SAR图像的特征.ppt

微波图像的特点,1 侧视雷达图像的参数2 侧视雷达图像的几何特点3 侧视雷达图像的信息特点4 典型地物的散射特性,第一节 侧视雷达参数,工作参数：波长、极化方式、俯角（入射角）、照射带宽、显示方式（地距、斜距）飞行参数：高度，星下点，姿态，倾角，成像时间，轨道，帧，景图像参数：分辨率(平均分辨率，体分辨率),1，工作参数,平台的地面轨迹是星下点NADIR(B)雷达能量照射的区域是幅宽SWATH（C）横跨轨迹向的尺度是距离（D）沿轨迹的尺度是方位AZIMUTH（E）,雷达测距原理,发射一雷达脉冲与接收它从地面上每一点返回的信号间的时间间隔是从天线到这些点的距离的直接度量.地面距离是由雷达的星下点到地面点的水平地面距离决定的.,Incidence Angle入射角,2，工作参数,3，分辨率(平均面分辨率，体分辨率),距离分辨率是俯角的函数，它实际上是变化的，因此常用平均面分辨率来描述图像的分辨率。它是照射带近端至远端所有分辨单元面积之平均。灰度分辨率为可以分辨出两个地物目标的最小灰度对比度。体分辨率即空间分辨率与灰度分辨率之积。,面分辨率=距离分辨率X方位分辨率,微波图像的特点,2 侧视雷达图像的几何特点,第二节 侧视雷达图像的几何特征,2.1 斜距显示的距离压缩2.2 侧视雷达阴影2.3 侧视雷达透视收缩2.4 侧视雷达叠掩,2.1 斜距显示的距离压缩Range compression,雷达成像在方位向和距离向分辨率是不统一的。方位分辨率当载波波长、天线孔径和轨道高度一定时，方位分辨率是一个常数。距离分辨率脉冲宽度、波速一定时，距离分辨率与雷达俯角或当地入射角有关。,距离压缩原理示意图,距离压缩现象雷达影像,雷达图像距离压缩规律1，距离压缩是斜距成像的雷达影像在距离向呈图像压缩的几何失真现象。；2，由于距离向目标当地入射角处处不相等，所以在距离向目标分辨率处处不同；3，靠近星下点的目标成像压缩现象严重，远离星下点的目标压缩现象较轻微；4，如果对山地成像，即便地距显示也不能保证图像无几何形变。换言之，山地必有几何形变。,2.2 侧视雷达阴影Radar shadow,侧视雷达成像在距离向会产生雷达阴影。起伏地形的后坡雷达波束不能到达，没有回波信号，在图像相应位置出现暗区。有三种情况：1，地形后坡坡度小于雷达俯角：不会产生阴影2，地形后坡坡度等于雷达俯角：视后坡粗糙度如何3，地形后坡坡度大于雷达俯角：产生阴影,雷达阴影产生原理示意图,1,2,3,侧视雷达阴影产生的规律1，雷达阴影是起伏地形的雷达影像在后坡出现暗区的图像缺失现象。2，雷达阴影的产生与坡度及雷达俯角有关；3，判断雷达阴影还要考虑山脊走向与卫星航向的关系，考虑真倾向与伪倾向的关系；4，阴影区不含信息，但却是一种很好的观测方向和地形信息的指示器。,2.3侧视雷达雷达透视收缩Radar foreshortening,透视收缩也称“前缩”，起伏地形的雷达影像山坡长度的按比例计算后总比实际长度要短。主要是面向雷达波束的斜面投影到斜距平面时斜面的压缩，归根结底还是距离压缩现象。,透视收缩原理图,雷达影像的透视收缩现象,侧视雷达透视收缩规律1，透视收缩是面向雷达波束的斜面投影到斜距平面时距离压缩增强现象，归根结底还是距离压缩。2，图像上前坡总是比后坡距离压缩明显，透视收缩表明较大的回波面积集中体现在较小的图像区域，在强度图像上，前坡比后坡明亮。3，当入射角为零时，山顶、山腰、山底的回波集中到一点，出现最大透视收缩。4，图像的透视收缩比率(为当地入射角)：,2.4 侧视雷达叠掩Radar layover,侧视雷达为距离成像，最早返回的信号记录在近距端，后返回的记录在远距端。在起伏地形成像，当坡度与雷达俯角之和大于90度时（即当地入射角为负时），山顶部分的回波比来自山脚部分的回波更早被雷达接收记录，从而使山顶影像“叠置”在山脚影像之前。,侧视雷达叠掩规律1，雷达叠掩也称顶底位移，是山顶部分的回波比山脚部分的回波更早被雷达接收记录，从而使山顶影像“叠置”在山底之前的图像失真现象。2，叠掩现象与局部入射角密切相关：0时，叠掩0 90 时，透视收缩90 时，阴影3，叠掩现象与雷达俯角也有关系，俯角越大，产生叠掩的可能性越大，因此叠掩多是近距离现象。,微波图像的特点,3 侧视雷达图像的信息特点,雷达图像的特殊效应,3.1 地物目标对雷达波束的几种不同反应3.2 地物目标的几种类型3.3 影响雷达图像的因素粗糙度介电常数波长入射角极化体散射角反射器效应虚警现象3.4 雷达图像中的其它异常现象,3.1 地物目标对雷达波束的几种不同反应,3.2 地物目标的几种类型分布型目标、点目标、硬目标1，分布型目标又称面目标。同一类物质组成、具有足够表面粗糙度的目标区域。