SAR是主動(dòng)式側(cè)視雷達(dá)系統(tǒng)，且成像幾何屬于斜距投影類型。因此SAR圖像與光學(xué)圖像在成像機(jī)理、幾何特征、輻射特征等方面都有較大的區(qū)別。在進(jìn)行SAR圖像處理和應(yīng)用前，需要了解SAR圖像的基本特征。

    本文主要包括：

• 成像散射特征
• SAR幾何特征
• SAR圖像特征

1.成像散射特征

     SAR圖像上的信息是地物目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波束的反映，主要是地物目標(biāo)的后向散射形成的圖像信息。反映SAR圖像信息的灰度值主要受后向散射的影響，而影響后向散射的主要因素分為兩大類：

• 雷達(dá)系統(tǒng)的工作參數(shù)：主要包括雷達(dá)傳感器的工作波長(zhǎng)、入射角、極化方式等。
• 地物目標(biāo)的特性：地表的粗糙度和復(fù)介電常數(shù)等。

1.1 散射類型

 散射主要可分為5種：

（1）表面和體散射

       這是SAR圖像主要的散射。粗糙的表面能得到更高的后向散射，平整表面在雷達(dá)圖像上經(jīng)常表現(xiàn)暗區(qū)域。

圖：表面和體散射示意圖

圖：水面上的溢油發(fā)生鏡面反射，在圖像上表現(xiàn)暗區(qū)域

（2）雙回波(Double Bounce)

如下圖所示，當(dāng)?shù)匚锎怪钡孛鏁r(shí)候，容易發(fā)生雙回波散射。

圖：雙回波散射示意圖

（3）組合散射

       一般發(fā)生在長(zhǎng)波SAR系統(tǒng)（如L、P波段），包括表面、體散射、雙回波等。

圖：森林的組合散射（上-林冠層，中-樹干層，下-地面層）

圖：SAR圖像上的各種散射

（4）穿透散射

        根據(jù)極化方式和波長(zhǎng)情況，微波可以透入植被、裸土（干雪或沙地），一般情況，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透能力越強(qiáng)。交叉極化(VH/HV)相比同極化（HH/VV）的滲透能力弱。

圖：不同波長(zhǎng)的穿透散射

圖：雷達(dá)波束穿透土壤，可以清晰的看到沙漠下的信息

（5）介電屬性散射

        地物目標(biāo)的介電屬性也影響雷達(dá)的后向散射。基于這種現(xiàn)象，SAR系統(tǒng)也可用于檢索土壤水分。如金屬和水的介電常數(shù)很好（80），而大多數(shù)其他材料的介電常數(shù)相對(duì)較低；在干燥條件下，介電常數(shù)一般是3~8。這意味著，濕潤(rùn)的土壤或植物表面可以產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)的反射率顯著增加，在圖上反映更亮些。

      土壤含水量監(jiān)測(cè)主要原理是基于干土和濕土的介電屬性之間的反差。由于土壤浸濕，飽和25~30時(shí)，其介電常數(shù)變化約2.5。這相當(dāng)于增加反射能量。因此，從后向散射系數(shù)中檢測(cè)土壤水分是可行的，為了區(qū)分土壤粗糙度和濕度之間的影響，常使用特定極化和雙頻率（C，L波段）的SAR傳感器。

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的影響

        雷達(dá)系統(tǒng)的工作參數(shù)中的極化方式對(duì)雷達(dá)波束響應(yīng)的影響比較大。一般情況，自然地物對(duì)HH極化產(chǎn)生較強(qiáng)的回波信號(hào)，因此，地形測(cè)繪和資源調(diào)查一般選擇HH極化SAR圖像；地表比較粗糙（如樹木、農(nóng)作物等）區(qū)域，回波信號(hào)與入射角無關(guān)，HH和VV極化方式區(qū)別不大；對(duì)于光滑的地面（水體等），HH極化比VV極化回波強(qiáng)度低；對(duì)于建筑物，HH極化的回波強(qiáng)度通常大于VV極化方式；一般情況，交叉極化（HV和VH）的回波強(qiáng)度比同極化（HH和VV）低很多。

      波長(zhǎng)和入射角在上述5種散射類型中有所體現(xiàn)。如波長(zhǎng)可以衡量地表粗糙度，以及影響復(fù)介電常數(shù)的不同。入射角在光滑表面有一些體現(xiàn)，如海洋雷達(dá)圖像中，盡量選擇入射角小的圖像，這樣能得到回波信號(hào)較強(qiáng)的圖像。

