SAR輻射定標技術研究與應用

王欣璐，孟萌

（1.中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東青島，266107；2.中石油華東設計院有限公司，山東青島，266071）

0 引言

隨著機載SAR系統向著高分辨率、多極化和多成像模式的發展，SAR的應用不再局限于目標識別、環境判斷等定性測量。在某些應用領域中（如水體污染監測、偽裝效果評估等）定性測量不能滿足引用要求，這就需要從SAR圖像數據中獲取目標的RCS（后向散射截面積）完成定量測量。因此，從SAR圖像數據中求取RCS的過程稱為SAR輻射定標。SAR輻射定標是SAR圖像數據定量化測量的關鍵步驟。

國內外相關領域的研究人員對SAR輻射定標進行了大量研究，文獻[1]利用點目標對機載SAR進行輻射定標關鍵技術與方法研究，文獻[2]對點目標分別采用積分法和峰值法進行SAR輻射定標試驗并進行精度分析，結果表明積分法更具有穩定性；文獻[3]利用點目標進行輻射定標研究并評價了定標結果的穩定性。

本文針對機載SAR輻射定標技術進行了相關研究，將SAR飛行試驗采集的SAR圖像數據進行分析處理，分別利用積分法和峰值法計算相應點目標的回波響應能量，通過計算多個相同RCS的點目標回波能量的標準差來獲取積分法和峰值法的相對輻射定標精度；通過回波能量計算定標常數并應用于絕對輻射定標獲取地物后向散射系數。本文利用相對輻射定標精度和絕對輻射定標精度結合對積分法和峰值法進行評價，對機載SAR輻射定標應用提供參考借鑒。

1 輻射定標基本方法

基于點目標的SAR輻射定標通過在試驗場地布設一定數量已知RCS的角反射器，根據雷達方程計算目標RCS與SAR圖像強度值之間的對應關系，對于一個穩定的SAR系統，這個對應關系即為定標常數[2]，利用定標常數計算SAR圖像中地物后向散射系數完成輻射定標。

在輻射定標的過程中，需要進行角反射器回波響應能量計算和定標常數的計算。角反射器回波響應能量計算是定標常數計算的基礎，定標常數的計算是用于絕對輻射定標求取SAR圖像中各地物RCS，輻射定標流程如圖1所示。

圖1 SAR圖像輻射定標流程

■1.1 角反射器回波響應能量計算

利用角反射器進行SAR圖像輻射定標時，為了保證角反射器能夠從背景中有效地被提取出來，需保證角反射器的RCS足夠大。因此，引入信噪比SCR的概念來衡量目標相對于背景的可見度[4]，SCR的計算公式見式（1）：

SAR圖像中角反射器回波響應能量計算常用方法有峰值法和積分法。峰值法是通過角反射器的回波響應能量最大值得到該角反射器的回波響應能量，通過響應能量最大值與等效分辨單元的乘積獲取該角反射器的響應能量[2]，公式見式（2）：

式（2）中2DN為SAR圖像中角反射器峰值強度值，a、b為天線3dB脈沖響應寬度在方位向和距離向的展寬；aδ、bδ為方位向、距離向像素大小。

積分法是通過對角反射器響應范圍內的像素強度進行積分得到該角反射器的回波響應能量[5]。角反射器的響應能量等于在SAR圖像中響應范圍內總能量減去對應范圍內的背景能量，計算公式[2]見式（3）：

式（3）中：A為角反射器回波相應積分區域；B為角反射器相鄰的背景區域；NA為角反射器積分區域像素個數；NB為相鄰背景區域像素個數；為SAR圖像上各像素點的強度值：aδ、bδ為方位向、距離向像素大小。根據角反射器的回波響應區域確定所選取的積分窗口大小，本文所采取的積分窗口如圖2所示，其中灰色填充區域為角反射器回波能量積分區域，＊符號填充區域為相鄰背景積分區域。

圖2 積分窗口示意圖

■1.2 天線方向圖和作用距離的影響分析

相關研究表明，在其他參數都一定的前提下，影響SAR圖像強度的主要因素是天線方向圖和作用距離[6]。

雷達天線方向圖主瓣中心方向，SAR成像強度最大、信噪比最高；從主瓣中心向方向向兩側成像強度依次減弱，且夾角大于半功率角后，強度減弱加劇。雷達作用距離對SAR成像強度的影響可根據雷達方程推導得出，SAR成像強度與作用距離的4次方成反比，因此，作用距離越遠，SAR圖像強度越小、信噪比越低[6]。

本文SAR飛行試驗中，條帶截取信噪比和強度較好且均勻一致的距離向中心區域圖像，保證在雷達天線的主瓣內；而飛行中斜距對SAR圖像強度的影響可以根據SAR圖像中各像素點的斜距信息對SAR圖像進行相對輻射校正后消除，因此天線方向圖對SAR成像強度的影響可不考慮，作用距離對SAR成像強度的影響已通過成像算法中的相對輻射校正完成補償。

