[发明专利]合成孔径雷达成像的海域中的目标检测

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达成像的海域中的目标检测。

背景技术

众所周知，遥感是通过对由不与调查的物体、区域或现象相接触的器件所获取的数据进行分析来获得关于物体、区域或现象的信息的科学和技术。基于系统工作的波长，遥感主要分为不同的两组，即光学遥感和微波遥感。

光学遥感使用可见波和红外波，而微波遥感使用无线电波。

作为微波遥感系统，合成孔径雷达(SAR)系统包括在例如飞机或人造卫星的移动平台上操作的雷达信号发射机和雷达信号接收机，以及通过无线电信道连接到移动平台的远程处理站。

发射机将雷达信号发送到受监控的地面或海域，而接收机接收由区域后向散射的雷达回波，并将其发送给远程处理站，该远程处理站处理雷达回波以获取受监控区域的二维地图。发射的雷达信号包括由线性频率调制的或所谓的线性调频(CHIRP)调制的、并以定期的时间间隔发射的一连串微波频带的电磁脉冲。

处理站相干地结合对应于所发射脉冲的雷达回波，以使用相对小的发射天线来获得广泛地区的高方位角分辨率的地图。另一方面，线性调频脉冲调制提供了在垂直于方位角的方向上获得高分辨率。

详细地，SAR系统借助于发射机用微波照射场地(scene)，并且借助于接收机记录后向散射的辐射的幅值和相位对场地进行相干成像处理。用处理站对所接收到的信号进行采样并将其变换为数字图像。

具体地，在像素x处记录的场表示为E(x)，可以写作

其中求和涉及散射体s，a(s)和分别是从散射体s接收到的信号的幅值和相位，并且h(s，x)是仪器函数(instrument function)或点扩散函数。当散射体s在对应于像素x的分辨单元中或在对应于像素x的分辨单元附近时，h(s，x)的值接近于1，否则h(s，x)的值接近于0。假设仪器函数是平移不变式，即仪器函数不取决于x，则可以将其写作单参数(one-parameter)的函数h(s-x)。

场E(x)的模的平方被称为检测强度I(x)；强度I(x)的平方根被称为包络或幅值。这与所接收到的信号a(s)的幅值不同，因为所接收到的场E(x)是由仪器函数h(s，x)来扰动的。接收的信号a(s)的幅值被称为反射率，并且其平方被称为表面横截面。

与光学遥感相比，SAR成像具有一些优点。首先，作为有源系统，它是昼夜数据获取系统。其次，考虑到SAR波长范围内的电磁波的行为，可以看到大气特性(例如云、微雨、薄雾和烟)对SAR系统的性能几乎没有影响。这使得SAR可以作为全天候遥感系统。最后但同样重要的是，由于SAR信号部分地透过土壤和植被冠层，所以除了提供表面信息外，SAR信号也可以提供地下信息。

遗憾的是，与光学遥感相比，SAR成像也有一些缺点。具体地，与光学图像不同，SAR图像是通过所发射的微波与目标的相干相互作用而形成的。因此，SAR成像遭受斑点噪声的影响，该斑点噪声是由随机分布在每个像素x内的地面散射体s后向散射的信号的相干总和所引起的。因此，SAR图像比光学图像呈现出更多噪声。

更具体而言，由发射机发射的波在到目标区域的路上同相(in phase)行进并且最低限度地相互影响。因为从目标行进的距离不同或者由于单对多反弹散射，在与目标区域相互作用后，这些波不再同相。一旦异向，后向散射波就可以相互作用以产生亮像素和暗像素。这种影响称为斑点噪声。

斑点噪声给SAR图像带来了粒状外观，减小了SAR图像的对比度，并对基于纹理(texture)的分析有负面影响。而且，由于斑点噪声改变了SAR的空间统计量，所以使得分类处理成为难以完成的任务。

图1示出了典型的粒状SAR图像的示例。

为此，通常在显示和进一步分析之前，通过在数字图像上施加斑点去除滤波器来抑制斑点噪声。

图2示出了用斑点去除滤波器滤波的图1的粒状SAR图像。

如图1所示，SAR图像通常显示为灰度图像。每个像素x的强度I(x)表示由地面上的相应目标区域后向散射的微波部分，该部分取决于各种因素：在目标区域中的散射体s的类型、尺寸、形状和方向、目标区域的湿度含量、雷达脉冲的频率和偏振，以及雷达波束的入射角。像素强度值经常被转换成称为后向散射系数或归一化雷达横截面的物理量，该物理量是以分贝(dB)为单位进行测量的，并且具有从非常明亮的物体的+5dB到非常暗的表面的-40dB的范围内的值。

解译SAR图像不是简单的任务。通常需要一些关于成像区域的地面状况的知识。作为有用的经验法则，后向散射的强度越高，被成像的表面就越粗糙。