包络. 当对雷达 载体沿直线飞行产生的二次相位误差不补偿时：
4 x 4 v t 1 (t ) 2R 2R
2
2 2 s
这时的积分处理称非聚焦处理, 否则称为聚焦 处理。
设发射信号为：
S (t ) exp( jt )
则接收信号为：
Sr (t ) exp( j (t ))
0
其中:
2r 2 R0 ( X 0 X p ) c c cR0
2
9.2 SAR回波信号特性（信号模型）
则接收信号为：
2 R0 ( X 0 X p ) Sr (t ) exp( j[t ]) c cR0
2 0
e e
4 R0 j j 0 j t
2 ( X 0 X p )2
e
R0
该信号的相位为：
1 2 3
9.2 SAR回波信号特性（信号模型）
发射信号的线性相位：
1 t
2
4 R0
与距离有关的常数相位：
雷达平台运动产生的二次相位：
x R
R
2TD vs sin
4 合成孔径原理(频率分析方法)
当φ=90 度, 多普勒滤波器的时间常数为:
TD
最终的方位分辨率为:
R
vs D
D x 2
5
SAR 基本参数
Lmax
最大聚焦合成孔径长度:
R
D
天线尺寸的减小导致更长的聚焦合成孔径长度 SAR 聚焦分辨率:
《合成孔径雷达》课件
总结词：气象观测中的重要手段
总结词：地质勘查中的重要工具详细描述：合成孔径雷达（SAR）在地质勘查中发挥着重要作用，能够观测地表和地下地质结构，提供高分辨率的地质数据，帮助地质学家更好地了解地质构造和资源分布。案例分析：合成孔径雷达在地质勘查中的应用案例包括矿产资源勘查、地震灾害评估、土地利用调查等。例如，在中国西部地区，科学家使用合成孔径雷达对矿产资源进行勘查，发现了大量的煤炭和石油资源。结论：合成孔径雷达在地质勘查中的应用具有重要意义，能够提高地质学家对地质构造和资源分布的了解和勘查准确性。
起源
随着技术的不断进步，合成孔径雷达在分辨率、速度、体积和重量等方面不断优化，应用领域也不断拓展。
发展历程
未来，合成孔径雷达将继续朝着更高分辨率、更小体积、更低成本的方向发展，同时与其他技术如人工智能、物联网等结合，拓展更多的应用场景。
未来展望
02
合成孔径雷达的应用
合成孔径雷达能够穿透云层和伪装，提供高分辨率的战场侦察图像，帮助指挥官了解敌情。
பைடு நூலகம்
气象研究
合成孔径雷达可以用于观测地球表面的地形、地貌、植被等信息，为地球科学研究提供数据支持。
地球观测
通过合成孔径雷达的高清图像，可以发现和识别古代遗址和文物，为考古研究提供新的手段。
遥感考古
03
合成孔径雷达系统组成
03
发射机的性能指标包括输出功率、效率、波形质量等，直接影响着合成孔径雷达的作用距离和分辨率。
THANKS
感谢观看
信号处理包括脉冲压缩、动目标检测、多普勒频率分析等技术，以提高雷达的分辨率、检测能力和抗干扰能力。
信号处理的性能指标包括处理精度、实时性、稳定性等，直接影响着合成孔径雷达的整体性能。
第十二章 合成孔径雷达
w' c
1
w
2w ' 2w ' 2w Ω= f0 = = cosψ c λ λ
26
多普勒频率的微分： 多普勒频率的微分： 的微分
δΩ =
2 w sinψ
λ
δψ
若以 δ 分辨率
表示多普勒频率的分辨率， 表示多普勒频率的分辨率，δψ 表示方位角 的分辨率 λ δψ = δΩ 2 w sinψ
13
日本陆地观测卫星和合成孔径雷达 ★ 日本陆地观测卫星和合成孔径雷达 (PALSAR)
ALOS主要参数 主要参数
发射时间： 发射时间：2006.1.24 太阳同步轨道 卫星高度： 卫星高度：691 km 轨道平面倾角： 轨道平面倾角：98.16° ° 轨道周期： 轨道周期：99 min 循环周期： 循环周期：46 days SAR： ： 微波波段： 微波波段：L (1.27 GHz) 极化方式： 极化方式：多极化
19
某一波 某一波源发出的声波频率为 f，波长为 λ； ， ； 声波传播速度 v
1 v f = = T λ
20
多普勒效应三种情况
1. 观察者静止，波源相对于 观察者静止， 媒质运动
波源以速度v 波源以速度 s接近观察者 v SS ' = vs × T = s 经过时间T（波周期）：
f
波源运动速度v 波源运动速度 s背离观察者 波长和频率分别为
12
成像模式提供的七种不同入射角的图像参数 成像模式提供的七种不同入射角的图像参数
成像 幅宽 公里） 位置代号 （公里） IS1 IS2 IS3 IS4 成像模式 IS5 IS6 IS7 105 105 82 88 64 70 56 与星下点的 距离 公里） （公里） 187 - 292 242 - 347 337 - 419 412 - 500 490 - 555 550 - 620 615 - 671 入射角范围 （度） 15.0 - 22.9 19.2 - 26.7 26.0 - 31.4 31.0 - 36.3 35.8 - 39.4 39.1 - 42.8 42.5 - 45.2
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Courtesy of CCRS
Courtesy of CCRS
为什么要削弱斑点噪声
The presence of speckle noise must be considered before further analysis Reduction of speckle noise allow:
第三章 Characteristics of SAR Images（合成孔径雷达图像特征）
SAR Imaging - Slant Range Projection （斜距投影）
Antenna 像平面
e
fg
R H
Nadir
E
F G
Y
Across track
The location of pixels in the image plane is dependent on the slant ranges between the antenna and the ground objects 地物目标在像平面上的位置取决于目标与雷达天线之间的距离
(after ESA)
SAR Image Expression （SAR图像表达）
Each pixel is represented by a complex value, i.e.,
ω = a +eflectivity (intensity) of the imaged patch
PDF(φ) = ∫ PDF( A, φ)dA =
0 ∞
1 , −π ≤ φ < π 2π
(Franceschetti & Lanari, 1999)
Example: Histogram of SAR Data （直方图）
6000
6000
Pixel count
4000
Pixel count
-2 0 2 Imaginary component (Im) 4
Degrade spatial resolution
Averaging adjacent pixels （相邻像素平均）
Degrade spatial resolution
Speckle filtering（斑点滤波）
Not sacrificing the resolution （不牺牲空间 分辨率） The adoption of classical enhancement tools developed for imagery from optical sensors （可以借鉴经典的方法）
