雷达图像模拟城市结构

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1、 1利用雷达图像模拟城市结构 Dominik Brunner(1) Guido Lemoine, (2) Harm Greidanus, Lorenzo Bruzzone(3) (1) Student Member, IEEE (2)Member, IEEE (3)Fellow, IEEE 摘要摘要 随着近期具有高分辨率的TerraSAR-X 和 COSMO-Sky传感器对地中海地区进行数 据观测，使得SAR模拟器的潜力大大提高。本文提出了一种新的雷达成像装置，我们简单地把 雷达图像模拟器假设为一个工具，它达到了一个精度和效率的平衡点。使用该装置能准确地获 得SAR图像中对象的几何特性的模拟，

2、而不仅仅是一个详细的辐射模拟。该模拟器是基于扩展 射线跟踪程序来确定哪个表面通用对象是由后向散射产生的。后向散射系数是由朗伯镜面混 合模型白平衡计算获得的。该模拟器已经成功地应用于一个模型，即从高分辨率SAR影像中检 测出三维人造物体。在这里，我们介绍其在两个完全不同结构中的应用，它们是长方形的平屋 顶楼房建筑和埃及金字塔。 1 简介 随着新的高分辨率 SAR 传感器的发展，成像雷达模拟器越来越受到欢迎，例如，地中海 地区的 COSMO-Sky 和 TerraSAR - X 卫星的空间分辨率已达到 1m， 而且它们支持在不同配置 （例如，视角）下，以一种相对简单的、廉价的、快速的方式来完成人工

3、目标（例如，建筑 物）后向散射的调查和解译。此外，它们在教育中扮演了一个非常重要的角色，例如，现场 解译人员通过人工分析 SAR 图像提取特殊信息进行训练，学习者们也通过熟悉 SAR 图像以 及它的特征来进行学习。 各种基于不同模拟技术和散射模型的模拟器都在文献中有所提出， 基于基尔霍夫物理光学 （PO）和几何结构光学（GO）的散射、时域有限差分（FDTD）方法，积分方程法（IEM）在 文献中都有所提到。这些模型都考虑了表面粗糙度（即，均方根高度和相关长度）和介电性能 来计算散射系数。然而，有文献中使用漫反射和镜面反射模拟光照模型，特别是对较大范围的 地区，这些散射模型往往是结合射线跟踪技术完

4、成的，该模型中射线从天线发出开始跟踪到达 目标地面，直到返回到传感器为止。标准射线追踪的缺点就是光线只反映在镜面方向，如果表 面非常光滑（如：金属）这将是一个很有效的方法，这意味着，从粗糙表面返回的非镜面散射 可以忽略。 近期， 人们提出了一种基于光栅的快速模拟器， 它能够支持最先进的图形处理单元。 部分文献中，说明了雷达成像模拟器是如何仅仅利用 SAR 影像来检测出三维人造物体和 评估破损的。该方法重复模拟多次，以找到最合适的高分辨率 SAR 数据，这种情况下需要一 个快速模拟器和针对信息提取的地区，在该地区的表面粗糙度参数和介电性能一般都是未知 的，所以不能轻易地采用PO、GO、IEM或F

5、DTD法。因此，需要使用简化散射模型，这里考虑2 到雷达的成像机制，而不是与模拟绝对辐射影响有关的材料性能和表面粗糙度参数，这种模型 可以准确地表示该区的几何特性以及近似估计散射的相对差异。 本文中，我们详细地介绍了一种全新的、简单的雷达图像模拟器（忽略合成孔径影像）， 它对于城区结构的几何特性的精确模拟以及相对辐射差异的近似估计都是很有效的。 该方法有 两个特殊创新点：1）通过在多个方向上增加射线反射来扩大标准射线追踪，同时也反映了粗 糙表面的非镜面反射；2）我们引入一个朗伯散射和镜面反射的可调混合辐射模型来计算表面 的后向散射，重点模拟与表面粗糙度相关的影响，忽略材料的节电性。这种模拟器包

