怎麼得到雷達數據的後向散射系數

A. 激光雷達是怎樣工作的它有哪些特點其應用領域和前景如何

激光雷達的原理是基於大氣對激光的散射、吸收、消光和閃爍等物理過程，通過接收後向散射信號來反演大氣參數，如氣溶膠光學參數、大氣溫度、風場廓線，以及水汽和大氣痕量氣體的時空分布等。激光雷達是傳統雷達技術和現代激光技術相結合的產物。其工作原理與微波雷達或無線電雷達類似，即由發射系統發射一個信號，與目標發生相互作用，返回的信號被接收系統收集並處理，獲得所需的目標信息。與普通雷達不同的是，激光雷達的發射信號是激光，與普通雷達發射的無線電波乃至毫米波、微波相比，波長要短得多，這就使得激光雷達對微小的氣溶膠粒子和大氣分子更敏感，適用於大氣探測。此外，普通雷達接收的大多為硬目標的反射信號，而用於大氣探測的激光雷達所接收的信號隨著激光技術、光學加工工藝、光電探測技術和數據採集技術的發展，激光雷達在探測距離、探測精度、時空解析度、自動連續觀測等方面顯示出卓越的探測能力。激光雷達的發展趨勢：
(1) 功能多樣化
隨著激光雷達的發展，其測量范圍已從最初的利用米散射信號探測大氣氣溶膠分布，發展為可用於溫度、風場、氣體成分等多領域的探測。通過利用多通道探測，可實現一台激光雷達系統同時探測水汽混合比和氣溶膠參數等多種大氣參數[31]。多波長激光雷達可測量氣溶膠在多個波長上的消光系數和後向散射系數，進而反演出氣溶膠的復折射率和粒子譜分布[32]。
(2) 平台多樣化
地基單點固定式激光雷達的長期觀測十分必要，對於研究和統計分析一些重要大氣成分的變化規律具有重要價值。但將激光雷達搭載在多種移動式平台上，更能發揮出激光雷達的作用。車載式激光雷達，具有高度的機動性，轉移觀測場地更加便捷[33]，便於應對突發事件的探測需要。機載式激光雷達可以進行較大范圍的移動觀測，並且便於對雲層進行實驗探測[34]。船載式激光雷達可以在海洋上空觀測，它們在一些地區性乃至全球性大氣輻射和大氣環境研究，以及多種儀器的對比實驗中發揮了重要作用[35]。星載激光雷達能夠進行全球范圍內重要大氣參數的主動遙感。米散射氣溶膠激光雷達、二氧化碳差分吸收激光雷達、多普勒測風激光雷達等將在不久的未來應用於全球衛星遙感觀測[36]。
(3) 組網觀測
隨著大氣輻射和環境科學研究國際間合作的需要，建立激光雷達觀測網十分必要。通過統一測量和數據處理的方法和標准，進行長期觀測。研究氣溶膠的長期變化特徵和不同類型的氣溶膠在某區域內的分布情況，以及氣溶膠的輸送路徑和機制，及其物理、化學特性在輸送過程中的變化。一些國際合作研究計劃，如全球平流層變化觀測網(NDSC)[37]、氣溶膠特徵實驗(ACE-I、II)[38, 39]等均使用多個激光雷達布網，對一些重要的大氣成分的空間分布進行觀測。歐洲激光雷達觀測網(EARLINET)[40]包括了歐洲不同國家21個地面激光雷達觀測站；亞洲激光雷達觀測網(AD-Net)[41]對亞洲大陸沙塵氣溶膠的光學特性及其遠距離輸送過程進行聯合觀測；拉丁美洲激光雷達觀測網[42]則開展了對熱帶和南半球低緯度地區重要大氣成份的合作觀測。
(4) 商品化
激光雷達能夠監測多種重要大氣成分和參量的時空分布，具有測量距離遠、時空解析度高、探測成本低、和能夠連續自動觀測的特點，具備其它探測方式無法替代的作用，在氣象觀測、大氣環境監測和風場測量等民用領域日益受到重視，因此其應用市場廣闊。目前，單波長米散射激光雷達、探測污染氣體的差分吸收激光雷達，及測風激光雷達已經成功實現商品化。例如，美國SESI公司研製的微脈沖激光雷達系列，德國ELIGHT公司開發的車載式測污激光雷達，法國LEOSPHERE公司推出的Windcube測風激光雷達，以及美國ORCA和加拿大OPTECH公司開發的激光雷達系列產品。在國內，近年來中科院安徽光機所研製的車載式測污激光雷達AML-1、微脈沖激光雷達MPL-A1和攜帶型偏振-米散射激光雷達PML等，都已經開始從實驗室研究階段向商業化產品研製開發進行轉變。

