雷达图像的畸变和校正

微波遥感原理及应用 雷达图像的畸变和校正 李 玉 博士 教授 测绘与地理科学学院 辽宁工程技术大学 @ 辽宁 阜新， 2011 年 9 月 3-2 1. 几何畸变 近地距压缩畸变（near range compressional distortion） 由侧视雷达的地距分辨率的表达式 q t sin2 c rg = 可知，随着入射角的增加，地距方向分辨 率提高。方位分辨率与入射角及地距无关，即 对不同地距点其方位分辨率相同。一般而言， 图像显示基于具有相同分辨率的像素，均匀分 布在格点上。从而，地球表面的细节在近地距 部分被压缩为小的解析单元（像素）内。 特别是当入射角变化很大时，如机载雷达系统成像时，近地距压缩对雷达图像在视觉上有很 大的影响。如图为地距压缩示例，其中方格代表农田，斜线代表道路。 近地距压缩雷达图像实例：左图为未校正雷达图像，右图为校正后雷达图像 3-3 近地距压缩特点：与光学成像系统不同。光学图像的压缩发生在远地距端。光学成像系统 采用双侧扫描，压缩现象在图像的两端。雷达图像近地距压缩校正，可以采用数学上入射角 补偿或重采样（re-sampling） 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。实际上，很难恢复近地距压缩带来的细节丢失。 叠掩（Layover） 高塔雷达成像：以天线为中心画同心圆，圆上各点有相同的斜距，在相同时间内返回散射 信号。天线接收塔顶端 T 的‘回声’先于底端 B 的‘回声’。从图像上看，塔 TB 叠加在 地面特征上，并且塔顶朝向近地距线。这种畸变模式称为叠掩。 地形起伏移位畸变（relief displacement distortion） 山坡成像：利用同心圆成像原理 → 前坡被压缩，后坡被拉伸，峰点向近地距端位移 → 这种畸变称为地形起伏移位畸变。 另外，地形起伏移位畸变导致图像亮度的变化→ 前坡入射角变小，前坡变亮；后坡入射 角变大，后坡变暗。 3-4 比较 SAR 图像和光学图像（Appalachia mountains）：左图为 SeaSAT SAR 图像，右图为 LandSAT 灰度图像。 遮蔽（阴影）（shadowing） 发生在远地距端，大入射角情况下；雷达图像中遮蔽畸变为不可校正畸变。 3-5 2. 几何畸变的校正 近地距压缩畸变的校正 斜距图像（slant range imagery）: 使 用斜距坐标系统，返回雷达信号可以 形成斜距图像。 斜距图像无地距压缩畸变。 地形起伏较小区域的几何校正 叠掩、地形起伏移位畸变可以忽略。主要的几何畸变类型包括：近地距压缩畸变，由飞行 器飞行高度、航线、飞行姿态变化引起的畸变，地球曲率变化引起的畸变等。 校正方法：利用有关入射角、入射角在地距方向上的变化等相关知识，选择合适的地面控 制点，构造映射多项式进行图像校正。 校正难点：由于斑点（speckle）效应，使得定位自然的地面控制点比较困难。 解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ：利用人工地面控制点。成像前在地面上布置反射器件。飞行器经过这些地面点 时记录这些器件的反射。用 GPS / GNSS 可以精确定位地面控制点位置。 常用反射器件有：被动、主动校正器（passive and active calibrators）。被动雷达校正器（PRC = Passive Radar Calibrator）：入射微波能量被反射回雷达天线。一个校正器可以看作为一个 地面控制点。最简单的校正器为金属板，但需精确对准雷达天线。金属角反射器（corner reflector）为常用的校正器，包括二面（bihedral）、三角三面（triangle trihedral）、正方三面 （square trihedral）以及圆三面（circular trihedral）反射器（reflector）。 