高分辨率SAR圖像橋梁目標(biāo)仿真與特性分析

張月婷　仇曉蘭　丁赤飚　雷　斌　付　琨（中國科學(xué)院電子學(xué)研究所　北京　100190）

②（中國科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室　北京　100190）

高分辨率SAR圖像橋梁目標(biāo)仿真與特性分析

張月婷*①②仇曉蘭①②丁赤飚①雷斌①②付琨①②
①（中國科學(xué)院電子學(xué)研究所北京100190）

②（中國科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室北京100190）

該文針對多徑散射特征，給出了一種高分辨率SAR圖像的仿真與特性分析方法，以橋梁目標(biāo)為例開展了分析，該仿真方法從SAR工作原理出發(fā)，利用幾何光學(xué)法計算和分析橋梁目標(biāo)的單次散射情況和多徑散射情況，并根據(jù)雷達(dá)工作原理和成像機(jī)理利用散射數(shù)據(jù)獲得仿真SAR圖像。文中選擇了悉尼大橋為研究對象，利用分辨率為1 m的Terra-SAR數(shù)據(jù)開展了實(shí)驗，仿真獲得的SAR圖像與實(shí)際SAR圖像的主要散射特征一致，驗證了方法的有效性；同時，根據(jù)仿真算法的分析過程，文中給出了悉尼大橋SAR圖像主要散射特征的細(xì)節(jié)解釋。實(shí)驗表明，該方法能夠有效獲得目標(biāo)的多徑散射特征，同時能夠有效輔助目標(biāo)的SAR圖像理解工作。

高分辨率SAR圖像；多徑散射；SAR圖像解譯；散射機(jī)理分析

1　引言

隨著合成孔徑雷達(dá)（SAR）圖像分辨率的提高，SAR圖像包含的目標(biāo)信息越來越豐富。在1 m分辨率及更高分辨率量級下，很多人造目標(biāo)，例如：建筑物、橋梁、車輛等目標(biāo)的圖像散射區(qū)域均具有細(xì)節(jié)特征［1－5］。理解圖像的這些細(xì)節(jié)特征的散射機(jī)理，建立圖像特征與目標(biāo)屬性參數(shù)之間的關(guān)系是SAR圖像信息有效利用的關(guān)鍵，只有建立了圖像特征與目標(biāo)之間的關(guān)系，才能高效地完成目標(biāo)參數(shù)提取、目標(biāo)識別等工作，而SAR圖像仿真是建立目標(biāo)屬性與圖像特征的“橋梁”。

在目標(biāo)的諸多特征中，多徑散射特征是一類重要的目標(biāo)特征，高分辨率SAR圖像的人造目標(biāo)的多徑散射特征的理解對于參數(shù)提取有重要意義［6－8］。本文將以橋梁目標(biāo)為例開展，圍繞多徑散射特征開展仿真和分析工作。

針對橋梁目標(biāo)SAR圖像的研究，已有的文獻(xiàn)多側(cè)重于基于直線檢測的橋梁目標(biāo)識別。本文針對高分辨率SAR圖像，旨在理解細(xì)節(jié)特征，給出一種仿真方法，并基于該方法給出特征分析結(jié)果。經(jīng)研究，由于單次散射和多徑散射的原因，橋梁目標(biāo)在圖像上多呈現(xiàn)為多條明亮兩線［9，10］，針對這些亮線特征的分析是橋梁目標(biāo)仿真及特征理解的關(guān)鍵，本著這樣的想法，本文方法從SAR工作原理出發(fā)，選擇利用幾何光學(xué)法和物理光學(xué)法計算橋梁目標(biāo)本身的單次散射及橋梁目標(biāo)同水面之間的多次散射，同時結(jié)合雷達(dá)成像原理獲得橋梁目標(biāo)的仿真圖像。同時，在仿真的基礎(chǔ)上，給出細(xì)節(jié)特征的理解。

本文的章節(jié)安排如下：第2節(jié)將給出仿真方法，并開展仿真實(shí)驗，給出仿真結(jié)果。第3節(jié)將在第2節(jié)基礎(chǔ)上討論和分析橋梁目標(biāo)的主要散射特征。第4節(jié)將給出本文的研究結(jié)論。