B. 雷達信號處理基礎-雷達距離方程

怎麼算 ？

給出一個例子，若雷達峰值功率為1KW，波束寬度為1°的筆形波束天線位於X波段（10GHz），距離10km處有一架RCS為100m²的大型噴氣機飛機，我們可以利用下面給出的式子計算雷達的接收功率。

首先計算雷達的天線增益：

波長

假設大氣損耗和系統損耗可以忽略不計，則雷達接收信號功率為：

可以看到，接收信號的功率只是納瓦數量級，與發射功率之前差了12個數量級，雷達發射信號功率同接收信號功率之間存在著較大的動態范圍差異。

為什麼要這樣算 ？

既然是反射功率同回波功率的確定性模型，那麼就從雷達的發射開始說起，先發出一個功率為Pt (W)的波形，為了容易理解，我們認為其發射無方向性，而且這個波形在傳播的過程中沒有功率上的損耗。

該波形到距離R處，該處功率密度為總輻射功率除以半徑為R球體的表面積4π R²，也就是

實際應用中，考慮到雷達天線的方向性，天線的增益，其中天線的增益G等於最大功率密度和無方向功率密度之比，因此，在天線的最大輻射方向上，雷達在距離R處的最大發射功率密度為：

如果目標正好在天線的最大增益方向上，上式就是雷達照射到目標的功率密度。

理解了雷達的發射功率密度後，需要了解雷達的發射波對於距離R處的散射體或點目標的一種現象，「後向散射」。

在計算後向散射功率時需要考慮目標的接收面積σ，即可得到目標將自身接收到的全部電磁波輻射出去的後向散射功率為

上面提到的σ即為雷達信號處理中經常遇見的雷達截面積（RCS）。

若RCS是在後向散射功率無方向性的輻射前提下定義的，可以得到雷達接收到的後向散射功率密度為

其中，該後向功率密度是按照半徑為R的球體的表面積進行計算。

再考慮雷達天線的有效孔徑面積Ae m²，其總的後向散射功率為

而天線有效孔徑，天線增益和工作波長的關系

可以得到雷達總的後向散射功率為

上述的雷達接收功率時在不加任何信號處理時的接收功率，而實際應用下，我們不得不考慮傳播過程中的損耗，因此，需要通過信號處理引入一些損耗因子和增益因子。

若每km的單程損耗值為α,單位為dB，距離R (m)處的目標，大氣損耗的值為

大氣損耗對於高頻段的雷達十分重要，例如10GHz左右雷達的大氣損耗可以忽略不計，但是60GHz的雷達其短短幾千米的大氣損耗就可以達到數十dB,這也是60GHz不是雷達常用工作頻率的原因。同時也可以看到， 大氣損耗同系統損耗一樣，都有隨雷達工作頻率變化而變化的特性 。

考慮大氣損耗和系統損耗的影響，可以得到最終的雷達的接收功率為

需要注意的是，上式總包括的幾個變數如大氣損耗，天線增益，RCS等常用作分貝為單位，該式中則需要採用線性單位，而非分貝。另外Pr為瞬時接收功率，不是平均功率。

根據雷達的接收信號功率計算公式，也就是雷達的距離方程，其中的一個重要結論就是 點目標其接收功率按照雷達到目標距離的4次方下降 。

因此，雷達檢測一個給定RCS目標的能力隨距離增加而快速下降，增加發射功率可以增加雷達的作用距離，考慮到R^{4}的關系，功率必須增加到原來的16倍，也就是12dB，可以將雷達的作用距離增加至1倍。或將雷達天線增益增加到原來的4倍（6dB）同樣可以將雷達的作用距離增加至1倍。另外，對於隱形戰機可以將RCS減小到1/16，這樣可以將雷達最其檢測距離下降一半。