回波中没有主导地物，形成“斑点”效应。有的地物如水面、雪地，尽管面积很大，但表面光滑，只会形成镜面反射，几乎无后向散射回波，不会形成斑点效应。,2，点目标是指比分辨单元小得多的地物目标，也就是在一个像素所对应的地块内比较小的独立地物目标。它与地块内其周围地物不是一个类型，因此它的散射回波与周围地物的不一样，有时它的回波信号相当强，在整个地块的回波信号中占据了主导地位。,背景地物的回波可表示为=0A，其中A为分辨单元面积，0是背景地物的平均后向散射系数，这里将点目标的大小视为可忽略不计。如果点目标的散射雷达截面积为P，则有点目标的回波与背景回波之比S=P/0A因此要从图像中检测出点目标，必须有足够大的S。,一般说来，空间分辨率高的雷达图 像是比较容易检测出点目标的，下图是用以像素尺寸的110作为密度分割单元，对雷达图像的密度分布进行观测，测出点目标的密度分布情况。这里的密度是指点目标信息的输出电压，可以看出，密度分布曲线都形如sinc函数:sinc(x)sin(x)(x)。,3，硬目标是那种既不占有相当面积，又不限制在分辨单元之内的地物，其回波信号在图像上往往表现为一系列亮点或一定形状的亮线，大多数人工目标如桥梁、输电线、房屋等都属于这一类目标。它们的回波信号很强，其原因主要是：有与雷达波束相垂直的平面；有角反射效应；有相应于入射波频率的谐振效应；有合适指向的线导体。,地物只要其某一表平面垂直于雷达波束时，就可能产生反射，这时反射方向正好指向雷达天线。角反射效应，指的是全反射效应，这种效应常常会造成很强的回波信号，这时尽管雷达波束并不与地物表面垂直。谐振效应的目标常常是金属，或高介电常数的材料所组成的地物，入射波的极化方向不一定与目标的长度方向平行，但只要有一个电场分量与它平行，就会产生谐振效应，形成强的回波，在图像中形成一系列亮点；例如人们曾在Ka波段雷达图像中观察到机场停机坪内一系列亮点，但停机坪内当时并无飞机，后来发现是停机坪内的小型泄洪道的谐振效应。线导体在没有形成谐振效应的条件时，也会产生很强回波，特别在雷达波束垂直于导线，回波信号最强。,3.3.3 影响雷达图像色调的因素,雷达图像多是单波段图像，因此图像灰度及灰度空间变化是雷达图像信息的主要依据。雷达图像的灰度，是地物目标后向散射回波强度的表现形式，而地物后向散射通常以雷达后向散射截面积或后向散射系数0来表达。,1表面粗糙度的影响 这里的表面粗糙度指的是小尺度的粗糙度，即尺度比分辨单元的尺寸要小得多的地物表面粗糙度，它是由细小的物质如叶面，砂石等所决定的粗糙度。这是决定回波振幅的主要因素，其定量表示是地物表面起伏高差的均方根值h，一般这种粗糙度分为三种情况，即光滑表面、稍粗糙表面和十分粗糙的表面。,完全光滑的表面产生镜面反射，几乎所有的反射的能量都集中在以反射线为中心的很小的立体角范围内。暗色调。中等粗糙表面各个方向均有反射能量，漫反射或散射，回波较弱。灰色调。非常粗糙表面近各向同性散射，回波比较强。亮色调。,从以上准则可见，粗糙度不仅取决于h(高差的均方根值)，它还与波长和俯角(或入射角)有关。同一地表面，在波长较长时显得光滑，在波长较短时就被认为粗糙。波长通过相应的有效表面粗糙度(理解：相对表面粗糙度)影响雷达回波的道理即在于此。另一方面，当俯角很小，即波束接近掠射(入射角近90)时，地物表面常常被认为是光滑的。实际的地物目标，如静止水面、机场跑道、平铺的道路、平屋顶等都可认为是光滑表面，一般几乎没有雷达回波，除非雷达波束入射角很小，接近垂直投射，才可能有回波信号。草地、森林、裸地等一般属于粗糙面，其中森林是典型的各向同性散射体。,2复介电常数组成地物目标的物质性质对雷达回波的影响是很大的，这一性质主要表现为复介电常数，一般说来，复介电常数越高，反射雷达波束的作用越强，穿透作用越小。复介电常数由表示介电常数的实部和表示损耗因子的虚部组成。所谓损耗因子是指电磁波在传输过程中的损耗或衰减，它与物质的传导率有关。,复介电常数相对于单位体积的液态水含量呈线性变化。水分含量低时，雷达波束穿透力大，反射小，当地物含水量很大时，穿透力就大大减小，反射能量最大。在整个微波波段内，水的复介电常数量值变化范围为20-80，而大多数天然物质(植被，土壤，岩石，雪)的介电常数变化范围只有3-8，可见水的介电常数之高。,因此，在雷达图像解疑中，含水量是复介电常数的代名词。对植被、土壤含水量分析有重要意义。,3，波长波长通过两个方面影响回波信号：波长不同，有效粗糙度不同-影响回波能量波长不同，复介电常数不同-影响目标反射能力和电磁波穿透力当波长为1cm时，大多数表面是粗糙面，当波长为1m时，很少表面是粗糙面。当波长为1cm时，穿透力很弱，当波长为1m时，对湿土穿透力为0.3m,而对干燥土壤穿透力为1m。