文章编号:1673 6338(2008)04 0296 04
基于DEM 的SAR 图像模拟
李贺,秦志远,靳国旺
(信息工程大学测绘学院,河南郑州 450052)
摘要:首先阐述了研究基于数字高程模型(DEM )的SAR 图像模拟的重要性。然后针对SAR 图像的几何特点,并顾及地面坡度、成像距离等因素对雷达波后向散射强度的影响,设计了基于强度积分的S AR 图像模拟方案。根据L eberl 构像模型计算SAR 图像的像点坐标,采用强度积分策略对各点处的强度进行模拟,并进行归一化处理。通过仿真实验得到了满意的S AR 模拟图像,验证了该模拟方案的正确性和有效性。关 键 词:几何精校正;数字高程模型(DE M );L eber l 构像模型;合成孔径雷达;模拟中图分类号:P 237 文献标识码:A
Simulation of S AR Images Based on DEM
LI H e ,Q IN Zhi yuan ,JIN Guo wang
(Instit ute of Surve y ing and M app ing ,Infor m ation Engineer in g Universit y,Zhengzhou 450052,Chi na )
Abstrac t :F irst ,t he paper expounded the i m portance of study on si m u lati ng S AR i m ages based on DE M (D i g ita l E l e va tionM odel).And t hen a i m i ng a t the geo m etrica l feature o f ri ght S AR i m ages ,the si m u l a ti on pro ject of SAR i m ages w as desi gned based on DE M,wh ich consi dered t he ground sl ope ,and the d i stance of i m ag i ng ,etc .A dopting L erbe l i m ag i ng model t o compu te t he coo rd i na te o f SAR i m age ,and introduc i ng integ ral o fm agn itude to si m u late the i ntensi ty ,a fter no r m ali zati on sa tisfi ed SAR i m ages were got by si m ulati on exper i m ents ,wh ich va li dated the si m ulati on pro ject w as r i ght and va li d .K ey word s :geo rectifica ti on ;dig ital e l evation mode;l L eber l i m ag i ng m ode ;l synthetic aperture radar ;si m ulati on
SAR 图像模拟是根据地面实际情况或其他资料(如地图或遥感资料),按照雷达图像的成像机理用计算机产生一幅雷达图像;或根据已有雷达图像产生不同频率、不同极化的另外一种雷达图像,以供多种应用的技术[1~4]
。SAR 图像的成像原理决定了SAR 图像一般是距离图像,成像地区的地形起伏引起的SAR 图像几何变形十分明显。因此在SAR 数据处理时必须解决山区SAR 图像的几何校正问题。用基于DE M 的SAR 图像模拟方法进行山区SAR 图像的几何精校正,可以摆脱地面控制点的限制
[5]
。这正成为SAR 图像几何
精校正的主流。因此很有必要研究基于DE M 的SAR 图像模拟问题。1 SAR 图像的几何特点
SAR 成像采用主动式距离成像方式。它利用合成孔径原理和脉冲压缩技术提高方位向和距离向分辨率。SAR 图像的方位向和距离向分辨率一
般是不同的。SAR 图像的方位向分辨率主要取决于脉冲重复频率和载体的运动速度等[6]
