SAR影像和质量指标

本文中，我们描述了SAR图像的一些关键特征，目的是提供一个简短的介绍指南，方便读者了解SAR产品。我们介绍了SAR特有的空间分辨率，还有与雷达设计和图像形成有关的诸如噪声级和辐射分辨率之类的概念。从本文中我们将了解到，分辨率不是评估SAR图像质量时要考虑的唯一参数，而是应该将一系列不同的参数进行共同评估，来为不同应用案例选择相应的最佳数据。

与光学成像系统相比，合成孔径雷达系统仅从场景一侧获取图像（图1）。SAR图像由相干雷达收集的数据形成，雷达向地面发射射频能量脉冲，并测量反射信号的强度，通过脉冲往返的时间得到雷达与目标物之间的距离。此外，平台沿轨道承载SAR天线，通过此操作，可以对地面进行二维扫描。在测距维度中，根据物体与雷达的距离来放置目标物。第二个维度是“沿航迹”（或“横向距离”或“方位角”）维度，在此维度上，通过与平台速度相同的地面移动波束进行地面扫描，根据目标物在轨道上的位置，将物体放置在该维度上。通过二维的反射信号构建图像。这种采集方法的结果是，SAR图像的分辨率由两个部分组成距离分辨率和方位角分辨率。

图1（a）SAR捕获几何形状，（b）从倾斜面到地平面的映射

如上所述，SAR图像具有两个维度——距离和方位角。这些尺寸的分辨率是使用雷达记录的信号的不同方面实现的，因此，在距离方向的分辨率可能（通常）与方位方向的分辨率不同。

SAR数据的空间分辨率由脉冲响应（IPR）定义。SAR系统的IPR是传感器和处理过程对理论空间脉冲目标（即在所有维度上无穷小的目标）的响应。IPR是一种二维实体，其特征在于距离维度宽度（IPR在测距维度中的宽度）和横向范围即方位角维度的宽度。普遍接受的雷达分辨率定义是IPR在低于IPR峰值3dB处的宽度。在距离维度上，较大的传输带宽对应于较高的距离分辨率。在横向距离维度中，较大的多普勒带宽对应较好的方位角分辨率。IPR还受到用于形成图像的处理（如窗口）以及由于硬件限制或平台的未补偿运动引起的信号失真的影响。

除非指定，否则IPR以及固有的SAR传感器分辨率在倾斜范围平面中定义。当SAR图像平移到地面时，从倾斜距离到地面距离的映射会导致IPR变宽（图1b）。因此，接地平面中IPR定义的距离分辨率始终比倾斜平面中的分辨率差。在倾斜平面到地平面的映射中，横向距离方向的分辨率不变。

地面距离分辨率，即地面距离方向上的分辨率，取决于所传输信号的带宽和地面成像角度。较大的带宽可实现更好的距离分辨率。例如，在30°的视角下，具有300MHz带宽的理论分辨率在倾斜平面上为0.5m，在接地平面上为0.91m；而在500MHz的带宽，相同视角下，倾斜距离分辨率为0.3m，地面距离分辨率为0.55m。

如上所述，方位角分辨率取决于多普勒带宽。通过将天线波束对准目标较长的时间，可以获得更大的多普勒带宽。现有的许多SAR卫星都使用相控阵天线来控制波束，使其停留在物体上。由于这些相控阵天线被设计为扫描数度，因此获得的方位角分辨率约为数十厘米。

Capella SAR卫星具有500MHz的发射机带宽，在倾斜平面上可以实现0.3m的分辨率。这些卫星还被设计成指向地面上的某个点数十秒钟，从而实现厘米级的方位角分辨率。这种高分辨率可用于减少图像中的斑点（见下文），并提供高质量的多视角SAR图像。图2显示了高分辨率的多视角Capella影像示例。

图2加利福尼亚农场的光学图像（左），Sentinel-1（哨兵1号卫星）图像（中）和Capella卫星图像（右），Sentinel-1图像的分辨率为20 mo Capella航空影像已处理为0.5m的地面距离分辨率和0.5m的方位角分辨率

