最新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。
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。
合成孔径雷达的现状
合成孔径雷达现状基本概念合成孑堆雷达就是采用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达，也称综合孑照雷达。
合成孔径雷达的特点是辨别率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。
所得到的高方位辨别力相当于一个大孔径天线所能供应的方位辨别力。
分类合成孑雷达可分为聚焦型和非聚焦型两类。
用在飞机上或空间飞行器上可有几种不同的工作模式，最常见的是正侧视模式，称为合成孔径侧视雷达；此外还有斜视模式、多普勒波束锐化模式和定点照耀模式等。
假如雷达保持相对静止，使目标运动成像,则成为逆合成孑堆雷达，也称距离-多普勒成像系统。
合成孔径雷达在军事侦察、测绘、火控、制导，以及环境遥感和资源勘探等方面有广泛用途。
进展概况合成孑的概念始于50年月初期。
当时,美国有些科学家想突破经典辨别力的限制，提出了一些新的设想：采用目标与雷达的相对运动所产生的多普勒频移现象来提高辨别力；用线阵天线概念证明运动着的小天线可获得高辨别力。
50年月末，美国研制成第一批可供军事侦察用的机载高辨别力合成孔径雷达。
60年月中期，随着遥感技术的进展，军用合成孑雷达技术推广到民用方面，成为环境遥感的有力工具。
70年月后期，卫星载合成孔径雷达和数字成像技术取得进展。
美国于1978年放射的“海洋卫星"A号和80年月初放射的航天飞机都试验了合成孔径雷达的效果，证明白雷达图像的优越性。
空中SAR概况1.1951年,Carl Wiley首次提出采用频率分析方法改善雷达的角辨别率.2. 1953年，伊利诺依高校采纳非聚焦方法使角度辨别率由4.13度提高到0.4度，并获得第一张SAR图像.3. 1957年，密西根高校采纳光学处理方式，获得了第一张全聚焦SAR图像.4.1978年，美国放射了第一颗星载Seasat-1.5. 1991年欧洲空间局放射了ERS-1.6. 1995 年，加拿大放射了Radarsat-1.7. 2000年，欧洲空间局放射了ASAR.8. 2006 年，日本放射ALOS PALSAR.9. 2007 年，德国放射TerraSAR-X10. 2007年底，加拿大放射Radarsat-2简述K■均值聚类法K-均值算法的聚类准则是使每一聚类中，多模式点到该类别的中心距离的平方和最小。
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:
经典雷达资料-第21章 合成孔径(SAR)雷达-1
第21章合成孔径〔SAR〕雷达21.1 根本道理和早期历史对于机载地形测绘雷达，一个日益迫切的问题是要求其具有更高的分辨力，并通过“强力〞技术来达到高分辨力。
通常这种类型的雷达系统是通过辐射短脉冲来获得距离分辨力，通过辐射窄波束来获得方位分辨力。
有关距离分辨力和脉冲压缩技术的一些问题已在第10章中讨论过了。
在第10章中已经说明，假设发射信号的带宽足够宽，则采用适当的技术可获得比相应脉宽要好得多的分辨力。
由于脉冲压缩已在第10章中进行了广泛地讨论，因此本章将讨论直策应用于合成孔径技术中的脉冲压缩技术，出格是讨论对于同时完成脉冲压缩和方位压缩的技术，而不讨论挨次地完成距离压缩和方位压缩的技术。
本章所要讨论的根本道理是操纵合成孔径技术来改善机载地形测绘雷达的方位分辨力，使其值比辐射波束宽度所能达到的方位分辨力要高得多。
SAR是采用信号处置的方法发生一个等效的长天线，而非真正采用物理的长天线。
事实上，在绝大大都场所，使用的仅是一根较小的实际天线。
在考虑合成孔径时人们以长线性阵列物理天线的特性为参考。
在阵列天线中，许多辐射单位沿直线配置在适当的位置上，并操纵这种实际的线性阵列天线，使信号同时馈给天线阵的每个单位；同样地，当天线用于接收时，可使各个单位同时接收信号。
在发射和接收工作模式下，用波导或其他传输线连接，操纵干预现象得到有效的辐射标的目的图。
假设辐射单位不异，则线性阵列天线的辐射标的目的图是单个单位的标的目的图和阵列因子两个量的积。
在线性阵列天线中，阵列因子比单位的标的目的图具有锋利得多的波瓣〔较窄波束〕，这种天线阵因子的半功率波束宽度β〔rad〕可由下式给出，即β=〔21.1〕L/λ式中，L为实际阵列天线的长度；λ为波长。
合成孔径天线往往仅用单个辐射单位。
天线沿一直线依次在假设干个位置平移，且在每一个位置发射一个信号，接收相应发射位置的雷达回波信号并储存起来。
储存时，必需同时保留所接收信号的幅度和相位。
海洋溢油合成孔径雷达图像特征提取及其关键度分析