光学与SAR成像差异，地形起伏引起的位移方向相反 (Copyright, CCRS)
Incident Angle（入射角）
(Nominal) Incident angle (名义入射角)
--angle between the radar illumination and the normal to the ground surface. （雷达入射方向和地面法线的夹角） -- the incident angle increases from the near range to the far range （雷达图像的近距到远距，入射角增大）
Example of radar shadow effects under large incidence angle (>45°) illumination. (Copyright, CCRS)
Diagram of Layover （叠影）
目标上部的回波比底部 的回波先到达接收天线 目标的顶部发生位移， 相对与底部倒置 叠影是透视收缩的极端 情况 名义入射角小时，叠影 更显著
4000
2000
2000
0 -4
0 -4
-2 0 2 Real component (Re)
4
From test data set over Yuan Long, Hong Kong
Example: Histogram of SAR Data （直方图）
4000 3000
Pixel count 5000 4000 3000 2000 1000 0 -4 -2 0 Phase ( φ ) 2 4
Local incident angle（局部入射角）
-- angle between the radar LOS and the line normal to the local slope. （雷达入射方向与局部坡度法线的夹角）
θloc
αi
θi
Incident angle（入射角） Local incident angle（局部 入射角）
Average multiple amplitude image （多图平均）
Degrade temporal resolution
Separate the maximum synthetic aperture into smaller subapertures, generate independent looks (with reduced resolution) at target areas, register and add the looks （子孔 径叠加）
System parameters State vectors of SAR platform
Amplitude component
Phase component
Statistical Model of SAR Data （SAR数据统计模型）
Real part（实部）
Re2 PDF(Re) = exp − 2 2σ 2 2πσ 1 Im2 PDF(Im = ) exp − 2 2σ 2 2πσ 1
Sketch map of joint contribution（综合贡献示意图）
Fading and speckle（衰退和斑点）
Fading is the variation of amplitude of total radar echo wave （衰退之总雷达回波幅度的变化） Speckle refers the constructive (相长) and destructive(相消) interference of radar echo waves, appearing in the image as bright or dark （斑点指雷 达回波的相长或相消叠加，在影像上表现为明或 暗）
A = a2 + b2
Phase（相位）: proportional to sensor-to-target range
b ψ = tan ∈(-π, π ] a
−1
Example: SAR Image（SAR图像）
Range
Complex image
Azimuth Azimuth
Pixel count
2000 1000 0
0
2 4 Amplitude (A)
6
Content of a SAR Image File（SAR图像内容）
Key parameters: (example) Header
Scene identification: ORBIT 18795, DATE 24-NOV-1998, 2:54:44 Scene location: FRAME 3159, LAT 22.24, LON 114.34 Pulse_repetition_frequency (actual, Hz): 1679.9020000 Total_azimuth_band_width (Hz): 1378.0000000 Weighting_azimuth: HAMMING Xtrack_f_DC_constant (Hz, early edge): -117.6290000 Xtrack_f_DC_linear (Hz/s, early edge): 444430.0000000 Xtrack_f_DC_quadratic (Hz/s/s, early edge): -2016000000.0000 Range_time_to_first_pixel (2way) (ms): 5.5272710 Range_sampling_rate (leader file, MHz): 18.9624680 Total_range_band_width (MHz): 15.5500000 Weighting_range: HAMMING Radar_wavelength (m): 0.0566660 First_pixel_azimuth_time (UTC): 24-NOV-1998 02:54:44.888 First_pixel_slant_range (m): 828424 Pixel_spacing (m): 7.904000 Line_spacing (m): 3.988000 Projection mode: Zero-Doppler
θi
layover
Exercise: 区分几何形变?
Understanding geometric distortions from local incident angle 理解几何形变
强 叠影
弱
强 透视收缩
弱
弱 阴影 900
强
00 局部入射角
(Courtesy: CCRS)
ERS-2 image, incidence angles between 24°to 26°
Fading（衰退） Speckle（斑点）
Fading and speckle（衰退和斑点）
Fading and speckle are the inherent “noise-like” processes in a coherent imaging system （衰退和斑 点是相干成像系统固有的噪声过程） Radar total echo wave in a resolution cell is the joint contribution of echo wave from different small scatters within the resolution cell.（分辨单元的雷 达回波是分辨单元内小散射体回波的综合贡献）