一種多極化SAR簡縮極化模式定標方法與流程
2023-05-21 15:08:51 1
本發明涉及一種多極化SAR簡縮極化模式定標方法，屬於合成孔徑雷達(SAR)數據處理
技術領域：
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背景技術：
：星載合成孔徑雷達(SAR)作為一種重要的高解析度微波遙感對地觀測手段，近幾年來受到越來越多的重視。SAR具有全天時、全天候的工作能力，且可以在多頻段、多極化方式下獲得目標的高解析度圖像，因此在地形測繪、海洋監測、減災防災、農業、林業和軍事偵察等領域發揮著重要作用。簡縮極化模式(CompactPolarimetry)是多極化SAR的一種重要工作模式，通過利用雙極化SAR系統來構建觀測目標的偽全極化信息。本發明針對的簡縮極化模式是採用發射圓極化信號，同時接收H和V線極化信號的工作方式。相對於傳統雙極化SAR系統，簡縮極化模式不但可以獲得兩個正交接收極化通道(H和V)的幅度信息，還可以獲得他們的相對相位信息。可以在大幅降低SAR系統複雜度、成本、重量、數據率等條件下獲得接近全極化模式的系統性能，同時測繪帶寬可以達到全極化模式的兩倍，因而作為一種新的極化工作模式具有廣闊的發展應用前景。由於SAR系統的非理想特性，不同極化通道之間存在極化串擾和幅相不平衡誤差，這些誤差將導致簡縮極化模式測量得到的目標極化數據失真，從而無法真實準確地反映目標極化特性和散射機理，不能滿足多極化雷達實際應用需求，必須通過簡縮極化定標技術來對系統極化失真參量進行標定和校正，從而獲取地物目標真實的極化散射矩陣，進而進行極化相關應用模型的反演。A.Freeman等在2008年EUSAR會議上發表了題為「較長波長簡縮極化模式定標」的文章，初步提出了誤差影響下簡縮極化模式的定標模型和可能的定標方法思路，但未給出具體定標方法。陳杰等在2011年IEEE期刊上發表了題為「利用混合雷達定標器進行低頻段星載簡縮極化模式定標」的文章，該文章提出了一種利用角反射器和有源定標器等不同定標器的組合來解算極化失真參量的簡縮極化模式定標方法。該方法假設所有定標器的絕對幅相值已知，歸一化後等效為理想散射矩陣然後基於簡縮極化定標模型來解算極化失真參量。而實際上不同定標器的絕對幅相值是很難精確獲得的，且不同定標器間絕對幅相值也會不一致，這將導致利用該方法進行實際定標時會引入誤差，實用性較差。技術實現要素：本發明的技術解決問題：克服現有簡縮極化模式定標方法的不足，提供了一種改進的多極化SAR簡縮極化模式定標方法，本方法僅利用角反射器即可完成對簡縮極化模式極化失真參量的定標，設備需求簡單；定標算法利用角反射器不同極化通道分量的相對比值來解算極化失真參量誤差，不需要精確已知每個角反射器的絕對幅相值，且對於不同角反射器的絕對幅相值一致性沒有要求，因而對角反射器加工精度要求相對較低，實用性更強。該方法能夠實現高精度的多極化SAR系統極化失真參量定標，有效提高目標觀測信號的準確性和數據質量，對於簡縮極化模式SAR系統具有重要意義。本發明的一種多極化SAR簡縮極化模式定標方法，主要為多極化SAR簡縮極化模式極化失真參量定標，極化失真參量定標的步驟如下：(b1)在數據預處理後定標場簡縮極化SAR圖像中提取四種不同類型角反射器的極化散射矩陣；(b2)基於簡縮極化模式定標算法進行接收通道幅相不平衡定標；(b3)對不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道不平衡校正；(b4)利用經過接收通道不平衡校正的不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道極化串擾定標和發射通道極化串擾定標；(b5)由此完成多極化SAR簡縮極化模式全部極化失真參量定標，後續可以利用這些極化失真參數對簡縮極化SAR圖像進行校正。