海洋溢油合成孔径雷达图像特征提取及其关键度分析韩吉衢;孟俊敏;赵俊生【摘要】In terms of the methodology of oil spill identifying in SAR images, it is usually arbitrary to select qualitative or/and quantitative features for classifying dark objects as oil spill or look-alikes. The features selected in different classification models are not the same. The feature extraction and the criticality analysis are made in SAR images. Its aim is to apply the minimum distance method to discriminating oil spills from look-alikes. First, through correlation analysis, the redundancy is removed. Next, a criticality coefficient is introduced to quantitatively study the criticality of features. Then, distinguishing features are extracted. Sequentially, the dimension of feature vector is reduced to fit for the application research of the minimum distance method.%就SAR图像溢油检测的方法论而言,用于识别溢油和疑似现象的定性或定量的统计特征量选择,通常是任意的.对于不同的分类模型,所选用的特征量也不尽相同.主要是进行海洋SAR图像特征提取及其关键度分析.其目的是将“最小距离”判别法应用于海上溢油和疑似溢油的识别研究.首先,针对海洋SAR图像溢油检测常用的特征量,进行冗余处理；然后,引入关键系数,定量地研究特征量的关键度,提取显著特征量；藉以构造一个多维的特征矢量空间,以适于最小距离判别法在特征矢量空间中进行溢油和疑似溢油的识别研究.【期刊名称】《海洋学报（中文版）》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】9页(P85-93)【关键词】SAR图像;溢油;关键度;特征提取【作者】韩吉衢;孟俊敏;赵俊生【作者单位】烟台大学光电信息科学技术学院,山东烟台264005;国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;烟台大学环境与材料学院,山东烟台264005【正文语种】中文【中图分类】X551 引言海洋溢油事故发生后及时准确地检测溢油并采取有效处理措施，对于海洋环境保护具有重要意义。
合成孔径雷达遥感原理及应用简介(二)
与聚焦系统比较 ,发现非聚焦系统的分辨率与波
长 、斜距相关 ,而聚焦的结果则与波长 、斜距无关 ,仅与
天线孔径有关 。
典型的星载系统 :l～10m λ, ～10cm , Ro ～103 Km 。 采用真实孔径雷达系统 , rar ～5000m ;若采用非聚焦合 成孔径雷达系统 ,结果 rapu ～200m ,仍无法满足实用需 求 ;采用聚焦的合成孔径雷达系统 ,结果为 5m 。
(2) 多普勒波束锐化的观点
①聚焦的多普勒波束锐化方法
最初的合成孔径雷达是由 Carl Wiley 于五十年代
初为军方研制的 ,成果处于保密状态达十多年 ,直到六
十年代后期才解密 。虽然五十年代后期就开始使用
“合成孔径”一词 ,但 Wiley 当时研制的却是叫作多普勒
波束锐化器的装置 。
如图 9 所示 ,雷达飞行速度为 u ,高度为 h ,沿 X 轴
飞行 , 距原点 x r , 雷达位置为 ( x r , O , h) , 目标位置为 ( xt , yt , O) 。波束的半功率等值线为椭园 , 即角度分辨
范围实际上是个窄的扇形波束 。沿航迹方向 , 波束宽度
为βh ,围绕目标的多普勒频率间隔 Δf D 等于多普勒滤 波器带宽 B Df 。
目标的多普勒频率为 f Dt = - 2 u ( X r - Xt) / (λR) ,
越大 ,因而最终聚焦的合成孔径雷达方位分辨率与斜
距无关 。
②非聚焦的合成孔径雷达
上面介绍的合成孔径雷达各阵元信号需进行相位
补偿 ,以便严格进行同相相干叠加 。这种方案大大改
善了方位分辨率 ,但实现的代价也很大 ,设备和算法复
杂 。实践中人们提出一种折衷方法 : 非聚焦的合成孔
合成孔径雷达的现状与发展趋势
二、合成孔径雷达现状
然而，目前合成孔径雷达技术还存在一些问题，如图像质量不稳定、处理速 度慢、无法识别特定目标等。此外，由于合成孔径雷达系统的复杂性和成本较高， 也限制了其应用范围。
三、合成孔径雷达发展趋势
三、合成孔径雷达发展趋势
随着技术的不断进步和应用需求的增长，合成孔径雷达未来的发展将趋向于 高分辨率、高灵敏度、宽测绘带以及多模式多波段的发展。