題圖：padrinan

C. 實驗三十五 雷達圖像處理

一、實驗目的

通過對ERS-2衛星單波段雷達影像的顯示、幾何校正、濾波和彩色增強等處理，感受雷達微波遙感圖像對地物反映的特徵和與可見光圖像的差別，了解雷達圖像處理的內容，初步掌握ENVI雷達微波遙感圖像處理的基本操作步驟，從而加深對雷達微波遙感對地質學應用原理的理解。

二、實驗內容

①ENVI支持下的ERS-2雷達遙感圖像數據輸入、顯示和輸出；②雷達圖像校正；③雷達圖像濾波增強處理；④雷達圖像彩色合成處理；⑤雷達圖像地物影像特徵識別；⑥雷達遙感影像與光學遙感影像特徵差異比較分析。

三、實驗要求

預習雷達遙感成像理論的相關知識，了解ERS-2雷達數據的技術參數，能夠解讀雷達圖像上反映的信息，了解從ENVI中打開或存儲在雷達文件的信息，初步掌握本實驗所做的ENVI軟體Radar模塊的幾種雷達圖像處理操作，編寫實驗報告。

四、技術條件

①微型計算機；②桂林市ERS-2單波段Image格式的數據；③ENVI軟體；④Photoshop軟體（ver.6.0以上）和ACDSee軟體（ver.4.0以上）。

五、實驗步驟

1.打開雷達數據文件

ENVI提供兩種方式打開雷達數據文件。

（1）在ENVI主菜單欄中選擇「File>Open External File>Radar＞相應雷達感測器類型」，在彈出的文件選擇對話框中，選擇SAR IM P IPXBJG20090217.E2波段數據文件， （注意：ERS-2雷達影像不同於其他光學影像，文件格式類型是E2）。ENVI將自動提取頭文件信息，並把圖像波段輸入到可用波段列表中。

（2）在ENVl主菜單中，選擇「Radar>Open>Prepare Radar File＞相應雷達感測器類型」，也可打開。

在Available Bands List顯示來自雷達數據的信息和參數，包括波段名；行數、樣本數和波段數；文件大小；交叉格式（BSQ、BIL、BIP）；數據類型（位元組、整型等）；以及數據是否已地理坐標定位等信息。

2.雷達圖像糾正

（1）幾何精糾正。雷達影像的幾何糾正方法與光學遙感影像的處理方法一樣，即也是選取地面控制點（GCPs）和建立GCPs文件的方式。可以採用Image to Map或Image to image兩種方式之一來選取GCPs，具體參看本書實驗十一和實驗十二。

（2）自帶定位參數的糾正。在ENVI主菜單中選擇「Map>Georeference ENVISAT>Georeference ASAR」，彈出「Select ENVISAT File」，選擇雷達影像點擊【OK】按鈕，在「Select Output Projection」對話框中（圖35-1）根據實際需要選擇投影方式、輸出地面控制點路徑及文件名。

圖35-1 選擇輸出投影設置對話框

在「Registration Parameters」對話框中根據實際情況的需要來對參數重新定義，選擇輸出的路徑，命名保存。糾正的目的就是賦予雷達圖像地理坐標定位的信息，有利於之後信息的提取工作。

（3）天線陣列校正（Antenna Pattern Correction）。由於儀器的天線接受陣列，雷達圖像在垂直於行程方向有明顯的畸變。ENVI的天線陣列校正函數可以用來消除這種畸變。計算出方位角平均值，並作圖顯示行程方向上的平均變化。由用戶限定次數的一個多項式函數可以用來消除接受時產生的畸變，可以選擇加法或乘法校正。天線陣列校正操作方法如下：◎在ENVl主菜單選擇「Radar>Antenna Pattern Correction」，在打開的「Antenna Pattern Input File」對話框中，選擇雷達圖像文件。

◎在打開的「Antenna Pattern Correction Parameters」對話框中（圖35-2），編輯以下參數。

等斜距記錄方向（Range Direction）：列（Samples）或行（Lines），可以通過查看圖像數據的頭文件確定記錄方式；

校正方法（Correction Method）：可選擇加法（Additvie）或乘法（Multiplicative），常用乘法校正作雷達天線陣列畸變校正；

多項式次數（Polynomial Order）：多項式次數根據需要進行改變，最大次數為5。

點擊「Plot Polynomial」，顯示出一張紅色平均值圖（圖35-3），上面疊置著白色的、選擇的多項式的擬和，多項式的最高次數可以根據需要改變，並再次作圖（最好用一個低次多項式），以便不消除後向散射信號中的局部改變。

