1.4. RADARSAT 产品介绍

RADARSAT 产品包含 RADARSAT1 和 RADASAT2 两中产品

1.4.1. RADARSAT1 产品

RADARSAT1 雷达参数与工作模式

RADARSAT SAR 平台工作参数信息 可以从 这里 查到.

RADARSAT1的详细参数在 这里 . 可知 RADARSAT1 成像模式为右视 (right looking) 条带式(stripmap mode) 成像, 属于 \(C\) 波段雷达, 极化方式为 HH 极化. 轨道倾角 ( Orbital Inclination ) 为 \(98.6^°\) 与雷达的斜视角 ( Squint Angle ) 不同, 由于轨道倾角 (相对于地球赤道的倾角) 为 \(98.6^°\), 所以卫星处于太阳同步轨道 (参见 太阳同步轨道 小节), 经过南北两极. 成像时用到的RADARSAT雷达参数如 表 1.2 所示.

表 1.2 RADARSAT1平台参数

参数	符号	值	单位
航天器航向		344.49	\(°\)
平台纬度		48.36	\(°\)
平台经度		229.29	\(°\)
平台高度	\(H\)	793-821	km
平台速度(等效速度)	\(V_r\)	7062	m/s
距离向天线长度	\(L_r\)	1.5	m
方位向天线长度	\(L_a\)	15	m
雷达波长	\(\lambda\)	0.05657	m
雷达载频	\(f_c\)	5.3	GHz
脉冲宽度	\(T_p\)	41.75	\(μs\)
距离向调频率	\(K_r\)	-7.2135e+11	Hz/s
距离向带宽	\(B_r\)	30.12	MHz
距离向采样率	\(F_{rs}\)	32.317e+6	Hz
距离向采样数	\(N_{r}\)	9288
方位向调频率	\(K_a\)	1733	Hz/s
方位向采样率	\(F_{as}=PRF\)	1256.98	Hz
方位向采样数	\(N_{a}\)	不定, 19438
多普勒中心频率	\(f_{\eta_c}\)	-6900	Hz
成像分辨率	\(\Delta_a × \Delta_r\)	\(8 × 8\)	m
轨道运行周期	\(T_o\)	100.7	min
卫星轨道半径	\(r\)	7149752	m
地球极地半径	\(R_e\)	6356752	m
地球平均半径	\(R_e\)	6367856	m
轨道倾角		98.6	\(°\)
近距入射角		38.64	\(°\)
中距入射角		40.15	\(°\)
远距入射角		41.61	\(°\)

不同成像模式下分辨率, 幅宽, 入射角不一致. 如入射角 (Incidence Angles) 在精细 (Fine) 成像模式下为 \(34-47^°\), 在标准 (Standard) 成像模式下为 \(20-49^°\), 扩展先进模式下为 \(52-58^°\). RADARSAT支持的波束模式以及不同模式下的幅宽与分辨率如 表 1.3, 表 1.4 所示.

表 1.3 RADARSAT1的波束模式及对应幅宽分辨率1

波束模式	幅宽(km)	近似分辨率(m)
低分辨100m	500	100
中分辨50m	350	50
中分辨30m	125	30
中分辨16m	30	16
高分辨5m	30	5

表 1.4 RADARSAT1的波束模式及对应幅宽分辨率2

波束模式	幅宽(km)	近似分辨率(m)
Fine	45	8
Standard	100	30
Wide	125	30
ScanSAR Narrow	300	50
ScanSAR Wide	500	100
Extended High	75	18-27
Extended Low	170	30

提示

幅宽是波束一次扫描照射的宽度, 即波束距离向上在地面的投影宽度.

RADARSAT1 参数分析

该小节通过查询的RADARSAT1工作参数, 计算部分成像需要的参数.

下面进行一些参数的计算, 其中地球半径取极地半径 \(R_e=6356752\) m, 引力常量 \(G_e=3.98603e14 {\rm m^3/s^2}\).

• 卫星轨道半径 \(R_s = R_e+H ∈ [6356752+793000, 6356752+821000]=[7149752{\rm m}, 7177752{\rm m}]\)

• 轨道运行周期 \(T_o = 2π \sqrt{\frac{R_s^3}{Ge}} ∈ [100.3{\rm min}, 100.9{\rm min}]\)

• 卫星运行角速度 \(\omega_s = 2\pi/T_o \in [0.00103785{\rm rad/s}, 0.00104406{\rm rad/s}]\)

• 卫星飞行速度 \(V_s = R_s \omega_s \in [7420.419{\rm m/s}, 7494.042{\rm m/s}]\)

距离向调频带宽 \(B_r = |K_r|T_p = 30.12e6 Hz\), 距离向分辨率 \(\Delta_r = c/2B_r = 4.98m\) 但是查到的是 \(8m\), 这是怎么回事呢, 这是因为上述计算的是斜距分辨率, 其地距分辨率为 \(\Delta_x = \Delta_r/{\rm sin}\theta_i ≈ \Delta_r/{\rm sin}38.64^° ≈ 8.08m\). 其中, \(\theta_i\) 表示入射角.

