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1、四川测绘第27卷第3期2004年9月141InSAR系列讲座2SAR成像原理与图像特征刘国祥(西南交通大学测量工程系,四川成都,610031)[摘要]作为InSAR系列讲座的第二篇,本文介绍InSAR的传感器———合成孔径雷达(SAR)的成像基本原理与其所获取的SAR图像特征。[关键词]SAR成像传感器;原理;SAR图像;图像特征[中图分类号]P237[文献标识码]A[文章编号]1001-8379(2004)03-0141-03PrinciplesofImagingSARandCharacteristicsofSARImageLIUGuo-xi
2、ang(Dept.ofSurveyingEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Asthesecondpartofthetutorial,thepaperwillintroducethebasicprinciplesofimagingsensorofsyntheticaper-tureradar(SAR)andthecharacteristicsofSARimage.Keywords:imagingSARsensor;principles;SARi
3、mage;imagecharacteristics1引言不同雷达斜距R对应于不同的像素。这样,在雷达上一个讲座总体介绍了InSAR的发展历史、技平台飞行的过程中,一定幅宽(swath)的地表被连术背景、系统构成与应用情况等。要完整理解In-续成像,幅宽WG可如下近似确定:SAR的基本原理,我们要首先了解合成孔径雷达λRmWG≈(3)(SAR)成像传感器的基本原理与SAR图像的基本特wcosη这里,Rm为雷达中心到椭圆锥状辐照带中心的征,这正是本讲座的主题。斜距,η为该中心点的雷达入射角。我们已知道,InSAR主要是利用覆盖同一地区的多幅SAR影
4、像来提取有用信息,更确切地说,是从它们所产生的干涉相位图来提取地形或形变信息。因而,了解SAR影像的获取原理是理解干涉实质的前提。本文将首先介绍真实孔径侧视(Sidelooking)雷达成像的基理,然后介绍合成孔径侧视雷达成像的基理,最后介绍SAR图像的基本特征。2真实孔径侧视雷达成像图1显示了对地观测成像雷达的几何配置。搭载雷达的平台可以是飞机、卫星或航天飞机。雷达以一定的侧视角θ0发射一个椭圆锥状的微波脉冲束,这个椭圆锥的轴垂直于平台飞行方向,与轨道垂直的面内的椭圆锥顶角即波束高度角ωV与雷达天线宽度w有关,即:图1雷达成像几何λωV=(1
5、)w这里,λ为雷达所采用的微波波长;而沿轨的椭圆锥顶角ωh与雷达天线长度L有关,即:λωh=(2)L这个椭圆锥状的微波脉冲束在地表形成一个辐照带(footprint),这个辐照带可看作由许多小的空间面元所组成,每一个面元将雷达脉冲后向散射(backscattering)回去,由雷达接收并记录下来。实图2雷达斜距投影际上,如图2所示,对于影像平面内某一行像素,142四川测绘第27卷第3期2004年9月可区分两个相邻目标的最小距离称为雷达影像3合成孔径侧视雷达成像的空间分辨率。显然,这个距离越小,分辨率越当雷达沿轨道飞行时,被成像的地面目标与雷高,
6、如图3所示,沿雷达飞行即方位向(azimuth)达间存在相对运动,因而被地面反射回来的雷达脉和雷达斜距向(slantrange)的分辨率分别为ΔX和冲频率产生漂移,这就是美国人CarlWiley发现的ΔR,将斜距分辨率ΔY投影到水平地面时,则变为多普勒频移(Dopplerfrequencyshift)现象。合成孔斜距向地面分辨率ΔY。结合式(2),方位向分辨径雷达正是利用这一物理现象来改善雷达成像的方率可按下面公式确定:位向分辨率的。图4显示了合成孔径侧视雷达成像RλΔX=Rωh=(4)L的几何。设一个具有长度为L的真实孔径雷达天线这里,R为雷
7、达斜距。实际上,ΔX就是雷达辐从点a移动到点b再到c,则被成像点O的雷达斜照带的沿轨宽度。斜距分辨率和斜距向地面分辨率距会由大变小再变大,这样雷达接收从地面点O反分别为:射回来的脉冲频率会产生变化,即频率漂移由大变cτpΔR=(5)小。通过精确测定这些接收脉冲的雷达相位延迟并2ΔRcτp跟踪频率漂移,最后可相应地合成一个脉冲,使方ΔY==(6)cos(90°-θi)2cos(90°-θi)位向的目标被锐化(sharpening),即提高方位向分这里,c为光速,τp为脉冲宽度,θi为侧视角辨率(如图4所示)。相对于真实孔径雷达方位向θi。实际上,
8、随着侧视角θi在一定范围内的变化,分辨率来说,合成孔径雷达的方位向分辨率被大大因为ΔR为定值,则ΔY也在一定的范围内变化,地改善,此时的ΔX可近似表达
