数字雷达图像的应用

过去20年，商用雷达成像卫星发射上天，如加拿大的RASARSAT卫星，欧洲航天局（ESA）的ERS-1和ERS-2遥感卫星，数字雷达图像的应用越来越广泛。

大多数遥感系统将太阳作为能量源，成像雷达系统则不同，它是主动传感器，通过发射微波能量并记录回波信号获取地表特征信息。大部分成像雷达系统产生波长为1cm～1m的微波，比探测雨雪的气象雷达波长更长。

这些微波信号穿过大气层和云层时几乎不受影响，也不会衰减。因此无论白天夜晚，成像雷达体系几乎可以在任何天气条件下形成地表特征地图。这些特点使得雷达成像特别适用于热带和极地地区，因为这些地区常年有云层覆盖，阻碍了可见光遥感探测。

雷达图像不仅可以提供地表的地形信息，还有地表的物理和生物物理性质。雷达图像长期应用于地质研究，通过地表景象形成显示其内部结构特征的地图。卫星雷达图像通常用于监控北极海域的冰川情况，以及探测海洋表层泄漏的石油。雷达成像也应用于植被和农作物品种绘图、景观生态学、水文学、火山学。

分析数字雷达图像前，必须先使用“Import process（导入处理）”将图像导入至TNTmips工程文件，TNTmips可以将以下传感器的雷达数据格式直接导入：

ERS-SAR：欧洲航天局ERS-1和ERS-2卫星RADARSAT：加拿大RADARSAT卫星

在其中一些数据格式中，除图像主文件以外，还有单独的头文件和引导文件，这些也是导入处理所必须的。导入雷达图像时，要确保以上所有文件在同一目录下。

如果雷达图像是其他文件格式，可以使用“用户定义”格式选项导入这些图像。使用这一选项时，必须创建一个格式文件来指定图像文件的结构、数值数据的类型、字节顺序以及在图像头文件和附属文件中经常查找的其他信息。

成像雷达系统向一侧发射离散的雷达脉冲，每个脉冲照射垂直于航行方向的地面区域中的一个条带。微波与物体表面或物体的一部分相互作用后返回雷达天线，系统记录该区域的脉冲回波及其往返的强度变化。

由于微波在空气中以光速运动，对每个回波信号进行计时，就可以估算距离向（垂直于航行方向）对应的图像位置。航空器或航天器向前飞行（方位向），通过一系列的脉冲回波就可以形成图像。

雷达几何成像中一个重要因素就是下视角，定义为飞机水平面与雷达天线和特定地形特征之间连线的垂直夹角，这条连线反映了脉冲的往返路径。地物与航行路径的距离越近，下视角越大，随着距离的增大而减小。

不同因素影响着雷达图像在距离向和方位向的分辨率。距离向分辨率主要取决于单个脉冲的持续时间（微秒级），并且在远区会随着下视角的减小而改善提高。

方位向分辨率主要取决于单个脉冲形成的波束宽度，波束宽度越窄，方位向分辨率越高。在早期的机载雷达系统中，可以通过增加雷达天线的物理尺寸来减小波束宽度，但在实践中对天线的尺寸是有限制要求的，天线不能很大。

现代合成孔径雷达（SAR）系统的天线尺寸较短，但可以通过对多重雷达回波的综合处理，形成较长的等效合成天线。某一地表特征的图像，是由天线连续变化位置并收发脉冲而形成的。天线与目标之间的相对运动使回波信号产生差异，对不同脉冲数据进行解算，就能以良好的方位向分辨率确定地物特征的正确位置。

在雷达图像中，回波越强的区域亮度越高，因为成像雷达系统采用侧视方式，只有一小部分发射能量反射回到天线并被系统检测到。雷达回波强度有多个影响因素，包括地表的朝向、粗糙度和电特性，以及雷达回波的极化方向。

相对平坦的区域，表面粗糙度这一基本特征决定了雷达图像特性。光滑的水平面像一面镜子，产生特定方向的回波（见图），例如平静的水面。

雷达发射的全部能量几乎都从与入射角相等的反射角方向传播出去，即反射的能量都远离了雷达天线。正是因为几乎没有能量返回雷达天线，平滑区域的成像色彩就很暗淡，例如上图中的河流。

当雷达发射信号照在粗糙的地表，表面的不规则性使雷达能量散射到很多个方向，其中一小部分返回雷达天线，雷达系统检测到这些能量，并在图像中形成色彩明亮的部分。因此在雷达图像中，地表物体的亮度与粗糙程度成正比，即越粗糙越明亮。

由于地物表面朝向相对于雷达信号传播路径的不同，地形也会影响图像亮度。在其他因素都相同的情况下，垂直于传播路径或直接面向传感器的表面形成的回波最强，背向传感器的山坡形成的回波较弱。

如果山坡背面倾斜度大于下视角，那么雷达脉冲不能照射到这些区域，该区域就成为阴影区。由于距离增大、下视角减小，阴影区会增多，导致一些较为平缓的山坡背面也成为阴影区。前一页的雷达图像中，绵长的山脊线非常明显，正是山坡正面和背面明暗交汇的结果。

在雷达图像中，人口居住区的建筑物通常亮度较高，这是建筑物的形状导致的。建筑物的侧面平坦，垂直与地面相交，形成了角反射器。如右图所示，雷达信号经过两次平面反射后，向着雷达天线方向传播，与下视角大小无关。有时雷达图像将角反射器成像作为校准回波信号强度的一种手段。

电力线高塔和桥架等金属物体在雷达图像中非常明亮，这是因为其介电常数值很大。大多数干燥的自然界物质介电常数值很小，但潮湿的土壤、积雪和植被的介电常数值较大，其雷达反射率也会增加。因此雷达图像也可以用于估算地表物质的水分含量。

审核编辑：彭静