本發明技術解決方案：一種多極化SAR簡縮極化模式定標方法，該方法的步驟包括：定標設備布設、定標場簡縮極化SAR數據預處理和極化失真參量定標三部分；該定標方法基於布設有四種不同類型角反射器的定標場簡縮極化SAR圖像來進行，因而需要在定標場布設四種不同類型的角反射器，包括：三面角反射器、0°二面角反射器、22.5°二面角反射器和45°二面角反射器；四種角反射器布設在測繪帶中心區域；一種多極化SAR簡縮極化模式定標方法，該方法的步驟為：(1)布設定標設備；定標設備包括四種不同類型的角反射器，分別為三面角反射器、0°二面角反射器、22.5°二面角反射器和45°二面角反射器；四種角反射器布設在覆蓋定標場的測繪帶中心區域，四種角反射器互相之間的距離不小於100m；(2)衛星過境獲取步驟(1)中布設有四種角反射器的定標場的簡縮極化SAR原始數據，得到的原始數據經過成像處理後，生成定標場的簡縮極化SAR圖像；(3)對步驟(2)得到的定標場的簡縮極化SAR圖像進行輻射校正，所述的輻射校正包括天線方向圖校正和距離功率衰減校正；所述的天線方向圖校正方法為：步驟(2)得到的SAR圖像中的每個像素點乘以該像素點對應的天線方向圖的幅度值G(θ)的倒數，即所述的天線方向圖是利用SAR輻射外定標測量獲得的；所述的距離功率衰減校正方法為：步驟(2)得到的SAR圖像中的每個像素點乘以其中Ri為距離向第i像素位置對應斜距，Rn為近距端斜距，c為光速，Fs為距離向採樣頻率，i為距離向像素位置，R0為測繪帶中心對應斜距；如果SAR系統工作頻段為P頻段或L頻段，還需要對輻射校正後的定標場簡縮極化SAR圖像進行法拉第(Faraday)旋轉校正，所述的法拉第(Faraday)旋轉校正方法為：經過輻射校正後SAR圖像的散射矩陣左側乘以Faraday旋轉角校正矩陣；所述的Faraday旋轉角校正矩陣為：其中，其中，K為常數，大小為2.365×104，B表示磁通量密度，表示入射波法線方向與地球磁場方向的夾角，θ表示入射波法線方向與衛星垂直向下方向的夾角，表示磁場相關參數按照400km高度計算，TEC表示總電子濃度；(4)在步驟(3)經過輻射校正後的定標場簡縮極化SAR圖像中提取四種不同類型角反射器的極化散射矩陣，其中三面角反射器的極化散射矩陣為0°二面角反射器的極化散射矩陣為22.5°二面角反射器的極化散射矩陣為45°二面角反射器的極化散射矩陣為其中，S1RH表示三面角反射器RH通道圖像對應值，S2RH表示0°二面角反射器RH通道圖像對應值，S3RH表示22.5°二面角反射器RH通道圖像對應值，S4RH表示45°二面角反射器RH通道圖像對應值；S1RV表示三面角反射器RV通道圖像對應值，S2RV表示0°二面角反射器RV通道圖像對應值，S3RV表示22.5°二面角反射器RV通道圖像對應值，S4RV表示45°二面角反射器RV通道圖像對應值；(5)利用步驟(4)提取的四種角反射器的極化散射矩陣進行接收通道幅相不平衡定標；所述的接收通道幅相不平衡定標方法為：令則所述的接收通道幅相不平衡f為：其中A＝P-2K3NB＝Q+jNK3(K1+K2)C＝-jM(K1+K2)+(K1-K2)NM＝K2K4+j(K1+K2)(K4-K3)/2-1N＝j+(K1-K2)(K3-K4)/2-jK2K4P＝(K3-K4)[2+K3(K1-K2)]Q＝M[2+K3(K1-K2)]-j(K1+K2)(K3-K4)(6)利用步驟(5)獲得的接收通道幅相不平衡f來對步驟(4)獲得的四種不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