綜上，本文的SAR定標試驗可不考慮天線方向圖和作用距離帶來的影響。

■1.3 定標常數計算

根據SAR成像原理，地面上某一點接收的功率見式（4）：

式（4）中，rP為接收功率；tP為發射功率；Gθ為天線增益；λ為雷達波長；θσ為角反射器RCS；R為雷達天線到目標的距離。

在SAR圖像中，任一給定像元，其影像振幅值DNi與接收功率關系[7]見式（5）：

根據上述公式原理，對于穩定的SAR系統其傳遞函數應為一常數即為定標常數，其計算公式[8]見式（6）。

式（6）中：Ki表示第i個角反射器所對應的定標常數；Epi為該角反射器所對應的回波響應能量；refi為角反射器理論RCS；θ為角反射器對應的入射角。

2 試驗數據介紹

本文機載SAR輻射定標試驗的具體參數如下：

(1)雷達頻率：9.65GHz（X波段）；

(2)極化方式：VV；

(3)中心入射角：18.8°；

(4)飛行高度：500m；

(5)分辨率：0.5m；

(6)條帶寬度：1000m。

本試驗選用X波段小型機載SAR進行試驗，小型機載SAR搭載在復合翼無人機上，無人機完成航跡規劃后，系統采用正測視的方式照射無人機航線的右側區域，以條帶方式對目標區域進行成像，將各條帶進行拼接形成目標區域的完整SAR圖像。

為保證SCR滿足大于20dB的要求，選取5個邊長25cm的三角角反射器作為定標點目標,試驗場地選取成都彭州天空之眼試驗場，5個角反射器依次擺放，確保間隔一定的距離，以保證各角反射器的回波不相互影響，對每個角反射器進行編號，機載SAR獲取的SAR圖像如圖3所示，CR1-CR5對應著角反射器1到角反射器5，由SAR圖像可知，角反射器布置區域背景相對均勻，滿足后續積分法計算各角反射器回波能量的應用條件。

圖3 機載SAR試驗圖像

3 試驗數據分析

通過SAR圖像計算獲取各目標點的SCR，即目標最大能量與背景平均能量的比值，各目標點SCR如表1所示，由表1可得，各點SCR均大于20dB，平均值為44.64dB；表明各目標點均滿足信噪比的要求，因此背景對輻射定標的影響可忽略不計。

表1 各目標點的SCR

本次試驗選用的角反射器為單向棱長25cm的三角角反射器，三角角反射器理論RCS[5]計算公式見式（7）。

式（7）中，σrefi為三角角反射器的理論RCS，a為三角面體的一個邊長，λ為波長。根據上述公式，可計算單向棱長25cm三角角反射器的理論RCS為12.29dB。

根據式（2）和式（3）分別用峰值法和積分法獲取各目標點的回波能量，各目標點的回波能量如表2所示。

表2 峰值法和積分法獲取的CR回波能量

根據式（6）可計算各角反射器的定標常數，如表3所示。

表3 各角反射器定標常數

試驗結果表明，積分法相對輻射定標精度為0.1848dB，峰值法相對輻射定標精度為0.4344dB，積分法相對于峰值法具有更好的穩定性，相對定標結果更準確，但峰值法得到的定標常熟略大于積分法得到的定標常數。

以定標常數的平均值作為SAR圖像整體定標常數，對整幅圖像進行絕對輻射定標，可獲取圖像獲取的RCS值，進而得到各角反射器理論RCS和從圖像獲取RCS的差值，以多組差值絕對值的最大值作為絕對輻射定標精度，結果如表4、表5所示。由表4和表5可得，積分法絕對輻射定標精度為0.276dB，峰值法絕對輻射定標精度為0.568dB。

表4 峰值法絕對輻射定標精度

表5 積分法絕對輻射定標精度

通過查閱相關文獻資料可得各類應用對SAR輻射定標精度的相關要求，一般情況下，相對輻射定標精度要求小于0.5dB，絕對輻射定標精度要求小于1dB。本文試驗積分法相對輻射定標精度為0.1848dB，峰值法相對輻射定標精度為0.4344dB；積分法絕對輻射定標精度為0.276dB，峰值法絕對輻射定標精度為0.568dB，因此可見，本文的試驗結果滿足SAR輻射定標對定標精度的要求，試驗數據可作為相應方法的評判依據。

經上述試驗數據分析可得，不管是相對輻射定標精度還是絕對輻射定標精度，積分法的定標精度都要優于峰值法，說明一定條件下積分法在機載SAR定標應用中相比于峰值法具有更好的效果。

4 結論

本文中試驗所采用的機載SAR為X波段SAR，進行輻射定標試驗后，通過對SAR圖像計算分析獲得積分法和峰值法的相對輻射定標精度和絕對輻射定標精度，定標精度滿足相關要求。

試驗結果表明，積分法的定標結果要優于峰值法的定標結果。針對機載SAR輻射定標應用，由于SAR圖像質量易受到機載平臺穩定性的影響，進而無法保證SAR圖像的質量，這種情況下，積分法的適用性要比峰值法更好，峰值法的應用場景對SAR圖像的質量和SAR分辨率有較高的要求，即在系統穩定且分辨率較高的情況下，峰值法的定標結果會更好。

不同場景、不同的目標可能都會影響定標結果，因此在今后的研究中，應針對不同的場景和不同的目標，重點研究各種定標方法的實際效果，進而得到更加穩定有效的定標策略。