2、国外现状和趋势
2、国外现状和趋势
全球范围内，合成孔径雷达卫星技术发展迅速。商业公司如Planet Labs、 DigitalGlobe等纷纷推出具有高性能的SAR卫星，以满足不同用户的需求。同时， 一些国际组织如欧洲航天局也积极参与SAR技术的研究和应用，推动全球SAR技术 的发展。
2、国外现状和趋势
发展历程
1、起源和发展阶段
1、起源和发展阶段
合成孔径雷达卫星技术起源于20世纪50年代，当时美国国防部开始研究雷达 成像技术。到了20世纪70年代，雷达成像技术开始应用于卫星遥感领域。最初的 SAR技术采用机械扫描方式，随后逐渐发展为电子扫描方式。20世纪90年代初， 第一颗商业合成孔径雷达卫星TerraSAR-X成功发射，标志着SAR技术进入商业化 应用阶段。
与此同时，针对SAR系统的干扰方法也在不断发展。常见的SAR干扰技术包括 欺骗式干扰、压制式干扰和复合式干扰等。欺骗式干扰通过向SAR系统发送虚假 信号，使其无法正确解码和成像；压制式干扰则通过干扰SAR系统的接收机或发 射机，降低其信号接收能力；复合式干扰则结合欺骗式和压制式干扰，使SAR系 统无法正常工作。
三、合成孔径雷达发展趋势
3、宽测绘带：合成孔径雷达未来的发展趋势之一是实现大测绘带（SAR）的 覆盖。通过采用先进的信号处理技术和分布式系统，合成孔径雷达将能够实现大 范围的目标探测和地图绘制。
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Incident angle（入射角）
Geometric Characteristics of SAR Imaging （几何特征）
Foreshortening（透视收缩）
Radar shadow（雷达阴影）
Layover（叠影）
Diagram of Foreshortening（透视收缩）
Better discrimination of scene targets 目标识别 Easier (automatic) image registration 影像匹配 Easier (automatic) image segmentation 图像分割 …
Speckle suppression（斑点抑制）
i
高目标的背面容易 出现阴影
Shadowing
局部入射角增大时， 阴影变严重
Example of radar shadow effects under large incidence angle (>45°) illumination. (Copyright, CCRS)
Diagram of Layover （叠影）
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）
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
i
叠影是透视收缩的极端 情况
layover
名义入射角小时，叠影 更显著
Exercise: 区分几何形变?
Understanding geometric distortions from local incident angle 理解几何形变
合成孔径雷达图像特征
光学与ight, 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）
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:
地形特征压缩.
斜坡面与雷达入射方向 正交（局部入射角为0） 时，透视收缩最严重
i
局部入射角增大时，透 视收缩减弱；当到90度
时，透视收缩消失，但
阴影出现
displacement foreshortening
Diagram of Shadow （阴影）
雷达波没有照射到 的地方
没有回波，暗色调
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）
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）
loc i
Local incident angle（局部
i
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）
Radiometric Characteristics of SAR Image （辐射特征）
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）
强
弱强
弱弱
强
叠影 00
透视收缩 900
阴影
局部入射角
(Courtesy: CCRS)
ERS-2 image, incidence angles between 24°to 26°
RADARSAT image, incidence angle between 41° and 44°
(Acknowledgement: H. Rott, University of Innsbruck.)