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《合成孔径雷达成像及其图像处理》可作为高等院校电子信息、遥感、测绘、地理信息系统等专业的本科生教材,也可供研究生及相关领域的科研人员和工程技术人员参考。
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| 內容簡介： |
《合成孔径雷达成像及其图像处理》主要介绍涉及SAR成像及其图像处理中的基本理论、基本概念和基本方法,并根据SAR图像的特点和近年来从事相关科研与教学的实践经验,列举大量实例,以供读者参考。考虑到SAR处理技术的迅速发展和广泛应用,在讲解基本理论的同时还介绍国内外相关的**动态、研究成果和应用实例。《合成孔径雷达成像及其图像处理》共9章,包括SAR成像原理和SAR图像处理两大部分。在SAR成像方面,介绍遥感、微波和SAR的基本概念、基本原理和基础知识,以及SAR成像原理、模型和基本成像算法,还有多普勒参数估计的基础内容。在SAR图像处理及应用方面,介绍SAR图像特性、斑点噪声及滤波、SAR图像增强、SAR图像分割及解译,以及包含干涉SAR成像处理和时间序列的多时相SAR图像处理等。
《合成孔径雷达成像及其图像处理》可作为高等院校电子信息、遥感、测绘、地理信息系统等专业的本科生教材,也可供研究生及相关领域的科研人员和工程技术人员参考。
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| 目錄：
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目录
前言
第1章绪论1
1.1遥感基本概念1
1.1.1什么是遥感1
1.1.2遥感技术系统2
1.1.3遥感分类3
1.1.4遥感的特点6
1.1.5遥感技术的发展历史8
1.1.6遥感技术的发展趋势10
1.2雷达基本概念13
1.2.1什么是雷达13
1.2.2雷达工作原理与基本组成13
1.2.3雷达的基本任务16
1.2.4雷达的探测能力18
1.2.5雷达分类20
1.2.6雷达的主要技术参数22
1.2.7雷达频率24
1.2.8雷达的发展与应用28
1.3合成孔径雷达概述31
1.3.1什么是合成孔径雷达31
1.3.2合成孔径雷达的特点31
1.3.3合成孔径雷达的分类32
1.3.4合成孔径雷达的发展历程33
1.3.5合成孔径雷达的发展趋势38
1.3.6合成孔径雷达的应用40
1.4典型的SAR成像系统42
1.4.1星载SAR系统42
1.4.2机载SAR系统71
思考题74
第2章成像雷达微波遥感基础75
2.1什么是微波遥感75
2.2微波遥感优越性76
2.3电磁波理论与微波80
2.3.1什么是电磁波80
2.3.2电磁波的基本特征81
2.3.3电磁波辐射与微波84
2.4微波与物质的相互作用87
2.4.1微波与大气的相互作用87
2.4.2微波与地物的相互作用91
思考题95
第3章合成孔径雷达成像原理97
3.1概述97
3.1.1什么是合成孔径99
3.1.2侧视SAR成像几何关系及相关概念100
3.1.3分辨率与分辨单元103
3.2线性调频信号与脉冲压缩111
3.2.1线性调频信号111
3.2.2脉冲压缩114
3.3SAR成像回波信号模型118
3.4SAR成像数据获取与处理124
3.4.1初始数据获取124
3.4.2数据的压缩与解压及传输126
3.4.3数据预处理127
3.5SAR数据格式与数据产品130
3.5.1SAR数据格式130
3.5.2SAR数据类型131
3.5.3SAR数据产品134
思考题135
第4章SAR成像算法与多普勒参数估计136
4.1SAR成像处理过程136
4.2距离徙动及校正139
4.3距离多普勒RD成像算法143
4.3.1距离向压缩处理144
4.3.2距离徙动补偿145
4.3.3方位向压缩处理148
4.3.4RD算法的特点149
4.5CS成像算法151
4.5.1chirp scaling处理152
4.5.2距离徙动校正与距离向压缩处理155