設置完以上參數後選擇輸出路徑及文件名，點擊【OK】按鈕，執行操作。

圖35-2 天線陣列校正參數窗口

圖35-3 天線陣列校正曲線圖

.3 圖像增強

ENVI包括幾個自適應濾波器，它們可以用於SAR 處理。自適應濾波器（Adaptive Filters）運用圍繞每個像元值標准差來計算一個新的像元值。不同於傳統的低通平滑濾波，自適應濾波器在抑制雜訊的通透時保留了圖像的高頻信息和細節。Adaptive Filters包括LEE、Frost、Gamma、Kuan、用於減少圖像斑點的局部σ濾波器，以及消除壞像元的比特誤差濾波器（Bit Errors filter）。

自適應濾波器可用通過ENVI主菜單中的「Filters>Adatove＞濾波器或者主菜單＞Radar>Adaptive Filters＞濾波器」途徑打開相應類型的濾波器，如圖35-4所示。自適應濾波器包括如下幾種。

（1） LEE濾波器：用於平滑亮度各圖像密切相關的雜訊數據以及附加或倍增類型的雜訊；

（2） Enhance LEE濾波器：可以在保持雷達圖像紋理信息的同時減少斑點雜訊；

（3） Frost濾波器：能在保留邊緣的情況下，減少斑點雜訊；

（4） Enhance Frost濾波器：可以在保持雷達圖像紋理信息的同時減少斑點雜訊；

（5） Gamma濾波器：可以用於在雷達圖像中保留邊緣信息的同時減少斑點雜訊；

（6） Kuan濾波器：用於在雷達圖像中保留邊緣的情況下，減少斑點雜訊；

（7） Local Sigma濾波器：能很好地保留細節並有效地減少斑點雜訊，即使是在對比度較低的區域；

（8） Bit Error Filters比特誤差濾波器：可以消除圖像中的「bit-error」雜訊。

圖35-4 LEE濾波器參數窗口

4.合成彩色圖像（Synthetic Color Image）

可以使用「Synthetic Color Image」項將一幅灰階圖像轉換成一幅彩色合成圖像。這個轉換通常用於將大比例尺雷達數據在保留有用細節情況下增強其中細微特徵的顯示。操作步驟如下：

圖35-5 合成彩色參數窗口

（1）在 ENVI 主菜單中選擇「Radar>Synthetic Color Image」，在文件選擇對話框中選擇輸入文件，單擊【OK】按鈕。

（2）在「Synthetic Color Parameters」對話框中（圖35-5），輸入高通濾波（High Pass Kerenl Size）和低通濾波交換核大小（Low Pass Kerenl Size）。

（3）輸入飽和度（Saturation Value）：范圍0～1，該值越大圖像顏色越深或者越純。

（4）選擇輸出路徑及文件名，單擊【OK】按鈕執行合成彩色圖像處理，處理得到的結果將自動載入在可用波段列表中，並可用在「Display」中顯示。

六、實驗報告

（1）簡述實驗過程。

（2）回答問題：①雷達遙感對雲層和地面植被具有穿透性，將本次實驗處理得到的桂林市ERS-2圖像，與在實驗二或實驗九得到的桂林市TM影像進行比較，尋找兩種影像特徵之間的差異。②與被動遙感圖像的幾何校正相比，雷達圖像的校正有哪些不同的新內容？③有哪些黑白雷達遙感圖像增強方法？有哪些彩色雷達遙感圖像增強方法？④熟悉雷達影像處理後，思考下列問題：SAR圖像、多光譜圖像、高解析度圖像三者之間融合的方案，是否融合後的圖像具有高解析度多光譜穿透性強的特點？