因此，地物目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波束的后向散射作用是很復(fù)雜的， SAR圖像散射特征可以簡(jiǎn)單歸納為以下幾點(diǎn)：

• 圖像亮度代表后向散射強(qiáng)度
• 像元內(nèi)表面越粗糙，后向散射越強(qiáng)。
• 光滑表面鏡面反射，后向散射很弱
• 與散射體的復(fù)介電常數(shù)有關(guān)，含水量越大，后向散射越強(qiáng)

2.SAR幾何特征

     SAR是主動(dòng)式側(cè)視雷達(dá)系統(tǒng)，且成像幾何屬于斜距投影類型。它與中心投影的光學(xué)影像有很大的區(qū)別。

2.1 SAR成像幾何

       由于合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)在距離向和方位向方面具有完全不同的幾何特征，可以考慮將其成像幾何特征分離開來理解。根據(jù)成像幾何特征的定義，在距離向的變形比較大，主要是由地形變化造成的，在方位向的變形則更小但更為復(fù)雜。如下圖所示，雷達(dá)觀測(cè)分為兩個(gè)方向：

圖：SAR觀測(cè)幾何示意圖

• 距離向(Range)幾何

       像平面內(nèi)垂直于飛行方向，也就是側(cè)視方向上。這個(gè)方向上的SAR圖像分辨率稱為距離分辨率。SAR的距離向分辨率是依靠距離遠(yuǎn)近（對(duì)應(yīng)傳播時(shí)間的長(zhǎng)短、接收時(shí)間的先后）實(shí)現(xiàn)的。距離向的比例尺由地面目標(biāo)的位置由該目標(biāo)到雷達(dá)天線的距離決定。

     在距離向上，離SAR越近，變形就越大，這跟光學(xué)遙感圖像剛好相反。距離向分為兩種投影：

• 斜距(Slant range)：雷達(dá)到目標(biāo)的距離方向，雷達(dá)探測(cè)斜距方向的回波信號(hào)。
• 地距(Ground range)：將斜距投影到地球表面，是地面物體間的真實(shí)距離。

      如下圖所示，是斜距和地距一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系示意圖。

圖：斜距和地距示意圖

        如下圖，相同距離的地物，地距相等，但是由于入射角不同，所以斜距不同，導(dǎo)致雷達(dá)斜距圖像上的近距離壓縮，就是圖像失真，消除失真的方式就是采用地距的顯示方式。

圖：左-斜距圖像，右-地距圖像

• 方位向(Azimuth)幾何

       平行于飛行方向，也就是沿航線方向上，這個(gè)方向上的分辨率稱為方位向分辨率，也稱沿跡分辨率。方位向分辨率是依靠多普勒頻率實(shí)現(xiàn)的。方位向的比例尺是個(gè)常量。

2.2透視收縮、疊掩、陰影

     雷達(dá)成像中，地物目標(biāo)的位置在方位向是按飛行平臺(tái)的時(shí)序記錄成像的，在距離向上是按照地物目標(biāo)反射信息的先后記錄成像的，在高程上即使微小變化都可造成相當(dāng)大范圍的扭曲，這些誘導(dǎo)因子包括透視收縮、疊掩、陰影。

一、透視收縮

      雷達(dá)距山底的距離小于距山頂?shù)木嚯x，所以雷達(dá)波束先到山的底部，再到山的頂部，成像也是。假設(shè)山坡的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其斜距顯示的距離為L(zhǎng)r，很明顯，Lr<2,

這種情況叫透視收縮。

圖：透視收縮現(xiàn)象示意圖

二、疊掩

     當(dāng)面向雷達(dá)的山坡很陡時(shí)，出現(xiàn)山底比山頂更接近雷達(dá)，因此在圖像的距離方向，山頂與山底的相對(duì)位置出現(xiàn)顛倒。可分為如下兩種情況：

• 山坡較陡，雷達(dá)波速到達(dá)山底和山頂?shù)木嚯x一樣，山頂和山底同時(shí)被雷達(dá)接收，在圖像上只顯示為一個(gè)點(diǎn)。
• 到山底的距離比到山頂?shù)拈L(zhǎng)，山頂?shù)狞c(diǎn)先被記錄，山底的點(diǎn)后被記錄，距離向被壓縮了