4.5.3方位向压缩处理与相位补偿156
4.5.4CS算法的特点157
4.6波数域ω k成像算法157
4.7成像算法的比较与仿真160
4.8多普勒参数估计162
4.8.1多普勒中心频率估计163
4.8.2多普勒调频率估计169
4.9均值频移相关成像算法179
4.9.1MFSC算法的均值估计181
4.9.2MFSC算法的可调值估计182
4.9.3实测数据成像处理结果183
思考题185
第5章SAR图像特性186
5.1SAR图像的视觉特性186
5.2SAR图像的几何特性188
5.2.1斜距显示的近距离压缩188
5.2.2SAR图像的透视收缩与叠掩190
5.2.3SAR图像的阴影194
5.3SAR图像的物理特性195
5.3.1SAR数据的内涵195
5.3.2SAR图像与后向散射系数196
5.4SAR图像的参数特性199
5.4.1波长频率200
5.4.2极化201
5.4.3入射角203
5.4.4雷达视向205
5.4.5表面粗糙度206
5.4.6复介电常数209
5.4.7角反射器效应210
5.5SAR图像的统计特性210
思考题218
第6章SAR图像斑点噪声与滤波219
6.1斑点产生机理及其统计特性219
6.2基于空间域的SAR图像滤波223
6.2.1多视处理滤波225
6.2.2邻域均值法226
6.2.3邻域中值法226
6.2.4Lee滤波及增强型227
6.2.5Frost滤波及增强型228
6.2.6Gamma MAP滤波及增强型228
6.3基于变换域的SAR图像滤波229
6.3.1基于傅里叶变换的滤波229
6.3.2基于小波变换滤波232
6.4一种相干性的SAR图像滤波方法237
6.4.1算法描述237
6.4.2实验结果分析238
思考题241
第7章SAR图像增强与彩色处理242
7.1基于点运算的增强243
7.1.1灰度线性变换243
7.1.2灰度非线性变换246
7.2直方图增强处理247
7.3基于代数运算的增强249
7.4相干性处理增强252
7.5彩色增强处理254
7.5.1伪彩色增强255
7.5.2假彩色增强259
7.5.3真彩色增强260
思考题262
第8章SAR图像分割与解译分析263
8.1图像分割的定义与特点264
8.2基于阈值的SAR图像分割265
8.2.1直方图阈值分割266
8.2.2**类间方差阈值分割269
8.2.3**熵阈值分割271
8.3基于CFAR的SAR图像分割274
8.3.1CFAR检测原理274
8.3.2不同统计分布模型下的CFAR检测方法278
8.4基于马尔可夫模型的SAR图像分割280
8.4.1马尔可夫模型的数学描述280
8.4.2算法实现过程283
8.5SAR图像解译分析285
8.5.1SAR图像地物目标类型285
8.5.2SAR图像陆地目标特征287
8.5.3SAR图像海面目标特征288
思考题289
第9章多时相SAR图像处理290
9.1SAR图像变化检测概述290
9.1.1基于图像代数运算的变化检测方法291
9.1.2基于图像变换的变化检测方法293
9.1.3基于图像分类的变化检测方法294
9.1.4基于结构特征的变化检测方法295
9.2变化检测阈值的确定295
9.2.1贝叶斯理论的基本概念295
9.2.2阈值确定的KI算法296
9.2.3阈值确定的EM算法297
9.3小波分解的SAR图像变化检测300
9.4基于主成分分析的变化检测306
9.5合成孔径雷达干涉测量311
9.5.1InSAR测量原理311
9.5.2InSAR的基本干涉模式314
9.5.3InSAR数据处理流程316
9.5.4InSAR测量实例317
9.6合成孔径雷达差分干涉测量321
9.6.1双过差分干涉321
9.6.2三过差分干涉322
9.6.3四过差分干涉323
9.6.4D InSAR测量实例323
9.7多时相时序SAR图像处理325
9.7.1时序SAR图像获取信息325
9.7.2InSAR时序分析技术327
参考文献330
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| 內容試閱：
