地理国情监测专业中关于SAR成像机理的实验教学研究

石书祝

【摘要】针对目前武汉大学地理国情监测专业学生对合成孔径雷达（SAR）成像机理理解不深的问题，本文设计并实现了利用地基SAR系统对地物目标进行成像的实验教学。作者将科学研究设备用于实验教学的尝试，加深了学生对SAR系统构架和成像机理的理解，培养了学生将SAR系统应用于地理国情监测的能力以及科学研究的兴趣。

【关键词】地理国情监测 合成孔径雷达 实验教学 成像机理

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）03-0012-02

【Abstract】At present， the students in the major of national geographical conditions monitoring of Wuhan University usually cant well understand the imaging principle of synthetic aperture radar （SAR）. In order to solve this problem， the experimental teaching in which the ground-based SAR is used to achieve the image of the target is designed and implemented in this paper. From this experimental teaching， the students can better understand the architecture of SAR and its imaging principle. Furthermore， the abilities of the students to apply the SAR in the area of national geographical conditions monitoring can be improved， and the interests of the students in scientific research can be inspired.

【Key words】National geographical conditions monitoring； Synthetic aperture radar； Experiment teaching； Imaging principle

地理国情是指包括国土疆域面积、地理区域划分、地形地貌特征、道路交通网络、江河湖海分布、土地利用与土地覆盖、城市布局和城镇化扩张、生产力空间布局、灾害分布等在内的自然和人文地理要素在宏观层面的综合表达，是基本国情的重要组成部分[1，2]。地理国情监测就是从地理的角度，综合利用现代测绘、遥感、地理信息系统、空间统计学、云计算、通讯等技术，在普查的基础上对自然、人文和社会经济要素进行动态、定量监测，并分析评估地理国情信息的时空特征和变化趋势，形成涵盖资源分布与利用、生态环境评估、区域规划、城镇化发展、经济布局、社会公共服务等诸多方面的地理国情监测产品[3]。

相对于目前常用的光学遥感手段，合成孔径雷达（SAR）应用于地理国情监测中时不受云、雨、雾等因素的影响，可全天时、全天候获取高分辨率影像，而且在长时间序列森林覆盖监测、地面沉降等方面具有很大的优势[4]。因此，SAR在地理国情监测中有非常大的应用潜力[5]。地理国情监测专业是武汉大学乃至全国第一个本科专业，从2012年招收本科生开始，针对遥感数据在地理国情监测中的应用目前已经开设了《遥感原理与应用》、《遥感图像解译》、《微波遥感》、《水利遥感监测》和《海洋遥感》等专业课程。由于缺乏SAR实物平台，这些课程对该系统构架和成像机理的講授都很肤浅，造成学生对SAR成像机制理解不深，进而限制了学生将SAR影像应用于地理国情监测的能力和兴趣。本文利用由国家自然科学基金项目资助研制的地基SAR系统，设计并实现了该系统对地物目标进行成像的教学实验。实验的目的是使学生掌握SAR系统构架和成像机理，了解不同地物目标在SAR影像上所呈现的纹理特征，培养学生将SAR应用于地理国情监测的能力和开展相应科学研究的兴趣。

一、地基SAR实验设备介绍

虽然目前地理国情监测都采用星载或机载SAR影像，但由于搭载平台的特殊性，难以给学生现场展示这两种系统的成像过程。地基SAR系统在系统构架和成像机理上与星载或机载SAR基本相同，方便现场操作和展示，适合作为SAR成像机理的教学实验设备。武汉大学研制的地基SAR系统作为一种便携式雷达，可用于对人工建筑物、山体滑坡等地物目标进行实时成像和形变监测，它主要由天线单元、收发单元、滑动轨道、控制单元、数据记录和处理单元以及电源构成，如图1所示。

该系统工作在Ku波段，通过在2米长的线性轨道上来回滑动提供合成孔径，同时通过在每个方位采样点上发射和接收步进频率连续波获得高距离向分辨率。采集数据由数据记录单元实时缓存，然后由处理单元调用成像算法对采集数据进行距离向和方位向的二维脉冲压缩，最后在笔记本电脑上显示地物目标的二维SAR影像。

二、地基SAR成像实验介绍

SAR作为一种新型遥感手段，尽管在科学研究中已有比较广泛的应用，但由于它涉及雷达原理、天线原理、信号处理等多种专业知识，在大学本科教学实验中的应用案例还非常少。依据武汉大学地理国情监测专业本科生的培养方案和课程安排的特点，我们利用地基SAR设计了相应的教学实验。

1.认识和实际操作SAR设备

首先向学生展示地基SAR设备的实物平台，向学生介绍系统的各个组成部分以及在系统中所起的作用，同时向学生介绍机载、星载SAR与地基SAR在系统结构上的差异，使学生对各种SAR的系统构架有比较好的掌握。endprint

