极化 SAR 数据中的单视和多视

极化 SAR 数据中的单视和多视

一、引子

在极化 SAR 数据处理过程中，有这样两个名词会反复出现，即：单视（Single Look）数据和多视（Multi Look）数据，但是对于很多人来说，常常不能很清楚的区分这两个名词之间差别（当然包括笔者自己也常常犯迷糊，时而清醒，时而糊涂），所以这篇文章就想系统的说说极化 SAR 数据中的单视（Single Look）和多视（Multi Look）到底分别代表着什么，希望至此之后，这个问题不再成为一个问题。

二、SAR 成像的几何结构

在谈单视（Single Look）和多视（Multi Look）的概念与区别之前，需要做一些铺垫。

首先，先来简单了解一下 SAR 成像的一个基本原理，主要有以下几个要点，（大致的示意图如图 1.1 所示）

• SAR 成像系统是一种侧视雷达传感器，其照射方向垂直于航迹方向；

• 航迹方向即通常所说的 “方位向” (azimuth) (y)；

• 雷达视线(Radar Line Of Sight, RLOS) 对应了射线轴 (r) 为 “斜距向” (slant range) ；

• 天线波束照射在由 “地距向” (ground range) (x) 和 “方位向” (y) 构成的平面上形成了“天线照射区”(Antenna footprint)；

• 天线波束扫描的范围称为 “雷达幅宽” (radar swath)；

• 距离向 宽度 (\(\Delta X\)) 和方位向宽度 (\(\Delta Y\)) 的近似表达式为，

  \[\Delta X \approx \frac{R_0\theta_{X}}{\cos\theta_0}\quad \text{and} \quad \Delta Y \approx R_0\theta_Y,\]

  其中，\(R_0\) 是雷达到天线照射区中心处的距离，具体定义如下，

  \[R_0 =\frac{R_{\mathrm{MIN}}+ R_{\mathrm{MAX}}}{2}\]

  式中，\(R_{\mathrm{MIN}}\) 和 \(R_{\mathrm{MAX}}\) 分别代表 “近距” (near range)[离天底点 (nadir point) 最近的距离]及 “远距” (far range)；而 \(\theta_X\) 和 \(\theta_Y\) 为天线孔径，定义如下，

  \[\theta_X \approx \frac{\lambda}{L_X} \quad \text{and} \quad \theta_Y \approx \frac{\lambda}{L_Y}\]

  式中，\(L_X\) 和 \(L_X\) 为天线的物理尺寸，\(\lambda\) 是与发射信号载频相对应的波长。

注：上面提到的一些概念（比如：方位向、斜距向和地距向等）对于后续进行极化 SAR 数据处理（比如：多视平均）来说极为关键。

三、SAR 空间分辨率

空间分辨率是评估 SAR 成像系统质量的重要指标之一，它表征了成像雷达分离两个邻近散射体的能力。合成孔径雷达的分辨率分为，

• 距离向分辨率：指沿着雷达收发回波的方向；
• 方位向分辨率：指沿着雷达平台运动的方向

此外，合成孔径雷达还会区分，

• 斜距分辨率：指雷达录取回波数据平面上的分辨率（即下图 1.4 中斜距平面上的分辨情况）；
• 地距分辨率：指将斜距分辨投影到地面上的分辨率

3.1 距离向分辨率

为了在距离向获得高分辨率，需要发射大功率的短脉冲信号，即：需要满足下面两个条件，

• 必须保证雷达发射脉冲持续时间非常短，即：短脉冲信号。
• 为了保证能够检测到反射信号（即：需要保持一定的信噪比），需要发射大功率的信号。

但是，在实际使用中受雷达硬件设备的限制，很难同时满足上述两个条件。

只能在二者中进行一定的取舍，最后的选择是在一个长脉冲内发射大功率的信号，再利用 “脉冲压缩” (pulse compression) 技术，使得能够达到与发射短脉冲相类似的距离分辨率。

简单来说，利用 “脉冲压缩” 技术，可以在脉冲持续时间 $T_P$ 内对发射信号的频率进行线性调制，接收到的长脉冲信号经过匹配滤波器后，其有效持续时间被压缩为 $1/B$。由此可得斜距分辨率为，

\[\delta_r = \frac{c}{2B}\]

式中，$c$ 为光速，$B$ 为带宽。由斜距分辨率 $\delta_r$​ 可得地距分辨率为，

\[\delta_x = \frac{\delta_r}{\sin\theta} = \frac{c}{2B\sin\theta}\]

式中，\(\theta\)​ 为入射角。由此可见，地距分辨率将在幅宽内发生非线性变化。

3.2 方位向分辨率

下面先来看看一个列子，简单感受一下什么叫方位向分辨率，也即是前面提到的分离两个邻近散射体的能力。

假设现在沿方位向排列着三个目标（A，B 和 C，如下图 1.1 所示），当沿方位向排列的两个目标（A 和 B）同时出现在天线波束中时，它们所产生的反射回波将同时被接收（即：这目标 A 和 B 将会被视作同一个目标）。