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第1章绪论
1.1遥感基本概念
遥感技术是20世纪60年代兴起的一门新兴探测技术，它根据电磁波理论，利用各种传感仪器对远距离目标所反射或
辐射的电磁波能量进行接收、转换、处理，并*终形成可视图像，实现对地物目标进行探测和识别的一种综合技术
。遥感技术*初以航空摄影技术为基础，自1972年美国成功发射**颗地球资源卫星并获取了大量地球表面卫星
图像后，遥感技术就开始在世界范围内得到了迅猛的发展和广泛的应用，这也标志着航天遥感的开始。经过几十年
的迅速发展，已经形成了对地球资源和环境进行探测和监测的立体观测体系，而且在测绘、环境生态保护、灾害监
测、地质勘探、水文、气象、农林业和军事等领域得到了广泛的应用，并产生了可观的经济效益和显著的社会效
益，为人类社会与生态环境的协调、可持续发展提供了非常重要的技术保障。
1.1.1什么是遥感
如果从字面上理解，“遥感”，顾名思义，就是遥远地感知。遥感remote sensing通常被认为是在不接触物体的
情况下，对其属性或状态进行探测。另外一种解释，认为“遥”是一个空间概念，而“感”是一个信息处理系统，则
遥感技术是一种非接触的测量和识别技术。例如，人眼就是天生的遥感系统，当人眼观看远处物体时，就是一种生
物遥感;普通的照相机照相、天文望远镜观测星空、各种航拍和卫星成像，都属于遥感的范畴。人类通过大量的实
践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、反射或辐射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式——电磁
波，并且发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的某种反映，从而
提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。例如，当大兴安岭森林火灾发生时，由于着火的树木温度比没有着火
的树木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量，如果此时正好有一个载着热红
外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空，由于着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量，在获
得的遥感卫星影像中，着火的森林区域就会比没有着火的森林区域更亮。同样，如果此时有雷达成像传感器经过上
空，能获得相应的雷达图像，着火区域和没着火区域的色调也不一样，因为它们的后向散射特性不同。这样，我们可
以通过卫星影像判断森林着火情况，对灾害进行实时监测，并及时评估灾害损失和调整指挥抗灾救灾实施过程。
对遥感的定义有不同的表达形式，其中，广义定义指的是遥远地感知，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场
、力场、机械波声波、地震波等的探测。狭义定义是指应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电
磁波特性记录下来，通过转换、处理和分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。目前，一种比较
简明的定义是:从不同的高度平台，如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机和空间站等
，通过传感器对地表物体的电磁波信息进行收集，然后将这些信息进行传输、处理和判读分析，从而达到对物体进
行识别和监测的全过程。
1.1.2遥感技术系统
把遥感技术与方法理论结合并应用到某个专业领域，就构成了一个遥感技术系统，如图1.1所示。一个完整的遥感
技术系统通常由以下几部分组成:遥感信息源;信息获取;信息接收与传输;信息处理;信息应用。
