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合成孔径雷达的图像外观

2021.6.03

  以下考虑因素也适用于实际孔径地形成像雷达,但当距离分辨率与仅可从合成孔径雷达获得的交叉波束分辨率相匹配时,这些因素则显得更为重要。

  雷达图像的二维是距离和交叉距离。有限地形的雷达图像类似于倾斜的照片,但不是从雷达位置拍摄的。这是因为雷达图像中的距离坐标垂直于倾斜照片的垂直角度坐标。因此,观看这种图像的视入瞳位置(或摄像机中心)不在雷达上,而是像在观察者的视线垂直于连接雷达和目标的倾斜距离方向的点上,倾斜距离从图像的顶部到底部增加。

  因为水平地形的倾斜范围在垂直角度上有所不同,所以这种地形的每一个高度都表现为一个曲面,组成一个双曲余弦函数曲面。不同范围的垂直方向与这些曲线垂直。观察者的观察方向平行于曲线的“hypcos”轴。雷达正下方的物体看起来就像是从水平方向(即从侧面)进行光学观察,而远处的物体看起来就像是从正上方进行光学观察。除非看到大范围的近距地形,包括陡峭的倾斜范围,否则这些弯曲是不明显的。

  如上所述,小区域的高分辨率雷达图像看起来非常像熟悉的光学图像,原因有二。第一个原因很容易通过想象场景中的旗杆来理解。其上端的倾斜范围小于其底部的倾斜范围。因此,只有当从上面的方向观察时,电极才能正确地显示为顶端朝上。其次,雷达是向下照射的,阴影在他们最熟悉的“头顶”方向。

  需要注意的是,极点顶部的图像将覆盖一些地形点的图像,这些地形点位于相同的倾斜范围弧上,但处于较短的水平范围(“地面范围”)。面向照明和视眼点的场景表面的图像将具有与从该眼点观看的光学场景相似的几何形状。然而,面向雷达的坡度将会缩短,而背向雷达的坡度将会从其水平(地图)维度上延长。因此,前者会变亮,而后者会变暗。

  从比垂直于倾斜范围更陡的斜坡返回的数据将被覆盖在更近地面范围的低海拔地形上,两者都是可见的,但是混合在一起。对于垂直表面,如建筑物的墙壁,情况尤其如此。当一个表面比垂直于倾斜范围更陡时,另一个不利之处是它在一个面上被照亮,但是从反面进行“观察”。例如,当建筑物的内部和后壁(离观察者最近,因此预期对观察者来说是光学可见的)由于缺乏照明而消失在前壁和屋顶的阴影中时,人们就好像从内部“看到”了建筑物的雷达护面墙。从屋顶返回的部分光线可能覆盖前墙返回的部分光线,两者都可能覆盖从建筑物前面的地形返回的波。可见的建筑阴影将包括所有照明项目的阴影。由于照明天线在创建图像所需的“时间曝光”期间的移动,长阴影可能会造成边缘的模糊。

  如果粗糙度包括小于雷达波长的起伏,我们通常认为粗糙的表面将表现为光滑的镜子,在这样的表面之外,还会显示出它前面物体的附加图像。这些镜像会出现在镜像表面的阴影内,有时会填满整个阴影,从而妨碍对阴影的识别。

  适用于SAR但不适用于真实孔径雷达的一个重要事实是,任何场景点的叠加方向不是直接朝向雷达,而是朝向SAR当前路径方向上最接近目标点的那一点。如果合成孔径雷达向前或向后“眯着眼”远离精确的宽边方向,那么照明方向和阴影方向将不会与覆盖方向相反,而是从覆盖方向向右或向左倾斜。当观察时,图像将出现正确的投影几何形状,使得覆盖方向垂直,合成孔径雷达的飞行路径在图像上方,并且范围稍微向下增加。

  合成孔径雷达场景中运动的物体会改变回波的多普勒频率。因此,这些物体出现在图像中的位置与它们的速度的距离方向分量成正比。道路车辆可能被描绘成离开道路,因此不被识别为道路交通项目。远离轨道出现的列车更容易被识别,因为它们平行于已知轨道的长度,以及没有相同长度的铁路标记和一些相邻的地形,两者都被列车遮蔽。虽然运动船只的图像可以偏离其尾流早期部分的线,但尾流的较近期部分仍然参与船只的一些运动,表现为连接船只图像和相对静止的远尾尾流的曲线。在这种可识别的情况下,移动物体的速度和方向可以根据它们的偏移量来确定。目标运动的轨迹分量会产生一些散焦。随机运动,例如风驱动树叶、在崎岖地形上行驶的车辆、人类或其他动物行走或奔跑,通常会使这些物品无法聚焦,导致模糊甚至有效的隐形。

  这些考虑以及相干性导致的散斑结构需要一些时间来正确解释合成孔径雷达图像。为了帮助实现这一点,通过在已知的地形和物体上进行多次试飞,可以积累大量重要的目标特征。

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