2　仿真及特性分析

2.1仿真與多徑散射特征分析方法

SAR圖像仿真是目標(biāo)特征理解的手段，如圖1所示，主要有物理建模、散射數(shù)據(jù)計算、圖像構(gòu)建3個步驟［4］。

目標(biāo)的電磁散射情況主要由目標(biāo)本身參數(shù)（包括背景參數(shù)）和雷達(dá)觀測參數(shù)決定，一方面，目標(biāo)本身參數(shù)主要包括目標(biāo)復(fù)介電常數(shù)和目標(biāo)幾何形狀（及背景的這兩項參數(shù)），目標(biāo)的復(fù)介電常數(shù)與目標(biāo)的材質(zhì)、涂敷等眾多因素相關(guān)，不同的天氣條件、不同的季節(jié)會或多或少會影響目標(biāo)的復(fù)介電常數(shù)，并且目標(biāo)不同的局部對應(yīng)各自不同的復(fù)介電常數(shù)。另一方面，雷達(dá)觀測參數(shù)主要有：頻率、觀測角度。基于以上的分析，完全符合實(shí)際情況的仿真參數(shù)是無法獲得的，一方面，目標(biāo)包括背景的所有幾何細(xì)節(jié)無法精確量測，另一方面，目標(biāo)表面對應(yīng)的3維復(fù)介電常數(shù)也無法全部精確獲得。因此，仿真方法均是實(shí)際情況的近似，仿真方法是否有效在于該方法能否有效輔助目標(biāo)識別和解譯工作。

圖1　仿真方法流程圖Fig.1　The flow chats of the simulation approach

本著這樣的想法，本文旨在提出一種仿真方法，旨在通過該方法，理解橋梁目標(biāo)的主要散射特征對應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，因此，本文暫不考慮目標(biāo)的材質(zhì)信息。將目標(biāo)考慮為金屬勻質(zhì)目標(biāo)，水面利用平面建模。

根據(jù)橋梁目標(biāo)多徑散射特征明顯的特點(diǎn)，本文采用了以下的仿真方法，具體步驟如下：

（1）物理建模

考慮到橋梁目標(biāo)與水面的多徑散射作用明顯，在物理建模步驟中，主要針對橋梁目標(biāo)的橋體、吊橋等主要組成部分完成橋梁目標(biāo)的建模，還需要建立水面的模型，本文近似地利用平面建立水面的模型，在此基礎(chǔ)上，將建立的模型利用三角面元離散化以便實(shí)現(xiàn)后續(xù)的散射計算過程。

（2）散射計算

橋梁目標(biāo)與水面的多徑散射顯現(xiàn)明顯，幾何光學(xué)法（Geometry Optics，GO）能夠有效模擬多徑散射機(jī)制，但不能處理非鏡面反射情況，物理光學(xué)法（Physical Optics，PO）可以處理非鏡面反射情況，因此在本文的仿真過程將綜合利用這兩個方法。

具體的步驟如下：

（a）設(shè)置初始射線組；

（c）利用PO計算射線最后彈出目標(biāo)的散射強(qiáng)度，根據(jù)PO，散射強(qiáng)度可以通過式（2）計算：

其中，Es和Hs表示r'處的散射場，S表示目標(biāo)表面被照明的部分。

值得注意的是，由于多徑散射機(jī)制，在計算多徑散射時，要考慮目標(biāo)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致的不同散射方向，具體到橋梁目標(biāo)中：橋體底部的某些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生多個方向的散射，因此，在具體的計算過程中，要考慮橋體底部的非鏡面反射方向與水面鏡面反射方向產(chǎn)生的散射線的相互作用。

（3）圖像構(gòu)建

圖像構(gòu)建過程是利用計算得到的散射數(shù)據(jù)獲得SAR圖像的過程，在目前的仿真算法中，圖像構(gòu)建的方法主要有兩類：2維頻域的方法和時域的方法，頻域法計算過程復(fù)雜，誤差傳遞情況不清楚，時域法在輔助目標(biāo)散射特征機(jī)理理解方面有優(yōu)勢，只是傳統(tǒng)方法沒有考慮合成孔徑因素的影響，本文將合成孔徑因素近似的考慮在其中，改進(jìn)了時域的圖像構(gòu)建方法。

圖2　合成孔徑過程中的多徑散射示意圖Fig.2　The sketch for the multi-path during the synthetic process

