sar分辨率公式_SAR影像和质量指标

(来源：中国测绘学会)

原标题：SAR影像和质量指标

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本文内容摘自《中国测绘》2020年第8期

合成孔径雷达（SAR）技术的应用规模和领域也在持续扩大。其应用范围涵盖环境监测、应急指挥、灾害救援、基础设施评估、城市规划以及粮食安全等多个方面。随着对SAR图像的需求日益增长，参与该技术的用户群体正在发生转变。目前主要由地理信息系统（GIS）专业人员、软件开发者以及计算机视觉与机器学习专家负责处理相关数据；而这一领域正逐步扩展至更多非专业背景的人士进行影像解读工作。

在本文中, 我们阐述了一些关键特征, 旨在简明扼要地作为入门参考材料。
我们重点阐述了具有独特优势的空间分辨率特性。
同时讲述了与雷达设计及图像形成过程相关的噪声级、辐射分辨率等概念。
从本文中, 我们将了解到: 在评估SAR图像质量时, 并非仅需关注单一的分辨率参数, 而应当综合考量一系列不同的参数, 以便为不同应用场景选择最合适的遥感数据

SAR采集几何

与光学成像系统相比，合成孔径雷达系统主要从场景的一侧获取图像(图1)。SAR图像是由相干雷达收集的数据形成的，在这种系统中，雷达向地面发射射频能量脉冲并测量反射信号的强度；通过测量雷达与目标物之间往返脉冲的时间差来确定距离信息。此外，在这种设计下，在载波频率上对平台施加行进速度相同的天线阵列，并沿轨道移动以实现对地面区域的二维扫描操作：在测距维度上，则是根据物体与雷达之间的距离来确定目标物的具体位置；而在横向维度上，则是根据目标物在轨道上的位置来确定其方位角信息。基于这两种分辨率数据所构建而成的就是最终得到的SAR图像

图1：(a)SAR捕获几何形状，(b)从倾斜面到地平面的映射

空间分辨率：距离和方位角分辨率

如前所述, 其主要包含两个关键维度, 其中一个代表的是距离维, 另一个是方位角维. 其空间分辨能力主要由雷达信号的不同特征所决定. 因此, 在距离维上的分辨能力往往与方位角维上的分辨能力存在差异.

该系统的空间分辨率取决于脉冲响应（PR）的具体表现。可被视为一个二维实体的IPR参数主要由距离维度上的宽度以及方位角维度上的宽度共同决定。通常定义为在距离特定点3dB以下区域内的总宽度。对于更高的距离分辨能力而言，在保持相同条件下需要较大的传输带宽投入。而对于更优的方位角分辨效果，则需更大的多普勒频带宽度配合应用。此外，在图像形成过程中使用的窗口大小选择以及硬件限制或平台未校正运动所带来的信号失真都会对最终的IPR结果产生显著影响

除非另有指定, IPR以及固有的SAR传感器分辨率在倾斜范围平面内被确定. 当将SAR图像平移至地面时, 从倾斜距离到地面距离的映射会导致IPR变宽(图1b). 因此, 在地面上定义的距离分辨率相较于倾斜平面中的要差. 在由倾斜平面至地平面的过程中, 横向方向上的分辨率保持不变.

地基空间分辨率（即地基空间方向上的分辨率），其值主要由所使用的载波 bandwidth以及成像仰角决定；通过增大载波 bandwidth能够提高地基空间分辨率。以30°视角为例，在倾斜面上使用 3×1 GHz 的载波 bandwidth可以获得约 1 英尺（约为 3 分米）的垂直方向分辨能力；而在水平面上则可达到约 1 英尺 2 英寸（约为 4 分米）。当载波 bandwidth提升至 5×1 GHz时，在同样视角下垂直方向分辨力将提升至约 6 寸（约为 15 厘米），水平面则达到约 7 寸（约为 18 厘米），相比前者提升约46%

如前所述, 位置角分辨率主要取决于多普勒带宽. 通过采用相控阵天线调节其波束方向, 可以显著延长多普勒带宽. 大多数现有的SAR卫星采用相控阵天线来调节其波束方向, 其设计原理基于多频段扫描技术. 能达到的方位角分辨率大约在几十厘米范围内

该卫星系统配备有500MHz频段的发射机带宽，在倾斜面布置能实现约0.3米的空间分辨率。这些卫星被精心设计成持续数秒指向地面特定点的方式，并能达到厘米级的空间方位角分辨率。这种高空间分辨率不仅有助于减少图像中的斑点（后续文中将详细说明），还能生成高质量的角度多样SAR图像。图2展示的是高空间分辨率下的多角度Cappella影像实例。

