本發(fā)明涉及一種多極化SAR簡縮極化模式定標方法，屬于合成孔徑雷達(SAR)數(shù)據(jù)處理
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：星載合成孔徑雷達(SAR)作為一種重要的高分辨率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分辨率圖像，因此在地形測繪、海洋監(jiān)測、減災(zāi)防災(zāi)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)和軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)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(tǒng)來構(gòu)建觀測目標的偽全極化信息。本發(fā)明針對的簡縮極化模式是采用發(fā)射圓極化信號，同時接收H和V線極化信號的工作方式。相對于傳統(tǒng)雙極化SAR系統(tǒng)，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?？梢栽诖蠓档蚐AR系統(tǒng)復(fù)雜度、成本、重量、數(shù)據(jù)率等條件下獲得接近全極化模式的系統(tǒng)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(fā)展應(yīng)用前景。由于SAR系統(tǒng)的非理想特性，不同極化通道之間存在極化串?dāng)_和幅相不平衡誤差，這些誤差將導(dǎo)致簡縮極化模式測量得到的目標極化數(shù)據(jù)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(yīng)用需求，必須通過簡縮極化定標技術(shù)來對系統(tǒng)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(guān)應(yīng)用模型的反演。A.Freeman等在2008年EUSAR會議上發(fā)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(fā)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(shè)所有定標器的絕對幅相值已知，歸一化后等效為理想散射矩陣然后基于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(dǎo)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(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)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(shè)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，且對于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?qū)崿F(xiàn)高精度的多極化SAR系統(tǒng)極化失真參量定標，有效提高目標觀測信號的準確性和數(shù)據(jù)質(zhì)量，對于簡縮極化模式SAR系統(tǒng)具有重要意義。本發(fā)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(shù)據(jù)預(yù)處理后定標場簡縮極化SAR圖像中提取四種不同類型角反射器的極化散射矩陣；(b2)基于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(jīng)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?dāng)_定標和發(fā)射通道極化串?dāng)_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，后續(xù)可以利用這些極化失真參數(shù)對簡縮極化SAR圖像進行校正。本發(fā)明技術(shù)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(shè)備布設(shè)、定標場簡縮極化SAR數(shù)據(jù)預(yù)處理和極化失真參量定標三部分；該定標方法基于布設(shè)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(shè)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(shè)在測繪帶中心區(qū)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(shè)定標設(shè)備；定標設(shè)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(shè)在覆蓋定標場的測繪帶中心區(qū)域，四種角反射器互相之間的距離不小于100m；(2)衛(wèi)星過境獲取步驟(1)中布設(shè)有四種角反射器的定標場的簡縮極化SAR原始數(shù)據(jù)，得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過成像處理后，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(yīng)的天線方向圖的幅度值G(θ)的倒數(shù)，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(yīng)斜距，Rn為近距端斜距，c為光速，F(xiàn)s為距離向采樣頻率，i為距離向像素位置，R0為測繪帶中心對應(yīng)斜距；如果SAR系統(tǒng)工作頻段為P頻段或L頻段，還需要對輻射校正后的定標場簡縮極化SAR圖像進行法拉第(Faraday)旋轉(zhuǎn)校正，所述的法拉第(Faraday)旋轉(zhuǎn)校正方法為：經(jīng)過輻射校正后SAR圖像的散射矩陣左側(cè)乘以Faraday旋轉(zhuǎn)角校正矩陣；所述的Faraday旋轉(zhuǎn)角校正矩陣為：其中，其中，K為常數(shù)，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(wèi)星垂直向下方向的夾角，表示磁場相關(guān)參數(shù)按照400km高度計算，TEC表示總電子濃度；(4)在步驟(3)經(jīng)過輻射校正后的定標場簡縮極化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(yīng)值，S2RH表示0°二面角反射器RH通道圖像對應(yīng)值，S3RH表示22.5°二面角反射器RH通道圖像對應(yīng)值，S4RH表示45°二面角反射器RH通道圖像對應(yīng)值；S1RV表示三面角反射器RV通道圖像對應(yīng)值，S2RV表示0°二面角反射器RV通道圖像對應(yīng)值，S3RV表示22.5°二面角反射器RV通道圖像對應(yīng)值，S4RV表示45°二面角反射器RV通道圖像對應(yīng)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(luò)+(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(cè)分別乘以矩陣(7)利用步驟(6)獲得的經(jīng)過接收通道不平衡校正后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?dāng)_定標和發(fā)射通道極化串?dāng)_定標；所述的接收通道極化串?dāng)_包括接收通道H極化到V極化的串?dāng)_δ1和接收通道V極化到H極化的串?dāng)_δ2，所述δ1和δ2的定標方法為：所述的發(fā)射通道極化串?dāng)_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，后續(xù)可以利用這些極化失真參數(shù)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(shù)據(jù)質(zhì)量。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：(1)本發(fā)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(shè)備需求簡單，成本低，且角反射器重量小，便于外場布設(shè)。(2)相比于現(xiàn)在定標方法，本發(fā)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(fā)明提出的簡縮極化模式定標方法對于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(fā)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(qū)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(fā)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(shè)備需求簡單，實用性強，精度高。