与此相对的是，只有当雷达继续前进，波束外的第三个目标（C）所产生的反射回波才能被接收到，此时前两个目标（A 和 B）已经在照射区域以外，因此第三个目标（C）能够被单独记录下来。

由此可见，对于真实孔径雷达来说，只有当两个目标沿方位向或顺轨方向的距离超过雷达波束宽度时，才能对它们进行分辨，由此可以得到距离 \(R_0\) 处的瞬时方位向分辨率为，

\[\delta_y = \Delta Y = R_0\theta_Y = \frac{R_0\lambda}{L_Y}\]

由上式可见，获得方位向高分辨率需要大尺寸的天线，即：\(L_Y\) 很大。由此，可以顺便解释一下 “合成孔径”（Synthetic Aperture） 的概念，即：通常说的 SAR，就是指合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar）。

所谓的 “合成孔径” 其实是建立了一种无须大尺寸天线就可以实现高分辨能力的解决方案。其原理是利用实际传感器天线沿方位向移动，形成比其物理尺寸更长的有效天线。自然，合成孔径的最大长度不能超过散射体被照射期间的飞行距离，即天线照射区在地面上的投影尺寸(\(\Delta Y\))。

当对距离 \(R_0\) 处的散射体沿航迹方向进行相干叠加观测时，其方位向分辨率为，

\[\delta_y = \frac{L_Y}{2}\]

上式中方位向分辨率仅与雷达系统实际天线的物理尺寸有关，而与距离和波长无关。

四、单视数据和多视数据

4.1 单视（Single Look）

单视（Single Look）数据，通常指的是单视复数数据（Single Look Complex，SLC），它是原始的最高分辨率数据，但是从单个像元散射的雷达回波信号的相干叠加，导致强度信息有很多噪声。

以经常被使用的 RADARSAT - 2 的 San Francisco 数据为例（在之前的文章中曾详细介绍过该数据，在这就不再累述）， 打开产品信息文件（product.xml），从 productType 一项中可以得知该数据为 SLC (Single Look Complex)，即单视复型产品。

而什么叫所谓的 SLC 数据呢，同样从产品信息文件（product.xml）中可以探知一二，即距离向视数（number of Range Looks）和方位向视数（number Of Azimuth Looks）都是 1。

4.2 多视（Multi Look）

这时候很自然会引出多视数据的概念，即：距离向视数或者方位向视数不为 1（通常会在距离向进行多视处理）。

进一步解释一下，就是在SAR处理器中，一组信号样本将整个合成孔径分成几个子孔径，每个子孔径代表相同场景的独立观测。

举个简单的例子来说，假设把孔径划分为 4 段，在每一段上都对相同场景进行成像，即：每一段都能形成一个图像，也就对应着一个 S 矩阵，而每一个 S 矩阵又对应这一个 T/C 矩阵，系统级上直接输出 四个 T/C 矩阵的均值，就得到图像就是四视多视数据。

从上述过程中（结合前面的铺垫），大致可以理解为什么说单视复数数据（Single Look Complex，SLC），它是原始的最高分辨率数据，因为它的合成的孔径很长，即大尺寸天线，所以能够获得方位向高分辨率。自然，对于多视处理来说，牺牲了合成孔径的长度，即天线的尺寸，所以也就降低了方位向的分辨率，但是提高 SAR 图像的信噪比，有效抑制斑点噪声。

4.3 多视处理

为了有效效抑制斑点噪声的影响，除了前面提到的在系统级进行多视处理之外，当得到一个 SLC 数据，也可以通过算法在应用层面对 SLC 数据进行多视处理，这其中最重要的是等效视数（Equivalent Number of Looks, ENL）的计算，通过等效视数确定滑窗的大小，然后进行滤波。在这里就不展开讲了，之后会专门写一篇文章说说如何对 SLC 数据进行多视平均。

五、写在最后

最后简单总结一下文章的重点，关于极化 SAR 数据中的单视和多视，

• 单视主要指的是单视复数数据（Single Look Complex，SLC），即：距离向视数（number of Range Looks）和方位向视数（number Of Azimuth Looks）均为 1。它是原始的最高分辨率数据，但是从单个像元散射的雷达回波信号的相干叠加，导致强度信息有很多噪声；
• 多视主要指的是在单视的基础之上为了抑制斑点噪声的影响，所采取的相应策略，主要分为两种，
  • 系统级上的多视处理，将整个合成孔径分成几个子孔径，每个子孔径代表相同场景的独立观测；
  • 算法层面的多视处理，通过计算等效视数确定滑窗大小，然后对单视数据进行滤波。