CN103760534A - 一种星载sar数据的电离层色散效应校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电离层色散效应校正方法，应用于星载SAR数据的电离层色散效应校正。技术方案是以星载SAR图像及其载频、带宽、采样率为输入，利用下面5个步骤进行迭代，第一步：对输入星载SAR图像分别进行两次距离向带通滤波得到两个子带图像；第二步，通过两个子带图像间的距离向实相关计算距离向实相关函数；第三步，利用距离向实相关函数估计两个子带图像的相对偏移量；第四步，利用两个子带图像的偏移量估计值估计数据中的TEC；第五步，对输入星载SAR图像中的电离层色散效应进行校正。本发明不依赖于场景中的强散射体，也不依赖于其他测量设备，可以使受电离层色散效应影响而散焦的图像重新聚焦，正确定位。

Description

一种星载SAR数据的电离层色散效应校正方法

技术领域

本发明属于航天和微波遥感的交叉技术领域，特别涉及一种星载SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）数据中电离层色散效应的校正方法。

背景技术

星载SAR系统可以完成宽测绘带、高分辨率对地观测，是进行军事测绘和战场监视的有效手段。为了满足日益增长的军事和民用需求，特别是更高分辨率及隐蔽目标侦察的迫切需求，低波段高分辨星载SAR是星载SAR系统发展的必然趋势之一。研究表明，电离层色散、闪烁等效应会导致星载SAR图像分辨率恶化和定位误差等影响。特别是对低波段高分辨星载SAR，电离层色散、闪烁等效应对星载SAR图像的影响逐步加剧。

现有的基于图像自聚焦的电离层色散效应校正方法存在依赖于场景中的强散射体的局限性。本发明提出一种电离层色散效应校正新方法，不依赖于外部设备及数据，并且对场景中的强散射体依赖性更小，对星载SAR图像中的电离层色散效应有较好的校正效果。

发明内容

本发明的目的是：提出一种新的电离层色散效应校正方法，应用于星载SAR数据的电离层色散效应校正。与现有方法相比，新方法不需要外部测量数据且对场景中的强散射体依赖性更小。

本发明技术方案的思路是：将星载SAR图像划分为两个不同载频的子带图像，通过两个子带图像之间的位置差异估计数据中的电离层TEC（Total ElectronContents，路径电子总量），用估计的TEC补偿电离层色散效应造成的相位误差，达到校正电离层色散效应、使图像重新聚焦、正确定位的目的。通过多次迭代提高电离层TEC的估计精度。

本发明技术方案是：

已知星载SAR系统载频为f_c，带宽为B，采样频率为F_s。星载SAR图像I为M×N维复数矩阵，其中M是方位向点数，N是距离向点数。

设k＝1，星载SAR图像I_k＝I，然后进行下述步骤：

第一步、带通滤波，获取子带图像

对星载SAR图像I_k分别进行两次带通滤波，分别获得两个带宽为B2的子带图像

和其中子带图像

的载频为f_c-B4，子带图像的载频为f_c+B4。

第二步、求距离向实相关函数

计算两个子带图像

和的距离向相关函数ρ_k(l)，其中l＝-(N-1)…-2,-1,0,1,2…N-1。

第三步、估计实相关函数最大值位置

利用下式计算两个子带图像

和

间的距离向偏移量估计值

$\mathrm{\Δ}{\hat{r}}_k=x+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_k(x+1)-{\mathrm{\ρ}}_k(x-1)}{{\mathrm{\ρ}}_k(x+1)+{\mathrm{\ρ}}_k(x-1)-2{\mathrm{\ρ}}_k\left(x\right)}$

其中x∈[-(N-2),(N-2)]，并且取值为整数，同时满足下式：

ρ_k(x)＝max(ρ_k(l)_{-(N-2）…-2,-1,0,1,2…N-2})

第四步、估计TEC

利用下式计算TEC的估计值

${\widehat{\mathrm{TEC}}}_k=\mathrm{\Δ}{\hat{r}}_k\·\frac{\mathrm{\πc}}{r_e\·({\mathrm{\λ}}_1^2-{\mathrm{\λ}}_2^2)}$

其中π是圆周率。c是真空中的光速。r_e是经典电子半径。λ₁＝c(f_c-B4)，λ₂＝c(f_c+B4)是两个子带图像对应的中心波长。

第五步、校正电离层色散效应

利用下述计算第k次校正电离层色散效应后的星载SAR图像

上式中，E是M×N维矩阵，E(m,n)是矩阵E第m行、n列的元素，且

m∈[1,M]，n∈[1,N]。⊙是Hadamard积运算。FT_r{·}表示距离向的傅立叶变换，IFT_r{·}表示距离向的逆傅立叶变换。表示虚数单位。

然后进行下述判断：如果

或k＝Q，则输出星载SAR图像本技术方案结束；否则令k＝k+1，返回第一步。

通常，迭代精度门限ΔTEC和迭代终止次数Q的取值根据实际需要确定。

采用本发明可取得以下技术效果：

本发明将星载SAR图像滤波得到两个载频不同的子带图像，并根据子带图像间的相对偏移量估计电离层TEC，进而校正电离层色散效应。与其他方法相比，本方法不依赖于场景中的强散射体，也不依赖于其他测量设备，可以使受电离层色散效应影响而散焦的图像重新聚焦，正确定位，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明提供的星载SAR电离层色散效应校正流程图；