然后向学生讲述地基SAR设备一些关键系统参数的设计依据，并结合启发式提问的方式，使学生认识SAR影像对应的各项参数的含义，以及掌握针对不同遥感监测需求如何去选择合适的SAR影像。比如：高分辨率SAR影像应用于地理国情监测中时具备哪些优势？系统的距离向分辨率和方位向分辨率与哪些因素有关？如果我们要获得0.5米的距离向分辨率，需要多大的信号带宽？

最后在学生充分了解实验设备结构及控制系统软件使用方法的基础之上，由学生亲自动手完成地基SAR的探测调试。在实验中，由学生自主设置系统工作参数，并通过对比分析参数改变前后SAR影像的变化，加深学生对系统各项参数的含义的理解。

2.SAR成像机理分析

在学生对SAR系统整体有比较清楚认识的基础之上，给学生展示如何在Matlab软件中利用经典的距离-多普勒（RD）成像算法处理采集数据并获得SAR影像，使学生理解系统成像机理。RD成像算法的流程图如图2所示[6]。另外，我们利用一个角反射器作为成像目标。

第一步，在Matlab软件中给学生展示由数据记录单元输出的SAR原始数据的格式，介绍如何构建距离向参考信号，以及演示如何通过快速傅里叶变换（FFT）运算完成距离向压缩，并给学生展示距离向压缩之后通过逆快速傅立叶变换（IFFT）得到的二维时域图。同时启发学生思考以下问题：SAR原始数据的格式为什么是二维的？通过距离向压缩，我们可以得到哪些信息？

第二步，給学生介绍距离徙动、驻相定理、多普勒中心频率等基本概念，演示如何利用辛格插值等操作完成距离徙动校正，并分别展示二次距离压缩和距离徙动校正之后的距离-多普勒域图。同时提出如下所示的启发式问题：距离徙动校正前后的距离-多普勒域图有什么变化？距离相同而方位不同的目标为什么会具有相同的距离徙动值？

第三步，给学生介绍如何构建方位向参考信号，以及演示如何通过FFT运算完成方位向压缩，并给学生展示方位压缩之后的二维聚焦SAR影像。同时引导学生探索新的知识，比如：由学生自己观察目标在SAR影像上对应的距离值和方位值，并比较分析目标实际与探测系统之间的纵向距离和横向距离值，发现其中的对应规律。

第四步，将目标设置在离探测系统不同的距离向和方位向上，并由学生亲自利用RD算法对观测数据进行成像处理。对成像过程中出现的问题，在老师的指导下由学生自己去查找原因，并对数据进行记录，对实验结果进行分析和总结。

3.不同地物目标在SAR影像上的纹理特征分析

通过利用地基SAR对角反射器进行成像的操作，并与《遥感原理与应用》、和《微波遥感》等课程中的讲述和理论结果进行对比，便于学生理解来龙去脉，从抽象到形象生动，最终达到学生深刻理解SAR成像机理的目的。但在将SAR影像实际应用于地理国情监测中时，比如基于SAR影像进行地表覆盖分类的研究，不同的地物目标在SAR影像上将呈现出与光学影像完全不同的特征，从而给学生在解译这类遥感图像时带来困惑。

基于该问题，我们设定了利用地基SAR探测植被、水坝、湖泊、大楼等野外实验题目。学生自由选题后，通过查阅文献资料构思实验计划、拟定实验步骤和写出详细的实验方案。在实验过程中，学生需要对探测数据、实验现象和出现的各种问题进行详细记录，并由老师指导学生尝试去分析和解释实验结果。实验完成后，学生以科技论文的形式写出实验总结。

三、结束语

通过地基SAR对地物目标进行成像的教学实验，加深了地理国情监测专业学生对SAR系统框架和成像机理的理解，培养了学生将SAR系统应用于地理国情监测的能力以及基于SAR影像开展各项科学研究的兴趣。在实验过程中，通过启发式提问、启发学生思考、引导学生探索新知识等教学方式，能够激发学生的学习兴趣和培养学生的创造能力。同时通过让学生亲自参与整个实验的设计、操作和结果分析，有利于培养和提高学生的动手能力、研究能力和创新能力。

参考文献：

[1]李德仁，眭海刚，单杰.论地理国情监测的技术支撑[J].武汉大学学报（信息科学版），2012，37（5）：505-512.

[2]陈俊勇.地理国情监测的学习札记[J].测绘学报，2012，41（5）：633-635.

[3]李德仁，丁霖，邵振峰.关于地理国情监测若干问题的思考[J].武汉大学学报（信息科学版），2016，41（2）：143-147.

[4]王军锋，乔明，魏育成，等.无人机机载SAR在地理国情监测中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2016，39（5）：61-64.

[5]王馨爽，刘玲玲，吴桐，等.多源遥感数据在地理国情监测中的应用[J].测绘标准化，2015，31（3）：5-7.

[6]耿淑敏，江志红，程翥，等.FM-CWSAR距离-多普勒成像算法研究[J].电子与信息学报，2007，29（10）：2346-2349.

基金项目：本文系国家自然科学基金青年基金资助项目（41504007）的研究成果。endprint