在具體的實(shí)現(xiàn)過程中，由于多徑散射機(jī)制的存在，某些射線首次與目標(biāo)相交的入射位置和最后彈射出目標(biāo)的位置是兩個不同的點(diǎn)位置，下面將計算最后的聚焦位置：圖2示意了一條多徑散射線：該射線到達(dá)目標(biāo)表面A點(diǎn)，經(jīng)過多徑散射從B點(diǎn)彈出。令η表示方位向慢時間，v表示雷達(dá)飛行速度，RMB表示多徑散射的路程。這里需要計算該條射線近似的聚焦位置，推導(dǎo)過程為：考察多徑過程在回波中產(chǎn)生的相位項，計算多徑過程對應(yīng)的多普勒頻率，根據(jù)SAR成像算法［11］，計算壓縮后的線性相位項以確定目標(biāo)的近似聚焦位置。根據(jù)文獻(xiàn)［11，12］和文獻(xiàn)［4］，多普勒頻率可推導(dǎo)求得：

其中，（dRMB（η））/（dη）項與具體的多徑散射情況有關(guān)，目標(biāo)場景越復(fù)雜，多徑路徑越復(fù)雜，該項數(shù)值越大。考慮到雷達(dá)與目標(biāo)的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)尺寸，近似有：RA/RB≈1，近似聚焦位置為：

式（4）給出了多徑路徑較為規(guī)則的情況下，多徑散射射線線方位向的近似聚焦位置。此外，在圖像構(gòu)建過程中，假設(shè)在合成孔徑角度內(nèi)、在雷達(dá)波段范圍內(nèi)目標(biāo)散射情況近似不變，利用雷達(dá)波束中心視角、中心工作頻率下的目標(biāo)散射情況獲得仿真SAR圖像。最后在仿真SAR圖像獲得的基礎(chǔ)上，需要將仿真圖像與實(shí)際圖像進(jìn)行比對，并針對散射特征給出產(chǎn)生機(jī)理，開展特性分析。

2.2實(shí)驗及分析

本文選擇了悉尼港大橋為研究對象，圖3給出了橋梁的照片［13］，可以看出，悉尼大橋的特征較明顯，金屬構(gòu)架且具有弧形拱結(jié)構(gòu)，本小節(jié)將利用2.1節(jié)所述的仿真方法針對該目標(biāo)開展仿真，并將仿真結(jié)果與實(shí)際Terra-SAR數(shù)據(jù)開展比對分析，解釋橋梁SAR圖像的主要細(xì)節(jié)特征。

圖3　悉尼港大橋［13］Fig.3　The photo of the Sydney Harbor Bridge［13］

首先給出仿真過程的參數(shù)設(shè)置。其中，橋梁的基本尺寸為：寬49 m，高59 m。在物理建模過程中，利用三角面元的方法針對橋梁目標(biāo)進(jìn)行了近似建模，考慮了橋體、橋拱、豎直和傾斜的橋索結(jié)構(gòu)，在散射計算過程中，計算了單次散射及橋梁和水面之間的多徑散射，圖像構(gòu)建方面，本文采用了文獻(xiàn)［11］提出的基于射線的SAR圖像構(gòu)建方法，假設(shè)該目標(biāo)在合成孔徑角度內(nèi)散射情況近似不變，利用中心頻率和波束中心視角下的散射情況近似模擬SAR圖像。雷達(dá)基本參數(shù)為：中心頻率9.6 GHz，入射角度為19°，分辨率為1 m。

仿真結(jié)果如下圖4所示，圖4給出了分辨率為1 m的Terra-SAR數(shù)據(jù)［1］和仿真獲得的SAR圖像，其中，實(shí)際數(shù)據(jù)是將不同時間重訪狀態(tài)下的數(shù)據(jù)疊加偽彩色顯示圖。對比二者可以看出，仿真獲得的SAR圖像與實(shí)際SAR圖像的基本特征基本一致，這從一定程度上驗證了本文方法的有效性。