由多普勒中心频率 \(f_{\eta_c} = 2V{\rm sin}\theta_s/ \lambda\) 可以计算出斜视角约为 \(\theta_s ≈ -1.58^°\), 即后侧视.

由方位向采样率及方位向采样点数可知方位向采样时间 \(T_{a} = N_{a}/F_{as} = 15.464s\), 这些时间内, 雷达方位向飞行的距离为 \(VT_{a} = 108987.85m\).

由距离向采样率及距离向采样点数知距离向采样时间为 \(T_{r} = N_r/F_{rs} = 28.74e-3s\)

RADARSAT1 数据读取

数据简介

数据源于书籍 [2][1] 中提供的温哥华(Vancouver)地区的RADARSAT1数据, 其场景图如 图 1.18 所示. 部分典型的地标已经在图上标出, 含史丹利公园(Stanley Park), 哥伦比亚大学(University of British Columbia), 温哥华机场 (Vancouver Airport)等等.

图 1.18 Image of Vancouver scence

数据格式与读取

RADARSAT1 数据采用CEOS(参见 CEOS 小节)格式记录存储数据, 文件后缀是 .001, 数据及读取源码可在作者 主页 下载, 也可以使用本书作者开发的雷达处理库 iprs 读取. 代码 1.8 给出了读取到的书籍 [2] 中提供的RADARSAT1数据中的文件头记录信息:

代码 1.8 File header information in Radarsat1 raw data file

Record sequence number [(1, 4), '1B4', [1]]
l-st record sub-type code [(5, 5), '1B1', [63]]
Record type code [(6, 6), '1B1', [192]]
2-nd record sub-type code [(7, 7), '1B1', [18]]
3-rd record sub-type code [(8, 8), '1B1', [18]]
Length of this record [(9, 12), '1B4', [16252]]
ASCII/EBCDIC flag [(13, 14), '1A2', ['A ']]
1Blanks [(15, 16), '1A2', ['  ']]
Format control document ID [(17, 28), '1A12', ['CEOS-SAR-CCT']]
Format control document revision level [(29, 30), '1A2', [' B']]
File design descriptor revision letter [(31, 32), '1A2', [' B']]
Generating software release and revision level [(33, 44), '1A12', ['MSSAR 7.7.1 ']]
File number [(45, 48), '1I4', [2]]
File name [(49, 64), '1A16', ['RSAT-1-SAR-RAW  ']]
Record sequence and location type flag [(65, 68), '1A4', ['FSEQ']]
Sequence number location [(69, 76), '1I8', [1]]
Sequence number field length [(77, 80), '1I4', [4]]
Record code and location type flag [(81, 84), '1A4', ['FTYP']]
Record code location [(85, 92), '1I8', [5]]
Record code field length [(93, 96), '1I4', [4]]
Record length and location type flag [(97, 100), '1A4', ['FLGT']]
Record length location [(101, 108), '1I8', [9]]
Record length field length [(109, 112), '1I4', [4]]
Reserved1 [(113, 113), '1I1', [[]]]
Reserved4 [(116, 116), '1I1', [[]]]
Reserved segment [(117, 180), '1A64', ['                                                                ']]
Number of SAR DATA records (nominal) [(181, 186), '1I6', [19438]]
SAR DATA record length (bytes) [(187, 192), '1I6', [18768]]
Reserved1 (blanks) [(193, 216), '1A4', ['    ']]
Number of bits per sample [(217, 220), '1I4', [8]]
Number of samples per data group (or pixels) [(221, 224), '1I4', [2]]
Number of bytes per data group (or pixel) [(225, 228), '1I4', [2]]
Justification and order of samples within data group [(229, 232), '1A4', ['    ']]
Number of SAR channels in this file [(233, 236), '1I4', [1]]
Number of lines per data set (nominal) [(237, 244), '1I8', [19438]]
Number of left border pixels per line [(245, 248), '1I4', [0]]
Total number of data groups per line per SAR channel [(249, 256), '1I8', [[]]]
Number of right border pixels per line [(257, 260), '1I4', [0]]
Number of top border lines [(261, 264), '1I4', [0]]
Number of bottom border lines [(265, 268), '1I4', [0]]
Interleaving indicator [(269, 272), '1A4', ['BSQ ']]
Number of physical records per line [(273, 274), '1I2', [1]]
Number of physical records per multi-channel line [(275, 276), '1I2', [1]]
Number of bytes of prefix data per record [(277, 280), '1I4', [180]]
Number of bytes of SAR data (or pixel data) per record (nominal) [(281, 288), '1I8', [18576]]
Number of bytes of suffix data per record [(289, 292), '1I4', [0]]
Reserved2 [(293, 340), '1A48', ['      13 4PB  49 2PB  45 4PB  21 4PB  29 4PB    ']]
Blanks [(341, 368), '1A28', ['                            ']]
Reserved3 [(369, 400), '1A32', ['                                ']]
SAR Data format type identifier [(401, 428), '1A28', ['COMPLEX INTEGER*2           ']]
SAR Data format type code [(429, 432), '1A4', ['CI*2']]
Number of left fill bits within pixel [(433, 436), '1I4', [4]]
Number of right fill bits within pixel [(437, 440), '1I4', [0]]
Maximum data range of pixel (max-min value for I and Q) [(441, 448), '1I8', [15]]

可见, 数据格式为 CEOS-SAR-CCT, 该数据共 \(19384\) 行脉冲数据, 每行为一次脉冲回波, 一个脉冲含 \(9288\) 个距离单元, 每个像素含实部(I)虚部(Q)共2个字节, 故每行脉冲含18576个字节, 文件头记录长度为16252字节.