除了空间分辨率外，其他指标在SAR图像的整体可解释性中也很重要。雷达测量图像中每个分辨率单元的反射信号的强度，取决于发射功率、天线增益、散射体与雷达之间的距离以及要成像对象的几何形状、粗糙度和材料特性。对于解释雷达图像中的强度，有两个特征很重要针对传感器产生的固有噪声识别物体的能力，以及区分具有相似强度的两个物体的能力。第一个是由SAR图像的噪声等效散射系数（NESZ）捕获的。第二个是通过辐射分辨率的概念来实现的。NESZ通常以dB为单位，负值越大，表示图像质量越好。对于SAR用户，所需的NESZ取决于应用实例，例如硬物目标检测和植被分析对NESZ和分辨率的要求有很大不同。

在特定像素分辨率下，当接收功率和像素级的强度克服了系统电子设备产生的热噪声时，可以在SAR图像中检测到目标。在SAR中，NESZ是最常用的度量标准，可捕获系统噪声对图像质量的影响，它可以在雷达设计过程中对其进行分析预测，也可以根据经验对SAR图像中的“暗”目标进行测量。

将SAR数据处理为0.5m地面距离分辨率和0.5m方位角分辨率。在这两种情况下，明亮的散射体，如建筑物，都能被清楚地探测到。两者之间的差异是NESZ（–10dB与–20dB）。在–20dB的NESZ的图像中，物体和道路要清晰得多，特别是物体的阴影，会更加清晰。这表明当需要检测具有低反向散射强度的目标时，较低的NESZ值是更优的选择。

NESZ也随传输带宽（距离分辨率）而变化。以300MHz的传输带宽（0.5m斜距分辨率）生成的SAR图像比以150MHz（1m的斜距分辨率）生成的噪声更多。较宽的带宽可实现更好的分辨率，但会在图像中产生更多的噪点（更高的NESZ）。

斑点噪声是由分布在分辨率单元中的多个物体（散射体）反射的雷达信号引起的。树枝和树叶、田野中的草和岩石以及建筑物墙上的砖块都是具有分散散射体的对象。来自所有散射体的贡献之和导致相邻分辨率单元中测量信号强度的变化。图像强度的这种差异性，称为斑点噪声，会限制SAR传感器的辐射分辨率。

斑点噪声看起来像老式模拟电视机上的雪噪声。由于斑点噪声会影响到物体的轮廓，因此很难辨别SAR图像中的特征。辐射分辨率是描述传感器区分具有相似雷达横截面的两个物体的能力的一种度量。辐射分辨率取决于所测得的信噪比和形成像素的独立视点的数量。只有通过平均多个SAR图像或平均一个SAR图像中的像素，才能克服斑点噪声并提高辐射分辨率。这一平均过程通常被称为“多视图”。

单SAR图像中的多视图通常是通过平均相邻像素来完成的。有时，这种平均是通过复杂的技术实现的，但与原始图像相比，分辨率还是较低。例如，可以通过对SAR采集创建4个视点上1m（斜距分辨率）×1m（方位角分辨率）的图像；斜距分辨率为1m，方位角分辨率为0.25m，通过平均4个相邻的0.25m的分辨率单元，在方位角方向上形成1m单元。

对于对变化检测、目标检测或分类感兴趣的SAR用户，多视图是常见的预处理步骤。我们通过Capella数据的多视角展示了图像质量的提高。图3左栏中的图像来自低分辨率SAR成像模式，经过多视化以减少斑点并提高辐射分辨率。图3中第二、第三行放大的部分，显示空间分辨率的丢失影响到对场景中物体的识别。中间一列的图像是单视0.5m分辨率的图像（方位角和地面距离），图中的斑点噪声阻碍了对小目标的识别；第三列中的图像是多视0.5m分辨率图像。飞机的阴影明显改善，草地特征也清晰可见。

图3低分辨率多视图像（左列），高分辨率单视图像（中间列）和高分辨率多视图像（右列）。这些图像强调了分辨率和斑点噪声对影像解译的影响

在SAR中，几个关键指标定义了系统的性能。第一个是分辨率。亚米级分辨率是必须具备的，但正如本文所说到的，影像解译是空间分辨率、NESZ、斑点噪声和辐射分辨率的一种性能。低NESZ图像是可取的，因为在低NESZ SAR图像中可以看到散射雷达信号较弱的对象，但是高分辨率和低NESZ并不是影响SAR影像解释和检测的唯一参数。斑点噪声使SAR图像中的特征难以区分，因为它降低了对象之间的对比度。因此，SAR影像的可解释性受到分辨率、NESZ和多视点的共同影响。这些参数很关键，但在有关SAR的常见论述中常常被忽略；新手和专业的SAR用户在选择SAR图像时都应该考虑到这些参数。