3-6 校正器的放置：双面角校正器的垂直面和水平面的交线与搭载平台的飞行方法平行；三面 角校正器的放置要求不是高，可以通过灵活组合反射面达到最大反射的目的。 主 动 雷 达 校 正 器 （ ARC = Active Radar Calibrator）: 接收雷达发射信号，经放大后重新发 射，称为转发器（transponder）。存在的问题：转 发器的接收和反射间存在不确定的时间延迟。解 决方案：在转发器中增加时间延迟器，使得转发 器接收和转发的时间延迟已知，相对于附加的斜 距距离。 极化主动雷达校正器（PARC = Polarimetric Active Radar Calibrator）。可以 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 主动雷达校 正器，使其接收和发射信号具有不同的极化方式，用来校正 cross-polarized 图像（如，HV、 VH 图像）。 地形起伏较大区域的几何校正 由于地形起伏，在雷达图像中造成地面点移向 近地距端。地距位移： qcothr =D ，其中 q 为 入射角，h 为起伏高度。在剧烈起伏地区地距位 移引起的图像几何畸变尤为强烈。 基于数字地形图（DTM = Digital Terrain Map）的几何校正：DTM ® 找到与像素点匹配 的地面点及与之相应的高程 ® 像素高程分布 ® 计算与像素点相应的局部入射角（local incident angle）q ® Dr = h cot q ® 重新定位像素位置。 3-7 3. 辐射畸变 辐射畸变 指遥感传感器在接收来自地物的电磁波辐射能时，电磁波在大气层中传输和传感器测量中 受到遥感传感器本身特性、地物光照条件（地形影响和太阳高度角影响）以及大气作用等影 响，而导致的遥感传感器测量值与地物实际的光谱辐射率的不一致。雷达图像的辐射畸变主 要来自斑点‘噪声’。 斑点（speckle）噪声 入射微波为相干波，即可以假设为单一频率电磁波并且波前（wave front）到达某一像素 时的相位相同。如地面目标为单一散射体（scatterer），如角反射器、建筑等，散射返回信号 主要由该散射体对入射微波的相位决定，背景散射很小可以忽略。覆盖该地面目标的像素的 强度相近，在图像中展示亮度相对均匀的区域。 在大多数情况下，像素覆盖很多散射特性各异的散射单元，像素强度为这些散射单元返回 信号的组合。每个散射元返回信号的相位各异，总体来看，组合后的像素强度具有随机性。 因此，雷达图像呈现斑点，称为斑点效 应（现象、噪声）。 3-8 斑点噪声 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 假设第 k 个散射单元的散射返回信号为： )(exp 0 kkk ΦtjEe fw ++= ，其中，Ek 与该散 射单元的散射特性有关，F0 + fk 该散射单元返回信号的相位差，F0像素点到天线距离 R 引 起 的 平 均 相 位 差 。 雷 达 天 线 接 收 到 的 与 该 像 素 对 应 的 组 合 信 号 为 ： åå +=++= k kk k kkrec jEΦtjΦtjEE fwfw exp)(exp)(exp 00 。该式中公共项 exp j(wt+F0) 不会对组合信号的变化产生影响，并假设像素内的各辐射单元是同一的，散射返 回的强度相同 Ek = E。上式简化为： jΨQIEjQIE jEEjEjEE k k k k k kk k krec exp)( sincos)sin(cosexp 22 +=+= +=+== åååå fffff 其中， I QΨ 1tan -= 。 天线接收的功率密度： )(|||| 2222 QIEEp recrec +== 。假设散射单元在像素内随机分布 ® 相角 fk 在[0, 2p ]均匀分布 ® 像素强度随机分布 → 类似噪声的斑点效应。 斑点噪声的模拟：20 ´20 像素，每个像素包含 50 个散射单元。4 个模拟结果： 3-9 4. 辐射畸变的校正 斑点噪声消除原理 对数个独立成像的雷达图像求平均。