。在理想情况下,SAR 载体运动姿态平稳、速度均匀,SAR 图像沿方位向可近似看作是对地面的正射投影。沿斜距方向,地面目标成像的像点位置与天线到目标之间的距离有关,并存在近距离压缩的现象。图像在近距离处和远距离处的地距分辨率一般是不同的。在地形起伏地区,SAR 图像还存在透视收缩、叠掩和阴影等现象。1.1 近距离压缩
在斜距显示的图像上,地面上等间距的地物目标间距都缩短了。但近距端要比远距端压缩得更多,使图像产生几何畸变,这种现象称为近距离压缩。
由于近距离压缩的结果,斜距显示的图像在距离向上各处比例尺皆不相同。图像比例尺随天线的增大而减小,即近距离端图像比例尺小,远距离端图像比例尺大。
收稿日期:2008 01 07;修回日期:2008 04 25。 基金项目:国家自然科学基金项目(40771142)。
作者简介:李贺(1965-),男,河南邓州人,硕士生,主要研究方向为数字图像处理及雷达成像算法。
第25卷第4期2008年08月
测绘科学技术学报
Jou rnal ofG eo m atics S ci en ce and Technol ogy V o.l 25No .4Aug .2008
1.2 透视收缩
对于面向SAR系统天线的地面斜坡,在距离图像上其长度被压缩,这种现象称为透视收缩。在SAR图像中,透视收缩部分往往表现为较强的亮度。透视收缩具有以下特点。
1)透视收缩现象仅在距离向出现。
2)透视收缩是入射角的函数。入射角越小,透视收缩越严重。
3)只有当雷达波束贴着斜坡入射时,斜坡的图像才不产生透视收缩。当雷达波束与斜坡正交时,透视收缩达到最大。
4)同样坡度的山坡离近距离端越近,透视收缩越大。
5)前坡的透视压缩比后坡严重,表现在I n SAR图像上即前坡比后坡更亮。
1.3 叠掩
当面向雷达天线的斜坡很陡时,山顶部分与山底部分离雷达天线中心距离相等,甚至山顶部分距天线更近。因此在SAR图像上,出现山顶和山底位置重叠或颠倒情况,即叠掩现象。雷达叠掩具有如下特点。
1)叠掩仅在距离向前坡出现,后坡不会出现。
2)叠掩严重破坏了图像质量,如顶底位移等现象。
3)叠掩的产生与入射角有关。只有当雷达波束的俯角与地物目标之和大于90 时,才会产生叠掩。
1.4 阴影
对于背向雷达天线的地面斜坡,如果雷达信号不能到达该处地面,则无雷达回波,将在图像中形成阴影。雷达阴影的形成与俯角和坡度有关,阴影的大小与俯角有关。
2 基于DE M的S AR图像模拟
当地面散射特性相同时,SAR图像强度主要取决于地面坡度、天线与地物间的距离、微波侧视角度等因素。此时,SAR图像主要表现为因地面起伏引起的透视收缩、叠掩、阴影等回波强度变化现象。对于这种情况,SAR图像模拟可采用如图1所示的流程。
首先要对DE M进行内插处理。因为DE M数据的空间采样间隔一般要比SAR图像的分辨率大得多,达不到要模拟的SAR图像的精度要求。因此需要对DE M数据进行内插处理,以满足模拟SAR图像的要求。
然后将每个DE M的格网点按照成像雷达的原理计算成像点的位置。即变换成SAR图像的像元点对应坐标。
最后考虑SAR图像的几何特性。采用强度积分的方法,根据雷达方程计算每个像点对应的强度。
图1 SAR图像模拟流程
2.1 模拟图像像点坐标的计算
采用Leberl构像模型计算SAR图像的像点坐标。模型是根据雷达图像像点的距离条件和零多普勒条件来表达雷达图像瞬时构像的数学模型。
2.1.1 距离条件
如图2所示,D S为近距延迟;R S为天线中心S 到地面点P的斜距;H为天线中心S到基准面的航高;y S为地面点P在斜距图像上的距离向像点坐标;y g为地面点P在地距图像上的距离向像点坐标;m y为图像的斜距分辨率。
图2 距离条件
则对于斜距显示的图像有如下关系:
(X-X S)2+(Y-Y S)2+(Z-Z S)2=
(y S m y+D S)2(1)式中,(X,Y,Z)为地面点P的坐标;(X s,Y s,Z s)为天线中心瞬时位置S的物方空间坐标。它们是飞行时间t的多项式函数。设载体初始位置(0时刻位置)为(X S
,Y S
,Z S
),则载体位置与速度、时
297
第25卷第4期李贺,等:基于DEM的SAR图像模拟
间的关系为
X S =X S 0+V X t
Y S =Y S 0+V Y t Z S =Z S 0+V Z t