危险

RADARSAT1 原始信号数据记录不是固定长度, 每8帧会多出一段长度为2880字节(1440个复数)的数据, 这些数据是发射脉冲复制品 (transmitted replica), 其中心频率是 \(0Hz\), 线性调频率为 \(0.72135e+12 Hz/s\), 该信号为数字生成信号, 且4-bit量化存储, 不够精确, 因而本书中不使用.

AGC补偿

RADARSAT1 数据成像

全部区域成像

图 1.19 和 图 1.20 给出了温哥华地区的单视成像结果(进行了降采样, 距离向与方位向尺度均缩小为原来的四分之一, 插值采用cubic插值), 图 1.22 和 图 1.21 给出了温哥华地区的多视成像结果(视数为4, 多视处理后未进行降采样). 在CSA成像处理完成后, 还需要进行一些增强后处理操作(本节结果未进行RCS换算, 仅进行对数增强, 数值截断图像增强操作, 参见 对数增强 小节), 才能得到图示结果, 若不进行, 图像会比较暗, 对比度低. 可见与书籍 [2][1] 中图3.6的结果基本一致.

图 1.19 所示为对数增强后, 对区间 \([20, 50]\) 之外的数据进行截断处理的结果, 图 1.20 所示为对数增强后, 对区间 \([30, 50]\) 之外的数据进行截断处理的结果, 图 1.22 所示为对数增强后, 对区间 \([10, 50]\) 之外的数据进行截断处理的结果, 图 1.21 所示为对数增强后, 对区间 \([20, 50]\) 之外的数据进行截断处理的结果.

图 1.19 Single look imaging result (with truncation parameters \(a=20, b=50\)) of Chirp Scaling Algorithm.

图 1.20 Single look imaging result (with truncation parameters \(a=30, b=50\)) of Chirp Scaling Algorithm.

图 1.21 Multiple looks (4, 4) imaging result (with truncation parameters \(a=10, b=50\)) of Chirp Scaling Algorithm.

图 1.22 Multiple looks (4, 4) imaging result (with truncation parameters \(a=20, b=50\)) of Chirp Scaling Algorithm.

警告

首先, 本节结果未进行RCS转换, 其次, 使用Python中的Matplotlib, PIL, Opencv或MATLAB显示出来的图看起来像是有很多噪声点, 将矩阵保存成 .tiff 图像后, 用其它显示软件打开则相对平滑, 如 图 1.23 所示.

图 1.23 View imaging image with different programs. (a) Ubuntu Document Viewer, (b) ASF view program, (c) Matlab’s imshow(), (d) Python’s plt.imshow().

部分区域成像

如前所述, RADARSAT1 幅宽为 \(45km\), 距离向采样点数为 \(Nr = 9280\), 每个像素点的距离分辨率为 \(\delta_x=45000/9280 = 4.85\) (注意这只说明距离向过采样, 距离向的地距分辨率仍然为先前计算的 \(8m\) ). 取数据中的 \(1536\times 2048\) 个像素作为待成像区域, 则地理区域为 \((1536\times \delta_y) \times (2048\times \delta_x) = 8896m\times 15886m)\).

以史丹利公园区域数据为例, 如 图 1.24 所示为该区域的地图, 其地理区域区域范围测量结果已经在图中标出, 与上面计算的区域基本一致. 图 1.25 为matplotlib工具显示的该区域数据CSA成像结果, 其中, 坐标轴已经对应到实际距离, 可见与计算和地图测量结果基本一致. 图 1.25 显示的结果已经进行了下采样, 图 1.24 给出了该区域未进行下采样的成像结果.

图 1.24 Eath Map of Stanley Park

图 1.25 Imaging result of Chirp Scaling Algorithm (Stanley Park) shown by matplotlib.

图 1.26 Imaging result image of Chirp Scaling Algorithm (Stanley Park).

图 1.27, 图 1.28, 图 1.29 分别给出了哥伦比亚大学(UBC), 温哥华机场(Vancouver Airport), 斯阔米什(Squamish Garibaldi) 地区数据的CSA算法成像结果.

图 1.27 Imaging result of Chirp Scaling Algorithm (UBC).

图 1.28 Imaging result of Chirp Scaling Algorithm (Vancouver Airport).

图 1.29 Imaging result of Chirp Scaling Algorithm (Squamish Garibaldi).

1.4.2. RADARSAT2 产品介绍

RADARSAT2 雷达参数

Footnotes

1

这里是指轨道倾角 ( Orbital Inclination ), 与雷达的斜视角( Squint Angle ) 不同.