6、含了多路 径散射，因此它能够模拟多个物体之间的相互作用，比如相邻建筑物之间的关系。下面的两个 例子用来说明该模拟器的时效性：1）基于机载雷达数据，用该模型模拟一个矩形尖顶建筑； 2）与TerraSAR - X点波束数据比较，模拟一个复杂的塔形结构。 2 方法比较 A增强射线追踪 在图1所示的雷达成像模型的几何图中，min表示近距端入射角，slr表示斜距差。设定要 模拟的图像区域 （尖顶建筑） 的三个笛卡尔坐标起始值 0 , 0 , 0,=zyx， X、 Y表示水平方向， Z表示竖直方向，传感器的方位角方向是Y方向，h表示传感器高度，因为已有min的值，所 以传感器的初始位置也可以通过计算得到：

7、hhS, 0),tan(min= 。从传感器到第一个距离 窗的距离用SR=min表示。这个模型不再利用合成孔径，而是直接假设雷达波束限制在方位 角为a的范围内。这样能在忽略合成孔径影响的条件下提高模拟的有效性。该模拟器从方位向 分辨率的第一个单元开始计算，以a为间隔，在y方向上计算距离向线。模拟雷达照射在距 离向上形成的一系列的窄波束锥形（波束逼近），这些射线用Miri,.,1, =表示，对应的每 个射线ir的入射角用i表示。两个入射角的差值用表示，其值可由近距端的斜距确定： +=min sirminarccosRh(1) 图1 雷达图像距离向的几何原理 3为了确保合适的分辨率，和方位向间隔可

8、以相应减小。 传感器在每个方位向单元里释放的初始射线的数量为M，这决定于区域里对象的范围大 小。射线数量必须足够多才能照射到所有在距离向上的散射现象（如：阴影效应），例如：射 线Mr照射到远距端xM上。 这里，()=minMM，()hhxMM/tanarctanmin+=。 每个射线照射在对应分辨单元表面的一个小区域上，引起所有方向的散射。一般在标准射 线追踪中仅考虑镜面反射的射线， 而在该方法中， 追踪所有方位向平面束内的散射射线， 例如： XZ平面。 将范围限制在XZ平面内， 是因为在方位向波束以外的射线反射后将不在这个平面内， 也就不能返回到雷达，这就是说雷达接收不到这样的射线（图2）。

9、唯一能使雷达接收到XZ平 面以外的射线的方法就是射线发生多次反射最终反射到XZ平面中，这种多次反射在本模型中 忽略不计。对于每一个追踪射线都需要检测它是否在其它表面元素上发生散射，这样就最大化 地对反射进行了重新定义。 实验对不同型号的简单3D结构进行测试， 结果表明经过多次散射的 射线对总的后向散射影响不大，但是所有反射回雷达的射线都参与到最终的后向散射里。 具体的后向散射几何示意图如图3所示，其中n表示曲面法线，lr表示直接从传感器发射 过来或者从某个物体反射(包括多路径)过来的射线。l表示入射角，Slr ,表示经过镜面反射的 射线，Njrjl,.,1,=表示其它方向反射的射线，jl,表示

10、射线jlr,的反射角。镜面反射Slr,可表示如下：()()SljlSljljlrrrra,arccos=这个用来计算jlr,射线反射能量的大小。 图2 1点的散射线反射到2处，仅在XZ平面的射线（方位向波束）能返回到雷达 图3 表面的反射射线 4 在将射线控制在XZ平面里这点上时我们忽略了以下内容：1）镜面反射强度很大，但是它仅发生在一些平滑的几何结构上；2）漫反射能返回到XZ平面，但是它们的强度非常弱。 B 辐射模型 表面微波的散射是由镜面反射和漫反射组成的，散射程度取决于表面的粗糙程度。对于一个理想光滑表面，它的散射都是镜面反射，而对一个理想的粗糙表面，它的散射根据漫反射定 律能反射到所有

11、方向上。表面越粗糙镜面反射越弱，漫反射越强。上节讲过，对XZ平面的所有射线进行追踪，能使模型除了朗伯漫反射成分之外还包括镜面反射。 在每一个射线和表面的交点， 都计算出返回传感器的能量大小以及反射线方向的散射能量大小。后者就是二次反射（如果存在的话）的散射能量的总和。用基本散射面积为A对应的射 线空间作为分辨单元标准来模拟对象。 ( ) ( )( )a izixl nnrA+=2cossincos （2） 其中, xn和zn分别表示x和z方向曲面法线。记传感器发出射线的入射角为l、i（见图1）， 它们只有在水平地面发生首次反射的时候才相同。 每个面积单位为A的区域的后向散射0= A，0为NRC

