侧视雷达图像的几何特征探析

1.侧视雷达图像的投影方式

侧视雷达构成影像的几何形态是按地面点到天线中心的斜距进行投影的。如图9-14所示，地面上两个目标A、B，对应像点为a、b。由于A与B相距很近，可认为∠ACB为直角，则地面距离Rg与其在电磁波传播方向的距离Rs之间的关系为：

Rs=Rgsinθ

上述公式表明，斜距Rs比地面距离Rg要小；而且同样大小的地面目标，离天线正下方越近，在像片上的尺寸越小。

图9-14　侧视雷达的斜距投影

2.雷达图像的比例尺

雷达图像是地面的斜距投影，当成像姿态标准时，图像在距离方向上的比例尺主要与侧视角有关。从图9-14可以看出：在斜距投影方式的雷达图像上，距离方向上比例尺是变化的。随着侧视角的增大，图像比例尺变大，所以在图像上有近地点被压缩、远地点被拉长的感觉，如图9-15所示。在飞行方向上的比例尺是固定的，它取决于平台飞行的速度和CCD记录的速度。

图9-15　斜距投影图像的几何变形

在记录回波信号时，如果雷达系统中采用延时斜距传播的时差，此时雷达图像显示的是地面距离，在平坦地区以平距显示的雷达图像，图像各处的比例尺都一致。

3.透视收缩与顶底位移

如图9-16所示，当雷达波束照射到位于雷达天线同一侧的斜面时，雷达波束到达斜面顶部的斜距Rs和到达底部的斜距Rs之差ΔR要比斜面对应的地面距离ΔX要小。因此在图像上的斜面长度被缩短了，这种现象称为透视收缩。

图9-16　透视收缩

下面计算收缩比K。在图9-16中，(www.xing528.com)

式中，θ为侧视角；α为坡度。当侧视角θ大于地面坡度α时，会出现透视收缩；而当θ=α时，收缩比为最小值0。

另外，当雷达波束到斜坡顶部的时间比雷达波束到斜坡底部的时间短的时候，顶部影像被先记录，底部影像被后记录，这种斜坡顶部影像和底部影像被颠倒显示的现象（与中心投影时的点位关系相比较而言）称为顶底位移，如图9-17所示。它是透视收缩的进一步发展。从收缩比公式可以看出：当0<α时会发生顶底位移现象。同样，对于背向天线的地面斜坡也存在透视收缩，只不过斜面长度看起来被拉长，如图9-18所示。当θ+α小于或等于90°时会出现背坡的透视收缩。

图9-17　顶底移位

图9-18　背坡的透视收缩

4.雷达阴影

在可见光遥感中，遥感像片上阴影的方向取决于太阳的方位。同时阴影的长度取决于地物自身的高度和太阳的高度角。而在侧视雷达像片上，阴影的方向和长短与太阳方位和太阳高度角无关。这是微波遥感影像与可见光遥感影像最大的区别。并且在微波遥感中，在斜坡的背后的地段，当θ+α大于90°时，雷达波束不能到达（如图9-19中的晕线部分），此时地面上该部分没有回波信号，从而在图像上形成阴影。阴影的影像呈黑色。阴影的长度L与地物高度h和侧视角θ的关系是：

h=Ltanθ

总之，无论顶底位移、透视收缩及阴影都是由于地形起伏所致。图9-20表示了不同起伏的地形状态与其影像之间的关系。A处前坡出现顶底位移，而后坡拉长且能够成像；B处前坡出现顶底位移，而后坡为雷达盲区，雷达图像上对应位置出现阴影；C处前坡完全重合为一点，而后坡被阴影遮盖；D处前坡出现透视收缩，而后坡被阴影遮盖。

图9-19　雷达阴影

图9-20　SAR图像中的地形影响