圖4　SAR圖像與仿真圖像的對比Fig.4　The comparison between SAR image and the simulated image

3　特性分析

圖5給出了解譯標(biāo)注的示意圖，如圖5所示，S1，S2對應(yīng)橋體兩側(cè)的單次散射，可以通過測量S1 和S2之間的間隔近似得到橋梁的寬度；S3和S4對應(yīng)橋梁與水面相互作用而產(chǎn)生的2次散射機(jī)制，值得注意的是，橋拱與水面、橋體與水面的2次散射機(jī)制均對應(yīng)相同的圖像區(qū)域，由于雷達(dá)的入射方向的原因使得S3的散射強(qiáng)度要明顯大于S4的散射強(qiáng)度；S5是3次散射產(chǎn)生的亮線，它對應(yīng)橋體底面與水面相互作用而產(chǎn)生的3次散射機(jī)制；S6是5次散射產(chǎn)生的亮線，它對應(yīng)橋體底面與水面的5次散射機(jī)制；S7對應(yīng)橋體底面與水面的7次散射機(jī)制。其中，S5，S6，S7這3條亮線依賴于水面的波浪大小，當(dāng)水面波浪較大時，通常觀察不到這3條亮線。在圖像中隱約可以看到弧線A1和A2，通過仿真獲知，弧線亮線A1和A2對應(yīng)橋拱與水面的3次散射機(jī)制。以上是通過仿真過程解譯得到了細(xì)節(jié)信息的理解結(jié)果。此外，根據(jù)提出的方法，可以預(yù)測該目標(biāo)其它入射角度的SAR圖像，例如，圖6給出了入射角度為60°時的仿真圖像。

圖5　橋梁解譯標(biāo)注示意圖Fig.5　The interpretation sketch of the bridge

以上是針對悉尼大橋的目標(biāo)特性分析，一般而言，橋梁目標(biāo)在SAR圖像上的線特征顯著，單次散射、2次散射、3次散射對應(yīng)的線特征通常會穩(wěn)定地出現(xiàn)在圖像中，圖7（a）和圖7（b）分別給出了舊金山地區(qū)兩座橋梁的Terra-SAR圖像，該圖的分辨率為方位向6.59 m，距離向1.84 m，入射角度為39°，雷達(dá)工作頻率9.6 GHz，入射方向?qū)?yīng)圖像的由上至下?？梢钥闯?，3條明亮的線特征明顯，并且，3次散射對應(yīng)的亮線由于多徑散射的原因出現(xiàn)了模糊，這些現(xiàn)象均與悉尼大橋的特征保持了一致，有所不同的是，5次，7次散射對應(yīng)的線特征在圖像上沒有顯現(xiàn)，可以預(yù)測成像時的海面具有一定的波浪，使得高次的多徑散射變得很弱以至無法觀測。此外，從圖7（a）可以看出，部分橋梁吊索的3次散射特征呈現(xiàn)在圖像上，但該段吊索的直接散射特征確沒有出現(xiàn)，因此吊索的朝向和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)對圖像特征產(chǎn)生了很大的影響。實(shí)際上，橋梁目標(biāo)的散射特征與圖像的極化方式也有很大關(guān)聯(lián)?？傊鶕?jù)研究經(jīng)驗，橋梁目標(biāo)對應(yīng)橋體的單次、2次、3次散射的線特征通常會穩(wěn)定地出現(xiàn)在圖像上，這個特點(diǎn)對橋梁目標(biāo)的檢測與參數(shù)反演應(yīng)用具有積極的意義。

圖6　仿真SAR圖像（入射角度60°）Fig.6　The simulation SAR image for with incident angle of 60°

4　結(jié)論

本文給出了一種高分辨率SAR圖像仿真方法，該方法旨在分析目標(biāo)的多徑散射機(jī)制，同時選擇了橋梁目標(biāo)開展了討論，該方法利用雷達(dá)中心頻率、中心視角下的散射近似表征合成孔徑角度內(nèi)目標(biāo)的散射，綜合利用幾何光學(xué)法和物理光學(xué)法計算橋梁的散射機(jī)理，并考慮橋梁與水面的多徑散射機(jī)制。在實(shí)驗方面，選擇了悉尼大橋為對象開展了仿真，利用分辨率為1 m的Terra-SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，實(shí)驗結(jié)果驗證了方法的有效性，同時文中基于仿真過程給出了悉尼大橋高分辨率SAR圖像細(xì)節(jié)特征的解釋，并總結(jié)了橋梁目標(biāo)SAR圖像的主要特征。實(shí)驗分析結(jié)果從某種程度上表明該方法能夠有效仿真目標(biāo)的多徑散射機(jī)制，輔助SAR圖像中目標(biāo)的解譯工作。

圖7　舊金山地區(qū)兩座橋梁目標(biāo)的Terra-SAR圖像Fig.7　The Terra-SAR images of two bridges in San Francisco

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［13］http://www.uutuu.com/fotolog/photo/98470 ［OL］.1998.