     這兩種情況都是疊掩現(xiàn)象，也稱為頂點(diǎn)倒置或頂?shù)孜灰啤?/p>

圖：疊掩現(xiàn)象示意圖

圖：SAR圖像上的疊掩（左-光學(xué)圖像，右-SAR圖像）

三、陰影

       沿直線傳播的雷達(dá)波束受到高大地面目標(biāo)遮掩時(shí)候，雷達(dá)信號(hào)照射不到的部分引起SAR圖像的暗區(qū)，就是陰影。

圖：陰影現(xiàn)象示意圖及SAR圖像上的陰影

因此，在地形起伏的區(qū)域容易產(chǎn)生收縮、疊掩和陰影。

• 一般迎面坡是前向收縮
• 坡度較大時(shí)，頂?shù)庄B置
• 背面坡坡度較大時(shí)出現(xiàn)陰影

圖：地形產(chǎn)生的幾種現(xiàn)象

3.SAR圖像特征

        SAR圖像記錄的信息可以包括多種，即相位、振幅、強(qiáng)度等。SAR是相干系統(tǒng)，斑點(diǎn)噪聲是其固有特性。

3.1SAR數(shù)據(jù)信息

       SAR圖像的每個(gè)像素不僅包含反映地表對(duì)雷達(dá)波束的反射強(qiáng)度，還包含與雷達(dá)斜距有關(guān)的相位值。因此，SAR數(shù)據(jù)一般是由實(shí)部（Real）和虛部（Imaginary）構(gòu)成復(fù)數(shù)據(jù)，也稱為同相（In-phase）和正交通道（quadrature channels），如下圖所示。

      雷達(dá)波束的反射強(qiáng)度可以用振幅（Amplitude）或者強(qiáng)度（Intensity）或者功率（Power），他們直接有轉(zhuǎn)換公式，如強(qiáng)度I=振幅A^2。相位信息（θ）與同相和正交存在轉(zhuǎn)換關(guān)系。

圖：SAR數(shù)據(jù)中的實(shí)部和虛部示意圖

      如單通道SAR系統(tǒng)（如C-band, VV極化）的相位均勻地分布在范圍-π~+π，與此相反，振幅A有一個(gè)瑞利分布，而強(qiáng)度I或者功率P呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)分布。

     實(shí)際上，在單通道SAR系統(tǒng)（不是InSAR，DInSAR，PolSAR和PolInSAR的情況下）的相位沒有提供有用信息，而振幅（或強(qiáng)度）是唯一有用的信息。

     因此，SAR數(shù)據(jù)常常以單視復(fù)數(shù)據(jù)（SLC）、振幅數(shù)據(jù)（Amplitude）和強(qiáng)度/功率（Intensity/Power）數(shù)據(jù)等類型提供。

3.2 斑點(diǎn)噪聲

      SAR是相干系統(tǒng)，斑點(diǎn)噪聲是其固有特性。均勻的區(qū)域，圖像表現(xiàn)出明顯的亮度隨機(jī)變化，與分辨率、極化、入射角沒有直接關(guān)系，屬于隨機(jī)噪聲。

       斑點(diǎn)是與噪聲類似的影像特征，由雷達(dá)或者激光等連貫系統(tǒng)所產(chǎn)生的（注：太陽輻射是不連貫的）。因地物或者地物表面對(duì)雷達(dá)或者激光等電磁波后向反射的干擾，斑點(diǎn)在影像上呈現(xiàn)出隨機(jī)分布的特點(diǎn)。

       雷達(dá)照射時(shí)，每個(gè)地面目標(biāo)的后向散射能量都隨著相位和照射功率的變化而變化，這些變化表現(xiàn)在影像就是一個(gè)個(gè)的零散的點(diǎn)，這些零散的點(diǎn)被連貫性的收集起來，被稱作隨機(jī)漫反射（Random Walk），如下圖所示。

圖：隨機(jī)漫反射（Random Walk）

       這些收集起來的零散的點(diǎn)的值可以高也可以低，這取決于干涉的類型。這些統(tǒng)計(jì)性的值的高低波動(dòng)（或者方差），或者不確定性，與SAR影像上每個(gè)像素點(diǎn)的亮度值有關(guān)。

      當(dāng)將SAR信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的影像時(shí)，經(jīng)過聚焦處理，通常會(huì)用到多視處理（非相干平均）。此時(shí)，實(shí)際SAR影像中依然存在著的斑點(diǎn)噪聲可以通過自適應(yīng)圖像修復(fù)技術(shù)（斑點(diǎn)濾波）進(jìn)一步減少。值得注意的是，與系統(tǒng)噪聲不同，斑點(diǎn)是真實(shí)的電磁測(cè)量值，在干涉測(cè)量雷達(dá)（InSAR）等技術(shù)中通常會(huì)被用到。