12、S。对于NRCS，基于双朗伯模型和镜面反射系数定义以下朗伯反射及镜面反射混合模型 ( )()( )()Cdjlq jl jllq jl jll = , , , 02cos0cos0cos2cos0cos0cos （3） 其中，C为绝对散射水平。因为不需要继续计算绝对辐射效应，所以可以忽略C。参数q 0表示表面是镜面，因此它采用了表面粗糙度和雷达波长。表面越平滑q值越大。如果是理想水平表面，q值为无穷大。类似的，如果是朗伯表面，q值为0。由图4可见镜面的NRCS特性及其反射角情况。忽略对应于雷达90角范围内后向散射的反射角。反射角为0说明反射方向为法线方向，绝对反射角对应于雷达方向的散射。图表表

13、明，q=0，在法线方向的最大值周围分布广泛，因此，表面越光滑，在镜面反射方向的最大值峰谷分布越尖。 尽管这个模型的实现可以容纳相干射线追踪模拟，但是本应用不使用这种模拟。材料结构的模拟，例如汽车，需要使用相干方法，甚至可以采用去除非镜面反射的方法。但是，由于模 拟了城市表面结构，就需要考虑它们在x波段的粗糙度。在这种情况下，用非相干模拟（在朗伯和镜面混合模型中允许存在一些镜面反射）就可以了。 在第一个实例中，模拟三维几何实体要用低水平元素，利用这些几何结构可以计算与射线的交点坐标。我们实现的是处理平面、三角形及空间的低水平元素。这里，要想模拟一个建筑 物或者塔形物体，需要在模拟之前将三维场景三

14、角化。 5图4 用公式（3）得NRCS，入射角为前向散射（40入射角）时忽略后向散射对应的反射角 3 总结 A.平屋顶楼层建筑 为了证明模拟器的成果，如第一个例子，选择一个大小适中的有三角屋顶结构的建筑，建筑如图5（a）所示，位置为德国多斯坦(514025 N，70019E)，由机载AeS-1（Intermap技术有限公司）传感器获得。获取的参数以及用于模拟的参数由表1给出。建筑物主要成分是砖，建筑物周边是草坪。因为草坪的表面粗糙度比砖的要大，所以在选择建筑物周围的q值时要比建筑物本身的q值小些。确定的经验值要与真实值最佳相似。对机载数据进行预处理，用方位向比距离向为4：2对图像进行多视处理，

15、这将产生一个相同数量的多视为2.59，接近正方形的像素空间（方位向上0.64m，斜距0.76m）的建筑物规格为15.9 m27.1 m12.0 m (宽长 高)，屋顶倾斜角度为35，入射角为42。 表1 获取参数和模拟参数 参数 机载/房屋 TerraSAR-X/金字塔 数据获取日期 2003-03-13 2007-07-02 模式 - 高分辨率 方位角分辨率 0.16m 1.4m 斜距分辨率 0.38m 1.1m 入射角 28-52 53 地面 q 值 12 10 建筑物 q 值 20 10 6 图5 （a）建筑物照片； （b）建筑物三维模型； （c）孟卡拉金字塔一角照片； （d）金字塔三维模型 图6中， a显示了实际SAR图像中的建筑物， d是对图像进行2.59的多视后的对应的模拟结果， 图5b显示的是由14个低水平元素组成的三维模型，所示的建筑物结构是由实际场景测量出来 的， 然后将信息输入到模拟系统中。 从几何上讲， 模拟雷达图像和实际雷达图像最大误差为1.4m （方位向和距离向）。这种误差是由于模拟所依据的实地测量的不准确性决定的。从图6（b） 的单反射图像可以得出主要的强散射特征结果是由斜屋顶的直接后向散射获得的。另一方面， 图6（c）所示的双次反射图像中的L形条纹是由面向传感器的墙面及地面组成的角反射器产生 的。在最终的图像中这些条纹不明显