(6)本發(fā)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(shù)據(jù)預(yù)處理和極化失真參量定標兩部分。定標場簡縮極化SAR數(shù)據(jù)預(yù)處理主要完成簡縮極化SAR數(shù)據(jù)的輻射校正和法拉第(Faraday)旋轉(zhuǎn)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，基于定標模型推導(dǎo)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，且定標算法不依賴于角反射器的絕對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(wěn)健性好，實用性強。附圖說明圖1是本發(fā)明方法數(shù)據(jù)處理流程圖；圖2是本發(fā)明實施例中布設(shè)的三角形反射器；圖3是本發(fā)明實施例中布設(shè)的二面角反射器；圖4是本發(fā)明實施例中RADARSAT-2定標場SAR圖像；表1是本發(fā)明實施例中基于本發(fā)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(shè)定標設(shè)備；定標設(shè)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(shè)在覆蓋定標場的測繪帶中心區(qū)域，四種角反射器互相之間的距離不小于100m；(2)衛(wèi)星過境獲取步驟(1)中布設(shè)有四種角反射器的定標場的簡縮極化SAR原始數(shù)據(jù)，得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過成像處理后，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(yīng)的天線方向圖的幅度值G(θ)的倒數(shù)，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(yīng)斜距，Rn為近距端斜距，c為光速，F(xiàn)s為距離向采樣頻率，i為距離向像素位置，R0為測繪帶中心對應(yīng)斜距；如果SAR系統(tǒng)工作頻段為P頻段或L頻段，還需要對輻射校正后的定標場簡縮極化SAR圖像進行法拉第(Faraday)旋轉(zhuǎn)校正，所述的法拉第(Faraday)旋轉(zhuǎn)校正方法為：經(jīng)過輻射校正后SAR圖像的散射矩陣左側(cè)乘以Faraday旋轉(zhuǎn)角校正矩陣；所述的Faraday旋轉(zhuǎn)角校正矩陣為：其中，其中，K為常數(shù)，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(wèi)星垂直向下方向的夾角，表示磁場相關(guān)參數(shù)按照400km高度計算，TEC表示總電子濃度；(4)在步驟(3)經(jīng)過輻射校正后的定標場簡縮極化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(yīng)值，S2RH表示0°二面角反射器RH通道圖像對應(yīng)值，S3RH表示22.5°二面角反射器RH通道圖像對應(yīng)值，S4RH表示45°二面角反射器RH通道圖像對應(yīng)值；S1RV表示三面角反射器RV通道圖像對應(yīng)值，S2RV表示0°二面角反射器RV通道圖像對應(yīng)值，S3RV表示22.5°二面角反射器RV通道圖像對應(yīng)值，S4RV表示45°二面角反射器RV通道圖像對應(yīng)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(luò)+(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(cè)分別乘以矩陣(7)利用步驟(6)獲得的經(jīng)過接收通道不平衡校正后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?dāng)_定標和發(fā)射通道極化串?dāng)_定標；所述的接收通道極化串?dāng)_包括接收通道H極化到V極化的串?dāng)_δ1和接收通道V極化到H極化的串?dāng)_δ2，所述δ1和δ2的定標方法為：所述的發(fā)射通道極化串?dāng)_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，后續(xù)可以利用這些極化失真參數(shù)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(shù)據(jù)質(zhì)量。下面本發(fā)明結(jié)合附圖和以一個具體實施例進一步說明本發(fā)明的工作原理、工作過程以及預(yù)期可以達到的效果。極化失真參量定標的步驟如下：(b1)在數(shù)據(jù)預(yù)處理后定標場簡縮極化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)基于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(fù)系數(shù)，表示絕對幅相值；δ1,δ2為接收通道極化串?dāng)_；f為接收通道幅相不平衡；δc為發(fā)射通道極化串?dāng)_；NH和NV表示H和V通道噪聲分量。為了便于計算，忽略絕對幅度和相位項和噪聲項，同時假設(shè)極化串?dāng)_δ＜＜1，則誤差影響下四種角反射器對應(yīng)散射矩陣分別為：令則經(jīng)過復(fù)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(luò)+(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(jīng)過接收通道幅相不平衡誤差校正后不同類型角反射器極化散射矩陣。(b4)利用經(jīng)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?dāng)_定標和發(fā)射通道極化串?dāng)_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，后續(xù)可以利用這些極化失真參數(shù)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(shè)在定標場(本實施例定標場選在機場跑道邊的草地上)，然后獲取定標場的SAR圖像，如圖4所示。本實施例采用的定標場簡縮極化SAR圖像是基于購買的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，然后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(shù)據(jù)。由于購買的RADARSAT-2全極化SAR圖像已經(jīng)經(jīng)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(shù)據(jù)預(yù)處理步驟(3)中的部分內(nèi)容省略。極化失真參量定標的步驟如下：(b1)在數(shù)據(jù)預(yù)處理后定標場簡縮極化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)基于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(jīng)過接收通道幅相不平衡誤差校正后不同類型角反射器極化散射矩陣。(b4)利用經(jīng)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?dāng)_定標和發(fā)射通道極化串?dāng)_定標，計算結(jié)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，然后可以利用這些極化失真參數(shù)對簡縮極化SAR圖像進行校正。通過比較校正后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(fā)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(jié)果如表1所示。表1極化通道理想值定標后定標精度RH11.0799+0.0804j0.67dB∠1.65°RV-j0.4086-1.0657j0.59dB∠1.54°由定標結(jié)果可以看出，本發(fā)明提出的定標方法可以獲得很高的定標精度，經(jīng)過定標后目標散射矩陣幅度誤差約0.6dB，相位誤差小于1.7°，從而驗證了本發(fā)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(yīng)用于多極化SAR簡縮極化模式定標。本發(fā)明可以用于任意頻段星載SAR簡縮極化模式定標處理。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。當(dāng)前第1頁1 2 3