微波遥感（三、SAR图像特征）

SAR是主动式侧视雷达系统，且成像几何属于斜距投影类型。因此SAR图像与光学图像在成像机理、几何特征、辐射特征等方面都有较大的区别。在进行SAR图像处理和应用前，需要了解SAR图像的基本特征。本文主要包括：  

1.成像散射特征SAR图像上的信息是地物目标对雷达波束的反映，主要是地物目标的后向散射形成的图像信息。反映SAR图像信息的灰度值主要受后向散射的影响，而影响后向散射的主要因素分为两大类：  

1.1 散射类型散射主要可分为5种：（1）表面和体散射这是SAR图像主要的散射。粗糙的表面能得到更高的后向散射，平整表面在雷达图像上经常表现暗区域。

图：表面和体散射示意图

 图：水面上的溢油发生镜面反射，在图像上表现暗区域（2）双回波(Double Bounce)如下图所示，当地物垂直地面时候，容易发生双回波散射。

 图：双回波散射示意图（3）组合散射一般发生在长波SAR系统（如L、P波段），包括表面、体散射、双回波等。

图：森林的组合散射（上-林冠层，中-树干层，下-地面层）

 图：SAR图像上的各种散射（4）穿透散射根据极化方式和波长情况，微波可以透入植被、裸土（干雪或沙地），一般情况，波长越长，穿透能力越强。交叉极化(VH/HV)相比同极化（HH/VV）的渗透能力弱。

图：不同波长的穿透散射

 图：雷达波束穿透土壤，可以清晰的看到沙漠下的信息（5）介电属性散射地物目标的介电属性也影响雷达的后向散射。基于这种现象，SAR系统也可用于检索土壤水分。如金属和水的介电常数很好（80），而大多数其他材料的介电常数相对较低；在干燥条件下，介电常数一般是3~8。这意味着，湿润的土壤或植物表面可以产生雷达信号的反射率显着增加，在图上反映更亮些。土壤含水量监测主要原理是基于干土和湿土的介电属性之间的反差。由于土壤浸湿，饱和25~30时，其介电常数变化约2.5。这相当于增加反射能量。因此，从后向散射系数中检测土壤水分是可行的，为了区分土壤粗糙度和湿度之间的影响，常使用特定极化和双频率（C，L波段）的SAR传感器。1.2 雷达系统参数的影响雷达系统的工作参数中的极化方式对雷达波束响应的影响比较大。一般情况，自然地物对HH极化产生较强的回波信号，因此，地形测绘和资源调查一般选择HH极化SAR图像；地表比较粗糙（如树木、农作物等）区域，回波信号与入射角无关，HH和VV极化方式区别不大；对于光滑的地面（水体等），HH极化比VV极化回波强度低；对于建筑物，HH极化的回波强度通常大于VV极化方式；一般情况，交叉极化（HV和VH）的回波强度比同极化（HH和VV）低很多。波长和入射角在上述5种散射类型中有所体现。如波长可以衡量地表粗糙度，以及影响复介电常数的不同。入射角在光滑表面有一些体现，如海洋雷达图像中，尽量选择入射角小的图像，这样能得到回波信号较强的图像。因此，地物目标对雷达波束的后向散射作用是很复杂的， SAR图像散射特征可以简单归纳为以下几点：  

2.SAR几何特征SAR是主动式侧视雷达系统，且成像几何属于斜距投影类型。它与中心投影的光学影像有很大的区别。2.1 SAR成像几何由于合成孔径雷达图像数据在距离向和方位向方面具有完全不同的几何特征，可以考虑将其成像几何特征分离开来理解。根据成像几何特征的定义，在距离向的变形比较大，主要是由地形变化造成的，在方位向的变形则更小但更为复杂。如下图所示，雷达观测分为两个方向：

图：SAR观测几何示意图  

像平面内垂直于飞行方向，也就是侧视方向上。这个方向上的SAR图像分辨率称为距离分辨率。SAR的距离向分辨率是依靠距离远近（对应传播时间的长短、接收时间的先后）实现的。距离向的比例尺由地面目标的位置由该目标到雷达天线的距离决定。在距离向上，离SAR越近，变形就越大，这跟光学遥感图像刚好相反。距离向分为两种投影：  

如下图所示，是斜距和地距一个简单的关系示意图。

图：斜距和地距示意图如下图，相同距离的地物，地距相等，但是由于入射角不同，所以斜距不同，导致雷达斜距图像上的近距离压缩，就是图像失真，消除失真的方式就是采用地距的显示方式。

 图：左-斜距图像，右-地距图像  

平行于飞行方向，也就是沿航线方向上，这个方向上的分辨率称为方位向分辨率，也称沿迹分辨率。方位向分辨率是依靠多普勒频率实现的。方位向的比例尺是个常量。2.2透视收缩、叠掩、阴影雷达成像中，地物目标的位置在方位向是按飞行平台的时序记录成像的，在距离向上是按照地物目标反射信息的先后记录成像的，在高程上即使微小变化都可造成相当大范围的扭曲，这些诱导因子包括透视收缩、叠掩、阴影。一、透视收缩雷达距山底的距离小于距山顶的距离，所以雷达波束先到山的底部，再到山的顶部，成像也是。假设山坡的长度为L，其斜距显示的距离为Lr，很明显，Lr