道不平衡校正；校正方法為：對步驟(4)獲得的四種不同類型角反射器的極化散射矩陣的左側分別乘以矩陣(7)利用步驟(6)獲得的經過接收通道不平衡校正後的四種不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道極化串擾定標和發射通道極化串擾定標；所述的接收通道極化串擾包括接收通道H極化到V極化的串擾δ1和接收通道V極化到H極化的串擾δ2，所述δ1和δ2的定標方法為：所述的發射通道極化串擾δc的定標方法為：δc＝(1-X)/2其中，(8)由此完成多極化SAR簡縮極化模式全部極化失真參量定標，後續可以利用這些極化失真參數對簡縮極化SAR圖像進行校正，從而可以有效提高目標觀測信號的準確性和數據質量。本發明與現有技術相比的有益效果是：(1)本發明提出的多極化SAR簡縮極化模式定標方法僅利用角反射器即可完成對簡縮極化模式極化失真參量的定標，設備需求簡單，成本低，且角反射器重量小，便於外場布設。(2)相比於現在定標方法，本發明提出的簡縮極化模式定標算法利用角反射器不同極化通道分量的相對比值來解算極化失真參量誤差，因而不需要精確已知每個角反射器的絕對幅相值。(3)本發明提出的簡縮極化模式定標方法對於不同角反射器的絕對幅相值一致性沒有要求，因而對角反射器加工精度要求相對較低，實用性更強。(4)本發明提出的簡縮極化模式定標方法僅利用角反射器作為定標器，成本低，可以利用多組角反射器在不同觀測區域進行定標，從而抑制隨意誤差的影響，提高極化失真參量定標精度。(5)本發明提出的簡縮極化模式定標方法可以有效克服上述定標方法的不足，且設備需求簡單，實用性強，精度高。(6)本發明提出了一種多極化SAR簡縮極化模式定標方法，該方法包括：定標場簡縮極化SAR數據預處理和極化失真參量定標兩部分。定標場簡縮極化SAR數據預處理主要完成簡縮極化SAR數據的輻射校正和法拉第(Faraday)旋轉校正；極化失真參量定標利用常見的不同類型角反射器作為參考定標器，基於定標模型推導了簡縮極化模式定標方法，即簡縮極化模式極化失真參量標定方法。該方法可以精確地對極化失真參量進行標定，且定標算法不依賴於角反射器的絕對RCS值，可以有效避免不同角反射器RCS不一致引起的定標誤差，算法穩健性好，實用性強。附圖說明圖1是本發明方法數據處理流程圖；圖2是本發明實施例中布設的三角形反射器；圖3是本發明實施例中布設的二面角反射器；圖4是本發明實施例中RADARSAT-2定標場SAR圖像；表1是本發明實施例中基於本發明定標方法定標精度。具體實施方式如圖1所示，一種多極化SAR簡縮極化模式定標方法，該方法的步驟為：(1)布設定標設備；定標設備包括四種不同類型的角反射器，分別為三面角反射器、0°二面角反射器、22.5°二面角反射器和45°二面角反射器；四種角反射器布設在覆蓋定標場的測繪帶中心區域，四種角反射器互相之間的距離不小於100m；(2)衛星過境獲取步驟(1)中布設有四種角反射器的定標場的簡縮極化SAR原始數據，得到的原始數據經過成像處理後，生成定標場的簡縮極化SAR圖像；(3)對步驟(2)得到的定標場的簡縮極化SAR圖像進行輻射校正，所述的輻射校正包括天線方向圖校正和距離功率衰減校正；所述的天線方向圖校正方法為：步驟(2)得到的SAR圖像中的每個像素點乘以該像素點對應的天線方向圖的幅度值G(θ)的倒數，即所述的天線方向圖是利用SAR輻射外定標測量獲得的；所述的距離功率衰減校正方法為：步驟(2)得到的SAR圖像中的每個像素點乘以其中Ri為距離向第i像素位置對應斜距，Rn為近距端斜距，c為光速，Fs為距離向採樣頻率，i為距離向像素位置，R0為測繪帶中心對應斜距；如果