图2为仿真得到的无电离层效应的星载SAR图像；

图3为仿真得到的有电离层色散效应的星载SAR图像；

图4为用本发明方法校正后得到的星载SAR图像。

图5是估计的TEC随迭代次数的变化。

具体实施方式

图1为本发明提供的星载SAR电离层色散效应校正方法流程图。本发明采用迭代方法提高电离层色散效应校正精度。以星载SAR图像及其载频、带宽、采样率为输入，利用下述五个步骤进行迭代，第一步：对输入星载SAR图像分别进行两次距离向带通滤波得到两个子带图像；第二步，通过两个子带图像间的距离向实相关计算距离向实相关函数；第三步，利用距离向实相关函数估计两个子带图像的相对偏移量；第四步，利用两个子带图像的偏移量估计值估计数据中的TEC；第五步，对输入星载SAR图像中的电离层色散效应进行校正。

图2为仿真得到的无电离层效应的星载SAR图像。本图是利用TerraSAR卫星得到的SAR图像，基于现有的P波段星载SAR全数字仿真软件进行仿真处理得到的无电离层色散效应的P波段星载SAR图像。图像的场景是印度某港口码头。横向为距离向，纵向为方位向。图像左侧为距离近端，右侧为距离远端。仿真出的P波段星载SAR图像的有关系统参数是：载频f_c为600MHz，信号带宽B为60MHz。采样频率F_s为72MHz。

图3为仿真得到的包含电离层色散效应的P波段星载SAR图像，即本发明的输入数据。图3的生成过程同图2相似，只是增加电离层色散效应的影响，电离层TEC设置为50TECU,1TECU=10¹⁶个电子/米²。对比图2和图3可以发现，电离层色散效应导致了星载SAR图像距离向出现了明显的散焦现象，图像整体产生了距离向的偏移，即定位误差。

图4是用本发明方法校正了图3的星载SAR图像中电离层色散效应后的图像。其中，迭代精度门限ΔTEC＝0.1TECU，迭代终止次数Q＝10。对比图2、图3和图4，可见距离向图像散焦现象消失，重新聚焦，且图像重新聚焦于正确的位置，校正了电离层色散效应对星载SAR图像的影响。

图5是估计的TEC随迭代次数的变化。横轴是迭代次数，纵轴是估计得到的电离层TEC，单位为TECU。由图5可见，本发明方法经过5次迭代后结束。随着迭代次数增加，TEC估计值越来越小，表明电离层色散效应被逐步校正。5次迭代结果的和为49.0TECU，与真值相差1TECU，残余的TEC对图像性能的影响可以忽略。

图4与图2、图3的对比以及图5的电离层TEC估计结果证明了本方法的有效性。

Claims (1)

1.一种星载SAR数据的电离层色散效应校正方法，已知星载SAR系统载频为f_c，带宽为B，采样频率为F_s；星载SAR图像I为M×N维复数矩阵，其中M是方位向点数，N是距离向点数，其特征在于包括下述步骤：

设k＝1，星载SAR图像I_k＝I，然后进行下述步骤：

第一步、带通滤波，获取子带图像

对星载SAR图像I_k进行两次带通滤波，分别获得两个带宽为B2的子带图像

和

其中子带图像

的载频为f_c-B4，子带图像

的载频为f_c+B4；

第二步、求距离向实相关函数

计算子带图像

和子带图像

的距离向相关函数ρ_k(l)，其中l＝-(N-1)…-2,-1,0,1,2…N-1；

第三步、估计实相关函数最大值位置

利用下式计算子带图像和子带图像

间的距离向偏移量估计值

$\mathrm{\Δ}{\hat{r}}_k=x+\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_k(x+1)-{\mathrm{\ρ}}_k(x-1)}{{\mathrm{\ρ}}_k(x+1)+{\mathrm{\ρ}}_k(x-1)-2{\mathrm{\ρ}}_k\left(x\right)}$

其中x∈[-(N-2),(N-2)]，并且取值为整数，同时满足下式：

ρ_k(x)＝max(ρ_k(l)_{-(N-2)…-2,-1,0,1,2…N-2})

第四步、估计TEC

利用下式计算TEC的估计值

${\widehat{\mathrm{TEC}}}_k=\mathrm{\Δ}{\hat{r}}_k\·\frac{\mathrm{\πc}}{r_e\·({\mathrm{\λ}}_1^2-{\mathrm{\λ}}_2^2)}$

其中π是圆周率；c是真空中的光速；r_e是经典电子半径；λ₁＝c(f_c-B4)，λ₂＝c(f_c+B4)；

第五步、校正电离层色散效应

利用下述计算第k次校正电离层色散效应后的星载SAR图像

上式中，E是M×N维矩阵，E(m,n)是矩阵E第m行、第n列的元素，且

m∈[1,M]，n∈[1,N]；⊙是Hadamard积运算；FT_r{·}表示距离向的傅立叶变换，IFT_r{·}表示距离向的逆傅立叶变换；

表示虚数单位；

然后进行下述判断：如果

或k＝Q，则输出星载SAR图像本技术方案结束；否则令

k＝k+1，返回第一步；

迭代精度门限ΔTEC和迭代终止次数Q的取值根据实际需要确定。

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