實驗報告格式見附錄一。

D. 雷達後向散射系數有正數嗎

dB的概念是場強度P的自然對數！ 也就是ln(P)，通常探測強度比較小(小於1)，如果譚測量強度很大(大於1)，那麼探測的DB數可能大於0

E. 雷達干涉測量基本原理

InSAR獲取DEM技術的基本原理，是利用具有干涉成像能力的兩部SAR天線（或一部天線重復觀測），來獲取同一地區，具有一定視角差的兩幅，具有相乾性的單視復數圖像，並由其干涉相位信息，獲取地表高程信息，從而，重建地表的DEM。[1]
根據，安裝在平台上天線數目的多少，和數據獲取方式的不同，InSAR系統，可分為雙(多)天線系統和單天線系統。
雙(多)天線系統，是在SAR平台上，安置兩(多)部天線，其中一部天線，向地面發射雷達波，兩(多)部天線同時接收地面的後向散射回波，從而得到相應地區的兩(多)幅SLC圖像。
採用該方式可以同時獲取同一地區的主、輔圖像對，圖像之間的相乾性較好,有利於干涉處理和應用，但它對硬體技術要求較高，成本較昂貴；單天線系統是在SAR平台上安置一部天線，通過對同一地區的重復飛行進行觀測，得到測區兩幅具有相乾性的SLC圖像。
由於兩次成像之間，具有一定的時間間隔，地面狀況和散射特性可能已發生改變，並且難於保證合適的基線參數，因此與雙(多)天線系統相比，該方式獲取的圖像之間的相乾性較差。

F. 微波遙感數據預處理

微波遙感作為一種獲取地球表面信息的重要技術手段，已經在國內外得到了廣泛的應用和發展。隨著人們對遙感應用中定位精度要求的提高，對遙感數據的處理技術也提出了更高、更細的要求，這種要求就是圖像數據反映地物輻射特性的真實性和對地球表面幾何位置的准確性，它們直接影響遙感技術應用的精度和廣度。

（一）輻射標定

原始的SAR數據沒有經過嚴格的輻射標定，因而數據所反映的地物輻射特性與實際地物本身的輻射特性之間存在一定程度的差異。這類SAR圖像雖然能夠滿足一般的定性分析的精度要求，但是在很多實際應用中，往往要對圖像進行定量分析，如模式識別、目標分類等。因此為了使SAR數據能夠滿足定量分析精度的要求，就必須要對其進行輻射標定工作。有關原始SAR圖像輻射標定的演算法較多，常用的演算法是：

1∶25萬遙感地質填圖方法和技術

式中：I=10 lg（DN_ij）；

σ°——反射系數；

DN_ij——像元（i，j）的灰度值；

K——輻射標定常數；

R_n——像元（i，j）的斜距；

R₀——參考斜距；

a_n——像元（i，j）的入射角；

a₀——參考入射角；

G_sys——被標定SAR圖像的系統雷達天線增益；

G_sys0——確定K時的系統雷達天線增益。

輻射標定所需參數都可以直接從原始圖像數據頭文件中直接或間接獲取，標定後的圖像將原始圖像灰度轉換成後向散射系數。利用PCI軟體可以完成對雷達數據的輻射標定的處理。

（二）微波圖像雜訊與斑點的弱化處理

當成像雷達發射的是純相干波照射到目標時，目標上的隨機散射面的散射信號與發射的相干信號之間的干涉作用會使圖像產生相干斑點雜訊。這種斑點雜訊嚴重干擾了地物信息的提取與SAR圖像的應用效果，雜訊嚴重時，甚至可導致地物特徵的消失。在圖像信息提取時，這一現象往往產生假信息。因此，弱化斑點雜訊對SAR圖像的應用有著重要意義。

雜訊平滑與弱化的最好方法是利用同一地區的不同探測方向的兩幅或多幅雷達圖像進行振幅或密度的配准和輻射糾正，計算其差值圖像，就可以消除雷達數據本身固有的斑點雜訊。其他方法還有：

1.主成分分析法

RADARSAT-1 SAR數據的雜訊由於其固有性質，在通過主成分變換後雜訊往往分布在其中的某一個分量上。通過計算各分量的均值和方差就可以判斷哪個分量是以雜訊信息為主，而其他分量則為地物的微波散射信息。通常情況下，主成分分析具有以下特徵：