張月婷（1983-），女，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所助理研究員，主要從事SAR 圖像仿真和SAR圖像理解領(lǐng)域的研究。

E-mail:zhangyueting06@mails.gucas.ac.cn

仇曉蘭（1982-），女，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副研究員，主要從事SAR成像處理領(lǐng)域研究。長期從事先進(jìn)體制SAR數(shù)據(jù)處理方面的研究工作，主要研究方向包括單/雙站SAR成像處理、干涉SAR處理、SAR星地一體化仿真技術(shù)等。參與中國遙感衛(wèi)星一號、六號等的成像處理系統(tǒng)建設(shè)、定標(biāo)信號分析等工作，參與高分重大專項等多個重大項目。丁赤飚（1969-），男，研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副所長，主要從事合成孔徑雷達(dá)、遙感信息處理和應(yīng)用系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究工作，先后主持多項國家863 重點(diǎn)項目和國家級遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)工程建設(shè)項目，曾獲國家科技進(jìn)步一等獎、二等獎各一項。

雷斌（1978-），男，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，信號處理與應(yīng)用技術(shù)研究實(shí)驗室主任，多源空間信息處理系統(tǒng)技術(shù)方向的學(xué)科帶頭人。作為項目負(fù)責(zé)人先后主持了中國遙感衛(wèi)星系列衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)、多星多傳感器地面系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究、多波段機(jī)載SAR機(jī)動成像處理系統(tǒng)、全國陸地觀測衛(wèi)星接收站網(wǎng)記錄系統(tǒng)等多項國家重大工程項目的研制工作。曾獲中科院杰出成就獎、軍隊科技進(jìn)步二等獎等獎勵。

付琨（1973-），男，研究員，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所所長助理，中科院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗室主任，高分辨率對地觀測國家重大專項地面系統(tǒng)專家組專家，高分辨率對地觀測國家重大專項航空系統(tǒng)專家組專家，數(shù)字鄂爾多斯專家組專家。主要研究方向為地理空間信息處理與可視化、地理空間數(shù)據(jù)挖掘、SAR圖像理解等。

The Simulation and Characteristics Analysis on High Resolution SAR Images of Bridges

Zhang Yue-ting①②Qiu Xiao-lan①②Ding Chi-biao①Lei Bin①②Fu Kun①②
①（Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）
②（Key Laboratory of Spatial Information Processing and Application System Technology，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

An approach for simulation and analysis on the high resolution Synthetic Aperture Radar（SAR）images is provided and bridges are chosen for analysis.According to the principle of SAR，the Geometry Optics（GO）is employed to calculate the direct scatterings and multi-path scatterings of the bridge in this approach.In this study，the Sydney Bridge is chosen for analysis，and the Terra-SAR data with 1 m resolution is used.The results show that，the main properties of the bridge with the simulation and the real data are consistent，which tests the validity of the approach.Furthermore，according to the simulation process，the main scattering characteristics of the SAR image of the Sydney Bridge are interpreted.The experiments show that this approach can provide the main scattering characteristics of the target，and also show that it can be helpful for SAR images interpretations.

High resolution SAR images； Multi-path scattering； SAR image interpretation； Scattering mechanisms analysis

TN959.1+7

A

2095-283X（2015）01-0078-06

10.12000/JR14139

張月婷，仇曉蘭，丁赤飚，等.高分辨率SAR圖像橋梁目標(biāo)仿真與特性分析［J］.雷達(dá)學(xué)報，2015，4（1）:78-83.http://dx.doi.org/10.12000/JR14139.

Reference format:Zhang Yue-ting，Qiu Xiao-lan，Ding Chi-biao，et al..The simulation and characteristics analysis on high resolution SAR images of bridges［J］.Journal of Radars，2015，4（1）:78-83.http://dx.doi.org/10.12000/JR14139.

2014-11-20收到，2015-03-11改回

國家自然科學(xué)基金（61401429）資助課題

張月婷zhangyueting06@mails.gucas.ac.cn