遥感信息源地物目标——任何地物目标都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，都是遥感的信息源。地物目标
与电磁波的复杂相互作用，便构成了地物目标的电磁波特性，它是遥感探测的物理依据。
信息获取——主要由传感器及其平台来完成。传感器是接收和记录地物目标电磁波特征的仪器，如照相机、摄像
机、红外成像仪、高光谱成像仪、合成孔径雷达、辐射计和散射计等。搭载传感器的载体称为遥感平台remote
platform，如地面三脚架、遥感车、气球、有人无人机、卫星和航天飞机等。平台按高度不同，可分为地面平台
、航空平台和航天平台。这三种平台有各自的特点和用途，既可单独使用，又可联合使用，根据实际的需要，可以组
成不同层次的立体观测系统。
信息接收与传输——传感器接收到地物目标的电磁波信息后，记录在数字磁介质或胶片上。胶片由人或回收舱送
到地面接收站，然后进行回收处理，而数字磁介质上记录的信息则可以直接通过飞机或卫星上的微波天线传输给地
面的接收站进行处理。
信息处理——主要靠硬件系统和软件系统来完成。硬件系统包括工作站计算机、显示设备、大容量存储设备、
图像输入输出设备等。软件系统主要包含以下功能:数据输入模块、几何校正模块、辐射校正模块以及图像变换
、图像增强、图像融合、分类、分析和输出模块等。
信息应用——通过遥感技术获取地物目标电磁信息的目的是应用。这项工作由各专业人员根据不同的应用需要来
进行。在应用过程中，也需要大量的信息处理和分析，如不同传感器信息的融合、同传感器不同时相信息的融合，
以及遥感与非遥感信息的结合等。
1.1.3遥感分类
目前，遥感分类的方式有多种，还没有一个完全统一的标准。根据遥感的定义，常见的分类方式有以下几种。
1.按搭载传感器的遥感平台分类
根据遥感探测器所采用的遥感平台不同可以将遥感分为地面遥感、航空遥感、临近空间遥感和航天遥感。
地面遥感:是指把传感器设置在地面平台上，通常离地面的距离不超过150m，如车载、船载、手提、固定或活动的
高架平台等。
航空遥感:又称机载遥感，是指把传感器设置在航空器上，如气球、航模、飞机及其他航空器等。航天遥感的特点
是灵活、影像清晰、分辨率高，并已形成了完整的理论和应用体系，往往还用来做各种遥感实验和校正工作。缺点
是飞行器受到气候的影响比较大。
临近空间遥感:是指把传感器装置在临近空间活动的飞行器上。临近空间是对海拔20~100km空间范围的一个通用
性称谓。临近空间位于“空”和“天”之间，即位于飞机所能达到的**位置和低轨道卫星轨道之间的区域。临
近空间飞行器与航空、空间平台相比具有明显的优势，与航空平台相比，它提供的覆盖范围更宽，可以长时间驻留，
生存能力强;与空间轨道平台相比，则可以进行分辨率更高且针对特定地区的覆盖探测。另外，由于临近空间的大
气平稳，不像对流层那样具有复杂的气流和气候变化，而且大气稀薄且杂质成分少，无云雾等阻挡，适合电磁波的传
播。临近空间飞行器有高空气球、飞艇、空天飞机和高速无人机等。
航天遥感:又称星载遥感，是指把传感器设置在航天器上，如人造卫星、宇宙飞船、空间实验室等。它的优点是成
像高度高、宏观性好、可重复观测，平台不受天气、地形和国界等自然因素和条件的限制。缺点是平台的机动性
较差。
2.按遥感对象分类
按遥感的对象可分为宇宙遥感和地球遥感。
宇宙遥感:主要是探测宇宙中的天体和其他物质的遥感，如探测月球和火星表面的照片。
地球遥感:是对地球和地球上的物体进行探测的遥感。地球遥感主要包括资源遥感和环境遥感。资源遥感是以地
球资源作为调查研究对象的遥感。调查全球自然资源状况和监测再生资源的动态变化，是遥感技术应用的主要领
域之一。利用遥感信息勘测地球资源，成本低、速度快，有利于克服自然界恶劣环境的限制，减少勘测投资的盲目
性。以地球表层环境为对象的遥感称为环境遥感。环境遥感是利用各种遥感技术，对自然与社会环境的动态变化
进行监测或做出评价与预报的统称。由于人口的增长与资源的开发和利用，以及自然与社会环境随时都在发生变
化，利用遥感多时相、周期短的特点，可以迅速为环境监测、评价和预报提供可靠依据。
3.按电磁波段分类
按成像所利用的电磁波谱段可分为紫外遥感、可见光反射红外遥感、热红外遥感和微波遥感。电磁波谱图如图
1.2所示。