对上述 4 个模拟图 像求均值；下表为均值和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差的比较。 直方图的比较：左图为模拟图像直方图，右图为均值图像直方图。可以看出，均值操作使 得模拟图像的动态范围变窄，起到抑制噪声的作用。 多视技术（multi-look） 将接收调制（Chirp）信号的频谱分割若干 段，每一部分称为一个 look（视？）。对每 个 look 单独进行相关性操作，得到与其相应 的压缩脉冲并生成子图像。将所有的子图像 平均得到最终的 SAR 图像，称为多视 SAR 图像。 多视图像的获得是以牺牲方位分辨率（azimuth）为代价。 SeaSAT SAR 图像，调制信号带宽=19MHz，斜距分辨率=7.89 m，入射角=20o，地距分辨 3-10 率=23m，天线长度（方位方向=10.7m，单视方位分辨率=5.35 m，4-look 方位分辨率= 22 m。 实际应用中，一般采用 3～6 look。 斑点噪声的滤波（filtering） 均值平滑（mean value smoothing）: 构造窗口（window） 或称模板（template）；以像素为中心移动窗口；对窗口覆 盖像素的强度（intensity）求平均，代替中心像素的强度 值。缺点：使边界模糊，高频细节失真。 自适应（adaptive）平滑滤波 抑制斑点噪声，保护边缘与细节；平滑程度随场景而变化：同质区域平滑程度高，有效去 除斑点噪声；在区域边界、线性特征、目标边缘区域降低平滑程度，包含细节。 实例：像素亮度可表达为：z = xs，其中，x 是理想情况下像素亮度（要求我们估计的值）； z 是测量值（未经滤波的像素亮度）；s 是斑点噪声随机变量，其均值为 0，标准差为 hs。 求 x 的估计值： )(ˆ zzbzx -+= ，其中 b 是自适应加权系数，ázñ 代表邻域均值。原则 上，邻域窗口大小的选取是任意的，但窗口过大不利于细节的保护，窗口过小不利于斑点滤 波。有很多的方法用于定义加权系数 b，一个常用的方法： )var( )var( z x b = ，其中，var(z)是邻 域像素值的方差（variance），var(x)是无斑点噪声的理想图像的方差。同质区域®亮度均匀 ®var（x）很小® b 趋于零® zx =ˆ ; 异质区域®亮度变化大® var(z) ≈ var(x)® b = 1 ® zx =ˆ 。 b 通过最小化 x 估计值和 x 值的平方根的均值 ])ˆ[( 2xxE - 得到， 即 2 2 1 )var( )var( s szzx h h - - = ，其中 hs 由 s 的 分布函数得到。 3-11 Speckle 滤波应注意的问题 对亮目标的处理，即单一散射体，如树木、建筑等。在图像中并非表现为绝对的亮目标， 强度可能为中等强度乘 speckle 噪声系数。对这类目标的辨识可以通过邻域像素亮度判断。 无论何种滤波器，都应避免破坏极化图像间强度的相关性，如 VV 强度 > HH 强度 > HV （VH）强度。 Speckle 滤波结果的比较：左图为原始图像，右图为标准滤波图像 3-12 5. 雷达天线引起的辐射畸变 理想情况下，SAR 雷达天线‘看到’长方形的区域，垂迹（cross-track）方向为图幅宽度 （swath），沿迹（along-track ）方向为合成孔径宽度。 实际上，雷达天线发射的功率密度为有向分布。其中发射功率主要集中在主波瓣（main lobe），并使侧波瓣（side lobes）功率密度最小化。 天线带来的畸变 主波瓣（main lobe）发射功率分布不均匀；侧波瓣（side lobes）辐射功率的回波；畸变 包括，几何和辐射畸变。 3-14 6. 作业 模拟 4 个具有斑点噪声的图像：128 ´128 像素，每个像素包含 50 个散射单元。对模拟图 像进行均值滤波并分析滤波结果。（比较图像的均值、方差、直方图。建议用 MATLAB 编 程语言）。