SAR系統工作頻段為P頻段或L頻段，還需要對輻射校正後的定標場簡縮極化SAR圖像進行法拉第(Faraday)旋轉校正，所述的法拉第(Faraday)旋轉校正方法為：經過輻射校正後SAR圖像的散射矩陣左側乘以Faraday旋轉角校正矩陣；所述的Faraday旋轉角校正矩陣為：其中，其中，K為常數，大小為2.365×104，B表示磁通量密度，表示入射波法線方向與地球磁場方向的夾角，θ表示入射波法線方向與衛星垂直向下方向的夾角，表示磁場相關參數按照400km高度計算，TEC表示總電子濃度；(4)在步驟(3)經過輻射校正後的定標場簡縮極化SAR圖像中提取四種不同類型角反射器的極化散射矩陣，其中三面角反射器的極化散射矩陣為0°二面角反射器的極化散射矩陣為22.5°二面角反射器的極化散射矩陣為45°二面角反射器的極化散射矩陣為其中，S1RH表示三面角反射器RH通道圖像對應值，S2RH表示0°二面角反射器RH通道圖像對應值，S3RH表示22.5°二面角反射器RH通道圖像對應值，S4RH表示45°二面角反射器RH通道圖像對應值；S1RV表示三面角反射器RV通道圖像對應值，S2RV表示0°二面角反射器RV通道圖像對應值，S3RV表示22.5°二面角反射器RV通道圖像對應值，S4RV表示45°二面角反射器RV通道圖像對應值；(5)利用步驟(4)提取的四種角反射器的極化散射矩陣進行接收通道幅相不平衡定標；所述的接收通道幅相不平衡定標方法為：令則所述的接收通道幅相不平衡f為：其中A＝P-2K3NB＝Q+jNK3(K1+K2)C＝-jM(K1+K2)+(K1-K2)NM＝K2K4+j(K1+K2)(K4-K3)/2-1N＝j+(K1-K2)(K3-K4)/2-jK2K4P＝(K3-K4)[2+K3(K1-K2)]Q＝M[2+K3(K1-K2)]-j(K1+K2)(K3-K4)(6)利用步驟(5)獲得的接收通道幅相不平衡f來對步驟(4)獲得的四種不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道不平衡校正；校正方法為：對步驟(4)獲得的四種不同類型角反射器的極化散射矩陣的左側分別乘以矩陣(7)利用步驟(6)獲得的經過接收通道不平衡校正後的四種不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道極化串擾定標和發射通道極化串擾定標；所述的接收通道極化串擾包括接收通道H極化到V極化的串擾δ1和接收通道V極化到H極化的串擾δ2，所述δ1和δ2的定標方法為：所述的發射通道極化串擾δc的定標方法為：δc＝(1-X)/2其中，(8)由此完成多極化SAR簡縮極化模式全部極化失真參量定標，後續可以利用這些極化失真參數對簡縮極化SAR圖像進行校正，從而可以有效提高目標觀測信號的準確性和數據質量。下面本發明結合附圖和以一個具體實施例進一步說明本發明的工作原理、工作過程以及預期可以達到的效果。極化失真參量定標的步驟如下：(b1)在數據預處理後定標場簡縮極化SAR圖像中提取四種不同類型角反射器的極化散射矩陣；四種不同類型的角反射器分別為：三面角反射器、0°二面角反射器、22.5°二面角反射器和45°二面角反射器。簡縮極化模式下四種角反射器的歸一化理想極化散射矩陣分別為：(b2)基於簡縮極化模式定標算法進行接收通道幅相不平衡定標；具體定標算法如下：存在極化失真參量誤差時，簡縮極化模式下目標觀測信號模型可以表示為其中，為復係數，表示絕對幅相值；δ1,δ2為接收通道極化串擾；f為接收通道幅相不平衡；δc為發射通道極化串擾；NH和NV表示H和V通道噪聲分量。