(2)
2.1.2 零多普勒条件
由于SAR 平台飞行速度矢量与天线中心至地面点的距离矢量保持垂直,此时多普勒频移为零,故称之为零多普勒条件。此时有
V X (X -X s )+V Y (Y -Y s )+V z (Z -Z s )=0
(3)因此,若用x 表示SAR 图像的方位向坐标,m x
表示方位向分辨率,则方位向坐标x 的计算公式和斜距向坐标y 的计算公式分别为
x =
V X t
m x
(4)
y =
(X -X s )2
+(Y -Y s )2
+(Z -Z s )2
-D s
m y
(5)
2.2 图像强度模拟
进行几何精校正时地形是主要的因素,模拟SAR 图像时可以不考虑地物因素的影响。因此可认为整个区域的后向散射系数相等。
这里采用强度积分的方法进行SAR 图像模拟。SAR 图像中每个像元的强度值均由DEM 中各点的回波反射强度积分而得。
首先根据DEM 中各点的坐标计算本地入射角,然后对各点的反射强度进行积分就可以得到每个像元的强度。这种方法可以不对叠掩、阴影等处的图像强度值进行特殊考虑。叠掩情况的强度可直接由反射强度积分得到,如果像元处为阴影,则强度赋为0。
DE M 中各点的反射强度与局部入射角、天线和目标间的距离有关。
对于局部地表,反射强度可参考朗伯余弦定律。即当法线方向反射强度为I ,入射角为 时,漫反射强度I 为
I =I cos
(6)
当地表有起伏时,入射角 与侧视角 、坡度角 的关系为
= -
(7)
若坡度角 为正,则入射角 小于侧视角 ;反之,当地形坡度背离雷达天线时,坡度角 为负,则入射角 大于侧视角 ;在极限情况下,当入
射角 = - !
!
2
时,雷达图像上出现阴影。在计算辐射强度时,还应考虑距离的影响,即需考虑雷达方程
P r =P t G 2
t ?2
(4!)3R
4#
(8)式中,G t 为雷达天线的增益;?为波长;#为目标的有效散射面积;P t 为雷达发射机的发射功率;R 为地物目标和天线之间的距离。
在进行SAR 图像模拟时,若用R c 表示近距延迟,R s 表示某像点处对应的斜距,则距离对强度的影响可以看作是对图像进行加权处理,可用如下公式表达:
I =I
R 4
c
R 4
s
(9)综上所述,某一像点(x,y )处的图像强度可由如下公式计算得到:
d x,y
=?X,Y,Z I 0R 4c
R 4s
cos (10)
其中,I 0表示给定近距离处的微波辐射强度。
上面计算出的模拟SAR 强度数据的值域范围存在差异,需要进行归一化处理。将图像的强度值变换到0 255之间,以便显示成灰度图像。
设原始图像强度值的最大值、最小值分别为d m ax 和d m in ,某一像元的强度值为d,归一化处理后的图像强度值为g,则归一化处理过程可表示为
g =
255(d -d m in )
d max -d m in
(11)
3 仿真实验
采用由S I R C /X SAR 干涉数据获取的DE M 进行了SAR 图像模拟。其中DE M 数据如图3所示,其参数信息为:宽度1680点,高度1435点,格网间距10m 。由该DE M 模拟的SAR 图像如图4所示,原始SI R C /X SAR 图像如图5所示。通过对比发现:在山区,模拟的SAR 图像与真实SAR 图像在叠掩、阴影等特征方面非常一致。这也验证了模拟方案的有效性。
图3 SIR C /X SAR 干涉数据获取的DEM
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图4 DEM 模拟SAR 图像 图5 S I R C /X SAR 图像
4 结论
通过基于DE M 的SAR 图像模拟可看出,基于DE M 模拟的SAR 图像较好的反映了山区的地
形特征。它可以与真实SAR 图像匹配,对SAR 图像进行几何精校正。如果要得到能反映地物目标情况的SAR 模拟图像,可加入地物分类信息。
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责任编辑 陶大欣
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第25卷第4期李贺,等:基于DEM 的SAR 图像模拟