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干货 | 不讲公式,通俗理解SAR

2019-11-08
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合成孔径雷达(SAR)作为一种新兴的遥感观测技术,其主要优势在于各种天气条件下,穿过云层和烟雾,甚至是夜晚都可以生成高分辨的图像。无论是Sentinel-1,还是RadarSat和TerraSAR上,都可以看到这项技术的影子。

Sentinel-1是欧洲航天局哥白尼计划中的地球观测卫星,由两颗组成,载有C波段合成孔径雷达。

RadarSat由加拿大航天局研制,1996年正式开始工作的商业对地观测卫星,工作在C波段(5.3GHz),HH极化方式,7种波束模式,25种成像方式。

TerraSAR,德国宇航中心与EADSAstrium及Infoterra公司共同开发的军民两用雷达侦查卫星。工作在X波段(9.65GHz),具备多极化、多入射角特性。

这篇文章中,将不会涉及任何公式,希望通过简单的实例应用可以让读者读SAR成像有更好的理解。


Basic - 具备蝙蝠一般能力的SAR

当蝙蝠在洞穴中飞行的时候,一般会产生50-120dB的声波,利用回波蝙蝠就可以确定出距离位置。同样的原理也适用于SAR,卫星向地球发出微波脉冲,卫星会根据回波进行成像。



通常,合成孔径雷达是侧视观测的,也就是说观测的时候它并不是完全的正向下,而是存在着一定的角度,至于这样做的好处后面会提到。


对于可以穿过云层和烟雾的合成孔径雷达而言,较长的波长可以更好的穿透云层抵达地表,例如,L波段(~24cm)雷达比C波段(~6cm)和X波段(~3cm)的波长更长。


Basic - 合成孔径雷达散射的类型

雷达侧视使得其可以作用于不同的地形,这里对合成孔径雷达三种主要的散射类型进行介绍,表面散射,漫散射和双回波散射。



表面散射一般来自于道路或者水面,这种类型的散射,雷达发射出去的脉冲只有很少的一部分能量被返回,后面例子中关于这种散射一般都是黑色像素,其值也大都小于-20dB。



粗糙表面引起的漫散射,如农田耕地和植被等,这种散射的值一般都小于-20dB,且大多都为灰色像素。



一些常见的建筑物和其他人造物体会发生双回波散射,这种类型的散射一般为-10dB的白色像素。


SAR成像图解

到这里,我们已经对合成孔径雷达有了一定的了解,下面的这幅来自RadarSat-2的SAR成像图中包含了我们前面讲到的几种不同的散射类型。



这幅例图中,红色箭头所指的这条东西流向的河流即为表面散射,其具备的能量较低,为暗黑色。橘黄色箭头所指的亮白色部分则为双回波散射,这种散射可以体现出一些主要城市特征,虽然在这幅图中还不能确定这个物体是什么,但是其经过双回波散射后的能量值大于-10dB。而黑色箭头所指的大部分区域都是粗糙的漫散射,这些区域可能是农田,植被或者草地等。


合成孔径雷达的应用实例

那么该如何将这些SAR的概念应用于实际生活中呢?除了在遥感应用外,SAR在环境,安全和军事方面也有很多应用。


在一些搜索与营救任务中,天气条件往往比较恶劣,特别是在森林火灾发生的情况下,烟雾会阻碍环境的可见度。而SAR则不会受到这些因素的影响,救援人员可以利用他寻找地面上的求救人员,具体点,就是寻找地面上的双回波散射,在一些泛洪的地方,可以对表面散射这样类型的散射进行观测。


另外,近些年来合成孔径雷达干涉测量(InSAR)发展也十分迅速,研究人员们利用InSAR进行基于相位差异的地表形变监测等。



如图中所示的,SAR是基于后向散射的地面特性的体现,这也就是为什么海洋中的油体泄漏的时候会使用SAR去监测海面,另外,可以利用SAR成像结果中的双回波散射区域搜寻一只失联在北极的船只。


除此之外,微波雷达对于介电常数的特性十分敏感,科学家们利用这一特点使用合成孔径雷达去研究土壤湿度。在农业上,农民可以利用这一技术来了解土壤中几厘米厚土壤的湿度。研究人员们也可以利用Touzi分解技术去绘制湿地地图。


在技术上更深入一点

极化是指SAR天线电磁波振动的矢量方向,也就是发出雷达波的方向,其中电场决定了波的极化方向。合成孔径雷达的天线可以发射水平极化(H)或者垂直极化(V)。



当电磁波从目标出散射时,电磁波的极化状态会发生变化,当传感器接收到回波时,它测量到的是目标极化变化的程度。它可以是H极化,也可以是V极化,或者同时是H极化和V极化。


对于单极化,下面列出了典型的发射和接收极化状态。

  • HH - 水平发射,水平接收

  • VV - 垂直发射,垂直接收

  • HV - 水平发射,垂直接收

  • VH - 垂直发射,水平接收


我们可以利用类似Freeman-Durden这样的分解技术获得SAR成像中的表面散射、双回波散射和体散射等构成。


最后

如果没有雷达方面的相关经验,这些成像图片看起来可能就是一堆并不漂亮的像素点。而且一般的雷达成像是存在噪声的,需要一定的平滑处理。但是通过一些分解方法和一点SAR概念的理解,SAR成像就成了一个极具价值的工具。


别忘了,还有一些开源遥感软件,比如Sentinel-1 toolbox等,可以帮助你分析和可视化SAR成像。


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