為了便於計算，忽略絕對幅度和相位項和噪聲項，同時假設極化串擾δ＜＜1，則誤差影響下四種角反射器對應散射矩陣分別為：令則經過複雜求解過程可以得到：其中A＝P-2K3NB＝Q+jNK3(K1+K2)C＝-jM(K1+K2)+(K1-K2)NM＝K2K4+j(K1+K2)(K4-K3)/2-1N＝j+(K1-K2)(K3-K4)/2-jK2K4P＝(K3-K4)[2+K3(K1-K2)]Q＝M[2+K3(K1-K2)]-j(K1+K2)(K3-K4)由此可以獲得接收通道幅相不平衡誤差f。(b3)對不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道不平衡校正；校正方法如下：其中，和分別表示經過接收通道幅相不平衡誤差校正後不同類型角反射器極化散射矩陣。(b4)利用經過接收通道不平衡校正的不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道極化串擾定標和發射通道極化串擾定標；定標算法如下：δ1＝[K1+K2+j(K2-K1)δ2]/2δc＝(1-X)/2其中，(b5)由此完成多極化SAR簡縮極化模式全部極化失真參量定標，後續可以利用這些極化失真參數對簡縮極化SAR圖像進行校正。實施例如圖2和圖3所示，首先將四種不同類型角反射器布設在定標場(本實施例定標場選在機場跑道邊的草地上)，然後獲取定標場的SAR圖像，如圖4所示。本實施例採用的定標場簡縮極化SAR圖像是基於購買的RADARSAT-2全極化SAR圖像模擬仿真生成，利用RADARSAT-2全極化圖像可以來計算簡縮極化模式下RH和RV通道SAR圖像，然後加入極化失真參量誤差來模擬誤差影響下簡縮極化SAR圖像數據。由於購買的RADARSAT-2全極化SAR圖像已經經過輻射校正，同時RADARSAT-2工作在C頻段，因而定標方法中的定標場簡縮極化SAR數據預處理步驟(3)中的部分內容省略。極化失真參量定標的步驟如下：(b1)在數據預處理後定標場簡縮極化SAR圖像中提取四種不同類型角反射器的極化散射矩陣，分別為：(b2)基於簡縮極化模式定標算法進行接收通道幅相不平衡定標，可以獲得接收通道幅相不平衡誤差f＝1.0094+0.3032j。(b3)對不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道不平衡校正，校正方法如下：其中，和分別表示經過接收通道幅相不平衡誤差校正後不同類型角反射器極化散射矩陣。(b4)利用經過接收通道不平衡校正的不同類型角反射器的極化散射矩陣進行接收通道極化串擾定標和發射通道極化串擾定標，計算結果如下：δ2＝-0.0456+0.0332jδ1＝0.0414+0.0381jδc＝-0.0357-0.0021j(b5)由此完成多極化SAR簡縮極化模式全部極化失真參量定標，然後可以利用這些極化失真參數對簡縮極化SAR圖像進行校正。通過比較校正後標準角反射器極化散射矩陣與理想標準角反射器極化散射矩陣的誤差來對本發明提出的多極化SAR簡縮極化模式定標方法精度及有效性進行評估和說明，定標結果如表1所示。表1極化通道理想值定標後定標精度RH11.0799+0.0804j0.67dB∠1.65°RV-j0.4086-1.0657j0.59dB∠1.54°由定標結果可以看出，本發明提出的定標方法可以獲得很高的定標精度，經過定標後目標散射矩陣幅度誤差約0.6dB，相位誤差小於1.7°，從而驗證了本發明提出的多極化SAR簡縮極化模式定標方法的有效性和可行性，可以應用於多極化SAR簡縮極化模式定標。本發明可以用於任意頻段星載SAR簡縮極化模式定標處理。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。當前第1頁1 2 3