（1）主成分分析的數據變換前後的方差總和不變，只是把原來的方差不等量地再分配到新的主成分波段影像中。

（2）第一主成分包含了多波段影像信息的絕大部分，其餘主成分信息含量依次減少。

（3）各主成分的相關系數為零，即各主成分所含的信息內容不同。

（4）第一主成分相當於原來各波段的加權和，反映了地物總的反射或輻射強度；其餘各主成分相當於不同波段組合的加權差值影像。

（5）第一主成分降低了雜訊，有利於細部特徵的增強和分析。

（6）對於有些特殊異常的專題信息，往往通過主成分分析後在第二以上主成分影像上得到增強。

對微波遙感數據的主成分分析可以採用不同時相的SAR數據、不同參數的SAR數據或不同方法處理後的同一SAR數據進行主成分變換，可以起到弱化雜訊的目的。為不同方法處理後的同一SAR數據進行主成分變換後的SAR數據。

2.中值濾波技術

中值濾波技術由於其原理是建立在像元及其領域的統計特徵的基礎上，因而也廣泛地應用於雷達數據的雜訊處理中。對 n×n 大小的濾波核，處理後的中心點的像元值為該濾波核處理前所有像元值的中間值（彩圖1-3b）。中值濾波運算元的數學公式如下：

1∶25萬遙感地質填圖方法和技術

式中：X_ij——n×n窗口中的第（i，j）像元的灰度值；

M（X_ij）——n×n窗口中所有像元值的中間值。

3.濾波增強處理

由於散射信號產生的 SAR 圖像，受大量「斑點」雜訊影響，必須經過濾波預處理。針對雷達數據的固有的倍增雜訊特徵，設計的濾波運算元是基於局部統計及雜訊模型信息的，主要包括 Lee濾波、Frost濾波、Kuan 濾波、Gamma Map 濾波和 Average濾波。許多在多光譜數據處理中使用的濾波運算元如高通濾波、低通濾波、紋理濾波應用於雷達數據分析往往帶入大量的人工信息，針對上述問題，工作中使用以下一些濾波運算元。這些運算元不僅能較好地濾去高頻雜訊，而且能較好地保持影像邊緣和紋理信息；同時，處理後的圖像相對於原始圖像具有更好的對比性。尤以 Frost（彩圖1-3c）、Lee及其增強濾波運算元為佳。

目前常用的濾波有：①Frost自適應濾波；②Lee濾波；③Gamma Map斑點濾波；④Frost自適應增強濾波；⑤Lee增強濾波；⑥Kuan斑點濾波。

G. 後向散射的基本系數

吸收和散射都引起衰減。所以，衰減系數（attenuation coefficient）ka（λ）是吸收系數（absorption coefficient）kab （λ）和散射系數（scattering coefficient）ksc（λ）的總和
衰減系數（attenuation coefficient）描述介質（medium）的固有光學性質（IOP：inherent optical properties）。它的值是由介質內部各個組份的物理吸收特性、幾何散射特性以及各個組份的濃度決定的，與外部光源（或電磁波源）本身的強度無關。
輻照度（irradiance）和輻亮度（radiance）描述表觀光學性質（AOP：apparent optical properties）的光學量，它們的初始值依賴於外部光源強度，它們在空間的分布取決於外部光源強度和介質內部衰減率這兩個方面。
依據不同方法，測量的衰減系數可分為「漫衰減系數」（diffuse attenuation coefficient）和「光束衰減系數」（beam attenuation coefficient）兩種。與漫衰減系數對應的透射率被稱為漫透射率，與光束衰減系數對應的透射率被稱為光束透射率。
體積散射函數（volume scattering function）β（λ，θ）描述散射衰減系數的立體角分布，它的單位是m-1﹒sr-1
體積散射系數（volume scattering coefficient）ksc（λ）的單位是m-1，它與體積散射函數β（λ,θ）之間的關系是
前向散射系數（forward scattering coefficient）ksc－f（λ）等於
後向散射系數（backscattering coefficient）ksc－b（λ）等於

H. 後向散射系數和後向散射率有什麼區別,是不是根本就是兩回事兒

後向散射系數是表示後向散射截面（單站LCS）與入射光截面之比，而後向散射率是指90°～180°角內光束散射的輻射通量與入射輻射通量之比。 它們計算所得的結果應該是一樣的，其實研究激光雷達散射問題，只要研究LCS就行了。