SARscape——地理编码与辐射定标

一、算法原理

1、概述

SAR系统观测到的是电磁波入射地球表面后反射（后向散射）的雷达脉冲的强度和相位信息。这个信息编码到雷达坐标系统下，即斜距坐标系，被记录下来。在一些应用中，需要将SAR数据从斜距坐标系转到地理坐标系。这个过程就是SAR数据的地理编码（Geocoding）。

雷达传感器测量的是发射脉冲和接收信号强度的比，这个比值称为后向散射。经过辐射定标的后向散射强度信息，不受SAR数据观测几何（不同SAR传感器或不同接收模式）的影响，相当于归一化到同一标准下，可以进行对比和分析。这个过程就是SAR数据的辐射定标（Calibration）。
根据雷达方程，SAR数据辐射定标的公式为：
$P_d=\frac{P_t\cdot G_t^{A}(\theta_{el},\theta_{az})\cdot G_r^{A}(\theta_{el},\theta_{az})\cdot \lambda^{3}\cdot G_r^{E}\cdot G_p}{(4\pi)^3\cdot R^3\cdot L_S\cdot L_a}\cdot A \cdot \sigma^o+P_n$

其中：

$P_d$ 为传感器接收到的后向散射强度。
$P_t$ 为传输功率。
$P_n$ 为附加功率。
$G^A$ 为透视和接收天线增益。
$G^E$ 为雷达接收器的电流增益。
$G_p$ 为处理器常数。
$R$ 为距离传播损耗。
$\theta_{el}$ 为天线仰角。
$\theta_{az}$ 为天线方位角。
$L$ 为大气和系统的损耗。
$A$ 为散射面积。

总的来说，SAR数据的辐射定标参数包括：散射面积 $（ A ）$ 、天线增益 $G_2）$ 和距离传播损耗 $R^3）$ 。
为了得到定标所用到的几何参数，需要输入DEM文件，所以在SARscape中，地理编码和辐射定标的操作是在同一个工具中完成的，在地理编码的时候可以计算出定标参数。
定标结果是无量纲的（单位是linear），由于后向散射的量级都比较小，实际工作中便于分析往往会转成dB的单位，如果要输出dB为单位的定标结果（10*log10 of the linear value），可以选择相应单位的定标结果输出。

定标结果一般采用以下命名：

Sigma——后向散射系数，就是通常说的散射体反射回来的雷达强度，单位是dB
Gamma——用入射角归一化的后向散射系数
Beta——雷达亮度（反射率）系数
要输出某个形式的后向散射系数，也可以通过地理编码时的参数设置实现。

2、参考文献

[1] SARscape中SAR数据的地理编码和辐射定标
[2] 刘秀芳,刘佳音,洪文. SAR图像地理编码处理流程的研究 [J]. 遥测遥控, 2005, (04): 12-18.
[3] 彭江萍,丁赤飙,彭海良. 星载SAR辐射定标误差分析及成像处理器增益计算 [J]. 电子科学学刊, 2000, (03): 379-384.

二、软件操作

（1）Toolbox 中，选择/SARscape/Basic/Intensity Processing/Geocoding/Geocoding and Radiometric Calibration。
在这里插入图片描述

（2）在Geocoding and Radiometric Calibration面板：

数据输入（ Input Files ）面板，单击 Brower 按钮，选择所要处理的SLC数据。
可选文件（Option Files），控制点文件和散射范围文件。
投影参数（DEM/Cartographic System），输入DEM文件或投影信息提供地理编码的坐标系信息。若是输入DEM数据，最后输出结果默认以DEM投影参数为准。如果不输入DEM数据，则设置Output Projection。

• 参数设置（Parameters）面板，主要参数（Principal Parameters）
像元大小（X Grid Size）：20
像元大小（Y Grid Size）：20
辐射定标（Radiometric Calibration）：是否进行辐射定标，选择True就是进行辐射定标。
散射面积（Scattering Area）：选择辐射定标的话，该参数激活。散射面积用于辐射定标，有两个选项，Local Incidence Angle是运算快，对地形起伏大的区域，精度低一些；true area方法运算时间长，精度高。默认的是Local Incidence Angle的方法。
辐射归一化（Radiometric Normalization）：是否进行辐射归一化，选择True就是进行辐射归一化，要在下面设置归一化的方法。默认为False。
辐射归一化方法（Normalization Method）：提供两个辐射归一化方法，Cosine correction方法是后向散射变异系数只在距离向做补偿；Semi-empirical correction方法是后向散射系数变异系数既考虑了距离向也考虑了地形条件。选择辐射归一化不选择，该参数激活。
局部入射角校正（Local Incidence Angle）：是否生成每个像元的入射角文件。默认为False，不生成。
叠掩/阴影处理（Layover/Shadow）：是否生成叠掩/阴影区域的掩膜文件，默认为False，不生成。
生成原始几何（Additional Original Geometry）：是否生成斜距或者地距的定标结果。默认为False，不生成。
输出类型（Output type）：定标结果的输出单位，默认为Linear，可以选择dB，或者两者都输出。

•数据输出（ Output Files): 输出路径和文件名按照默认，自动添加了 _geo 的后缀。

（3）单击 Exec 执行。
在这里插入图片描述
完成后，结果在ENVI中自动加载并显示_slc_pwr_geo数据。

如果选择了辐射定标，查看_geo数据的DN值，就是sigma后向散射系数，默认得到的是linear的值。

默认的辐射定标的结果是sigma，如果要得到gamma或者beta，在Geocoding和Radiometric Calibration面板中的参数设置，选择Other Parameters参数，设置相应的定标结果。
在这里插入图片描述
如果辐射定标的结果在后向散射很大的区域存在NaN值，说明该像元的后向散射系数超过了软件设定的阈值，可以在Geocoding和Radiometric Calibration面板中的参数设置，选择Other Parameters参数，将Max Value in Calibration参数调大。默认是5。