紫外遥感:是指利用紫外波段进行地物探测的遥感，波段范围为0.05~0.38μm。在大多数情况下，紫外线或光谱的
紫外线部分是具有*短波长的实用遥感。这种辐射只是可见光波长的紫外部分。地球表面的一些材料，如岩石、
矿物和荧光，通过紫外辐射时可发出可见的光照射。
可见光反射红外遥感:是指利用可见光波段、红外波段和短波红外波段进行探测的遥感，波段范围为0.38~2.5μm
。其中，在0.38~0.76μm是人眼可见的波段，从0.76~2.5μm为反射红外波段，虽然人眼不能直接看见，但其信息能
被特殊遥感器所接收，如高光谱遥感和超光谱遥感。它们共同的特点是:辐射源是太阳。这两个波段只反映地物对
太阳辐射的反射，所以可以根据地物反射率的差异来获得其相关的信息，都可以用摄影方式和扫描方式对观测区域
成像。
热红外遥感:是指利用中、远红外波段进行地物探测的遥感，波段范围为2.5~1000μm。热红外遥感通常是通过红
外敏感元件，探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称。在常温约300K下，地
物热辐射的绝大部分能量都位于此波段，因此，在此波段上地物的热辐射能量大于太阳的反射能量。热红外遥感具
有昼夜工作能力。
微波遥感:是指利用微波波段进行地物探测的遥感，波段范围为1~1000mm。微波遥感通过接收地物发射的微波辐射
能量，或接收遥感仪器本身发出的电磁波束的回波信号，对地物进行探测、识别和分析。微波遥感的特点是对云层
、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天时、全天候工作。
4.按应用空间尺度分类
按应用空间尺度遥感可分为全球遥感、区域遥感和城市遥感。
全球遥感:全面系统地研究全球性资源与环境问题的遥感统称。
区域遥感:是以区域资源开发和环境保护为目的的遥感信息工程，它通常按行政区域区划国家、省区等、自然区
域区划如长江流域、黄河流域等和经济区域区划。
城市遥感:以城市环境、生态环境作为主要调查研究对象的遥感工程。
5.按接收电磁波辐射性质分类
遥感按接收的电磁辐射的性质分为主动式遥感和被动式遥感。
主动式遥感:又称有源遥感，通过遥感器主动向地物目标发射一定形式的电磁波，并由遥感器接收被研究物体反射
或者散射回来的电磁波，进而推断目标的情况。
被动式遥感:又称无源遥感，指用遥感器直接接收被观测物体自己发射或者反射电磁辐射，在自然中太阳是一个非
常重要的辐射源。
6.按遥感媒介分类
遥感技术依其遥感仪器所选用的波谱性质可分为电磁波遥感技术、声呐遥感技术、物理场如重力和磁力场遥感
技术和地震波遥感技术。
电磁波遥感:是以电磁波为信息传播媒介的遥感。
声呐遥感:是以声波为信息传播媒介的遥感。
物理场遥感:是以重力场、磁力场、电力场等为媒介的遥感。
地震波遥感:是以地震波为媒介的遥感。
7.按不同应用领域分类
按应用的目的和意图不同，遥感可分为环境遥感、城市遥感、农业遥感、海洋遥感、地质遥感、林业遥感、气象
遥感、灾害监测遥感、空间遥感和军事遥感等。
1.1.4遥感的特点
遥感作为一门对目标物体进行探测的综合性技术，它的出现和发展既是人类认识和探索自然界的客观需要，又具有
其他探测技术手段与之无法比拟的特点。遥感技术的特点归纳起来主要有以下几个方面。
1.探测范围广，采集数据快
遥感可获取大范围数据资料。遥感用于航摄飞机飞行高度为10km左右，陆地卫星的轨道高度可达910km左右，可及
时获取大范围的遥感信息。例如，一幅大小为23cm×23cm，比例尺为1:35000的航拍照片，可反映出60km2的地面实
况;一幅陆地卫星TM图像，其覆盖面积可达34225km2;一幅星载SAR图像的覆盖面积也可达到1万多km2。由此可见遥
感技术可以实现远距离、大范围的对地宏观观测，这对地球资源和环境分析极为重要。
遥感探测能在较短的时间内，从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的遥感数据。这
些数据拓展了人们的视觉空间，为宏观地掌
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