如图2所示，在左侧展示了加利福尼亚农场的光学图像，在中间展示了Sentinel-1卫星图像，在右侧展示了Capella卫星图像。其中Sentinel-1卫星图像的地面对应分辨率为20米，并经处理得到其地面对应分辨率及方位角分辨率为0.5米

噪声级和图像质量

在特定像素分辨率水平上，在接收设备输出功率与像素级强度超越系统电子设备产生的热噪声后，在SAR图像中可识别出目标物体。SAR成像技术中最常用的技术指标是NESZ值（Normalized Equivalent Scattering Number），该指标能够评估系统噪声对图像质量的影响，并且便于对其性能进行分析和预测。此外，在实际应用中还可以根据经验对SAR图像中的"暗"目标区域进行定量评估。

将SAR数据经过处理以获得地面距离分辨率和方位角分辨率均为 0.5 米的结果。在这些情况下（即上述两种分辨率下），能够清晰探测到明亮的散射体（如建筑物等）。两者的性能差异主要体现在 NESZ 值上（分别为 –10 dB 和 –20 dB）。在 NESZ 值为 –20 dB 的图像中（即较高对比度水平下的图像），物体和道路等目标表现得更加清晰，并且物体阴影部分特别突出。这表明，在检测具有低反向散射强度的目标时（即目标对雷达信号响应较弱的情况），选用 NESZ 值较低的情况更为合适

随着传输带宽（即距离分辨率）的不同而有所变化。使用300MHz（对应于约半米的空间距离分辨力）时所生成的最佳SAR图像，在噪声指标上优于使用150MHz（对应于约一米的空间距离分辨力）所得到的结果。在提升成像清晰度的同时（即通过较宽频段），可能会导致成像质量出现降级现象。

斑点噪声源于分布在分辨率单元中的许多小反射体所反射的雷达信号。这些小反射体包括树枝、树叶、田野里的草、岩石以及建筑物墙上的砖块等自然与人造物体。所有这些小反射体所贡献的总和会导致相邻分辨率单元内测量到信号强度的变化。这种空间分布特性被称为斑点噪声，并会限制SAR传感器的空间分辨能力。

类似于传统模拟电视上常见的扫帚型噪声（snow noise），斑点型噪声会对目标边缘产生显著影响）。这使得在Synthetic Aperture Radar（SAR）图像中特征识别变得异常困难）。辐射分辨力是指衡量传感器识别具有相近雷达截面积的目标能力的一种指标）。这种分辨性能主要取决于接收信号质量以及构成像元采样单元数量）。为了抵消斑点型噪声并提升辐射分辨力）必须通过对多个SAR图像取均值或者对单幅SAR图像中各像元进行均值处理）。这种处理方法常被简称为“多视图融合”。

单SAR图像中的多视图通常都是通过计算相邻像素值来实现的。有时候这种计算过程会借助复杂的技术手段来完成这一操作但相较于原始图像其空间分辨率仍然较低例如我们可以生成4个不同角度上的1米（斜距）×1米（方位角）分辨率图像其中每个视点的空间分辨率为1米而在方位角方向上的分辨率为0.25米通过取4个相邻区域的0.25米分辨率单元进行平均最终能够在方位角方向上生成一个1米的空间分辨率单元

图3展示了三种类型的图像排列：左侧列为低分辨率多视图像、中间列为高分辨率单视图像、右侧列为高分辨率多视图像。这些图像突显了分辨能力和斑点噪声对影像解译的重要性

结论

在SAR系统中定义了几项关键参数来衡量系统性能。其中一项是分辨率。亚米级分辨率是必须具备的核心配置参数之一。正如本文所述，在讨论SAR技术时提到的影像解译不仅涉及空间分辨率还包括NEsz值以及斑点噪声等其他因素的影响。具有低NEsz值的图像是值得考虑的选择因为这些图像能够清晰显示那些被散射雷达信号弱的对象尽管高分辨率与低NEsz并非影响SAR图像解释与检测过程唯一的决定性因素但它们仍是影响图像质量的重要因素之一斑点噪声会降低目标之间的对比度使得图像细节难以辨识因此影响了图像的整体可解释性这些性能参数包括分辨率NEsz以及多视点共同作用于SAR图像的质量而这些参数的重要性不容忽视但它们常常被传统讨论所忽视无论是新手还是资深的技术人员在选择SAR图像时都应充分考虑这些因素以确保选择到最适合的应用场景

译者：台风，选自GEOSPATIAL WORLD

出处：https://www.geospatialworld.net，原文出自Capella Space，有删减。

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