,含水量和波长对穿透能力的影响,ERS-1s smaller look angle of 23 degrees compared to JERS-1s look angle of 36 degrees.,These images help explain why JERS-1 data is often preferred for use in land analysis applications.The longer wavelength transmitted by JERS-1(23.5 cm)passes through much of the smaller vegetation which scatters ERS-1 signals(5.66 cm wavelength).Note how the JERS-1 image distinctly outlines the various geological features.The incident radar reflects off the calm water,resulting in little return or a black region in the image.The rocky areas around the braiding Yukon River respond brightly to the JERS-1 radiation,distinguishing them from the marshy grounds where a significant amount of the signal again reflects away from the spacecraft.The surrounding hills and their drainages are again well distinguished in the JERS-1 image.,4，入射角入射角的变化可改变分辨单元的面积A。入射角变化影响平均散射系数0（）瑞利准则：入射角减小，目标表面粗糙度增加。进而增加目标散射能量的分布范围。(极端情况：掠射)。,对光滑表面，入射角变化可造成25dB以上的回波强度变化。,对于粗糙表面，随粗糙度不同而不同。,一般地，0()曲线可按入射角分为三个部分：近垂直入射区、平直区和近切向入射区。一般陆地入射角都在平直区。山地会出现另外两种现象。(前坡亮后坡暗)海洋测量有时会采用垂直入射eg:油污检验中，平静海面认为是光滑表面，垂直入射保证足够得信噪比，进而提取油污。,5，极化方式雷达成像系统一般发射水平极化波，当与地表相互作用时，形成水平和垂直两个分量，可用不同的极化天线去接收，形成HH和HV图像。同样有VV和VH图像。粗糙表面同极化HH和VV没什么区别。光滑表面HH比VV回波信号可以低15dB。,对于交叉极化，回波要比同极化低8-25dB。产生交叉极化的过程称为去极化。去极化原因：平滑表面的镜面反射；粗糙表面引起的多次反射；地表趋肤深度层内非均匀物体引起的散射（体散射和多路径）；地物目标本身的各向异性产生的散射。,a:植被散射；b:土壤表面散射；c:体散射；d:多路径。,6，亚表面粗糙度和体散射亚表面粗糙度是当雷达波束穿透地物时，第二层介质的粗糙度。eg：覆盖在屋顶的雪，能从回波看到两者的信息。体散射是当雷达波束穿透地物时，由于地物内部物质的不均匀性，和连续的空间位置分布，引起体内散射的各向同性。,CR-corner reflector,7，角反射器效应当地物目标具有两个互相垂直的光滑表面或有三个相互垂直的光滑表面时，就形成角反射器。房屋墙面与地面形成两面角角反射器；建筑物的凹部与地表面形成三面角角反射器。,人造角反射器,Paris,Palm,8,虚假现象,Paris,3.4 典型地物的散射特性,农作物和草地森林土壤岩石海风冰雪,内容小结,1.侧视雷达的图像参数：工作参数（波长、极化、入射角、显示方式）和图像质量参数（分辨率：平均面）2.测试雷达图像的几何特点：距离压缩，透视收缩，叠掩，阴影3.雷达图像的信息特点（1）地面目标的反应：反射，散射，透射，吸收(2)目标分类：点目标、分布目标、硬目标（3）影像色调的因素：1）表面粗糙度2）复介电常数3）波长4）极化方式5）入射角6）亚表面粗糙度和体散射7）角反射效应8）虚假现象4.6种典型地物的散射特性,Question,1.为什么要提体分辨率？2.近距离压缩和透视收缩的联系与区别是什么？3.为什么说地物表面的粗糙度是相对的？4.为什么在雷达图像解译中，含水量可以作为复介电常数的代名词？5.点目标和硬目标有什么相同和不同之处？6.土壤含水量雷达探测的依据是什么？,谢谢大家，欢迎批评指正,