CN105676203A - 一种全极化雷达目标极化相干特征的可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全极化雷达目标极化相干特征的可视化方法。技术方案包括以下步骤：第一步，极化散射矩阵绕雷达视线旋转处理；第二步，计算旋转域中的极化相干特征序列；第三步，旋转域中极化相干特征的可视化处理；第四步，极化相干特征可视化图的参数化刻画。本发明结合可视化图和相关刻画参数，可得到雷达目标极化相干特征的可视化描述，为目标分类识别等应用提供支撑。本发明实现简单，可直接应用于具有不同用途的全极化雷达系统获得的目标极化散射矩阵数据。

Description

一种全极化雷达目标极化相干特征的可视化方法

技术领域

本发明属于雷达极化信息处理与应用技术领域，涉及一种全极化雷达目标极化相干特征的可视化解译方法。

背景技术

全极化雷达通过收发一组极化状态正交的电磁波，能够获得目标的全极化信息，为目标散射机理解译、特征参数反演、目标探测与识别等提供重要支撑。具备全极化测量能力的雷达系统已在对地观测、防空反导、气象探测、海面监测等诸多重要领域成为主流传感器，得到了广泛应用。

全极化雷达获得的目标全极化信息可以由极化散射矩阵进行表征。不同极化通道间的极化相干特征是一种常用的极化特征量，可应用于目标检测与分类等领域。极化相干特征十分敏感于目标姿态与雷达视线的相对几何关系。对同一目标，当其相对于全极化雷达视线的姿态不同时，其极化散射特性(如极化相干特征的取值)可以是显著不同的。这种现象给全极化雷达极化信息处理与应用造成诸多不便，是当前全极化雷达目标极化散射机理精细解译和定量应用面临的技术瓶颈之一。如何有效挖掘和刻画目标极化相干特征在绕雷达视线旋转域中的隐含信息并克服解译模糊，成为提升目标散射机理解译与应用性能的关键。因此，发展全极化雷达目标极化相干特征的可视化方法及其参数化刻画方法对雷达目标散射机理解译和应用都非常有价值。

发明内容

本发明为精细解译目标在绕雷达视线旋转域中的散射特性，提供一种全极化雷达目标极化相干特征的可视化方法。本方法在旋转域对目标极化相干特征进行可视化处理和参数化刻画，可适用于多种用途(如对空监视、对地观测、气象探测、海面监视等)的全极化雷达系统，并在空中目标分类识别、地物类别鉴别、损毁评估等领域具有应用价值。

本发明的基本思路是：极化相干特征敏感于目标姿态与雷达视线的相对几何关系。同一目标在不同姿态条件下，其极化相干特征的取值可能会发生显著变化。通过将获取的极化散射矩阵绕雷达视线进行旋转处理，能够改变目标姿态与雷达视线的相对几何关系。这样，通过遍历绕雷达视线旋转域中的每一个旋转角，能够得到旋转域中的极化相干特征序列。对旋转域中的极化相干特征序列进行可视化处理和参数化刻画，可以完整地描述目标极化相干特征在旋转域中的特性，用于精细解译目标在绕雷达视线旋转域中的散射机理，进而用于物理参数反演和目标分类识别等领域。

本发明的技术方案是：一种全极化雷达目标极化相干特征的可视化方法，具体包括下述步骤：

利用全极化雷达获得的目标极化散射矩阵 $S=\left[\begin{array}{cc}{S}_{XX}& S_{XY}\\ S_{YX}& S_{YY}\end{array}\right]$ 作为本发明的输入。X和Y代表任意两种不同的极化通道。其中，S_XX为在X极化发射和X极化接收条件下获取的复后向散射系数；S_YX为在X极化发射和Y极化接收条件下获取的复后向散射系数；S_XY为在Y极化发射和X极化接收条件下获取的复后向散射系数；S_YY为在Y极化发射和Y极化接收条件下获取的复后向散射系数。

第一步，极化散射矩阵绕雷达视线旋转处理：

在绕全极化雷达视线方向，对极化散射矩阵S进行旋转处理，对旋转域中的旋转角θ，θ∈[-π,π]，计算旋转处理后的旋转极化散射矩阵S(θ)的表达式，为：

$S\left(\mathrm{\θ}\right)=R_2\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{SR}}_2^T\left(\mathrm{\θ}\right)$

其中，旋转矩阵 $R_2\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right],$ 上标T为转置处理。

旋转极化散射矩阵S(θ)各元素在旋转域中的表达式为：

S_XX(θ)＝S_XXcos²θ+S_XYcosθsinθ+S_YXcosθsinθ+S_YYsin²θ

S_XY(θ)＝-S_XXcosθsinθ+S_XYcos²θ-S_YXsin²θ+S_YYcosθsinθ

S_YX(θ)＝-S_XXcosθsinθ-S_XYsin²θ+S_YXcos²θ+S_YYcosθsinθ

S_YY(θ)＝S_XXsin²θ-S_XYcosθsinθ-S_YXcosθsinθ+S_YYcos²θ

第二步，计算旋转域中的极化相干特征序列：

将旋转域中的旋转角θ进行离散化处理，得到离散化的旋转角序列θ_i，N的取值根据实际情况确定。对极化通道X和Y，计算旋转角序列θ_i对应的极化相干特征序列|γ_X-Y(θ_i)|，为：

$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{X-Y}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|=\frac{\left|<S_{XX}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\&CenterDot;S_{YY}^{*}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)>\right|}{\sqrt{<S_{XX}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\&CenterDot;S_{XX}^{*}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)>}\&CenterDot;\sqrt{<S_{YY}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\&CenterDot;S_{YY}^{*}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)>}},$

其中，<·>为集合平均处理，|·|为取绝对值处理，上标^*为共轭处理。可见0≤|γ_X-Y(θ_i)|≤1_。

第三步，旋转域中极化相干特征的可视化处理：

将旋转角序列θ_i和极化相干特征序列|γ_X-Y(θ_i)|在极坐标系中进行表示，即得到旋转域中极化相干特征的可视化图。

第四步，极化相干特征可视化图的参数化刻画：

旋转域中极化相干特征的可视化图表征了全极化雷达目标在绕雷达视线旋转域中的散射特性。为便于利用该可视化图，提取以下特征参数对其进行参数化刻画：

1.原始极化相干特征值|γ_X-Y|，为：

|γ_X-Y|＝|γ_X-Y(0)|

2.极化相干特征最大值|γ_X-Y|_max，为：

|γ_X-Y|_max＝max{|γ_X-Y(θ_i)|}

3.极化相干特征最小值|γ_X-Y|_min，为：

|γ_X-Y|_min＝min{|γ_X-Y(θ_i)|}

4.极化相干度|γ_X-Y|_mean，为：

|γ_X-Y|_mean＝mean{|γ_X-Y(θ_i)|}

5.极化相干起伏度|γ_X-Y|_std，为：

|γ_X-Y|_std＝std{|γ_X-Y(θ_i)|}

6.极化相干对比度|γ_X-Y|_max-min，为：

|γ_X-Y|_max-min＝|γ_X-Y|_max-|γ_X-Y|_min

7.最大化旋转角θ_γ-max，为：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&gamma;}-max}=\underset{{\mathrm{\&theta;}}_i=i\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},i=0,1,...,N}{\arg max}\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{X-Y}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|$

8.最小化旋转角θ_γ-min，为：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&gamma;}-\min }=\underset{{\mathrm{\&theta;}}_i=i\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},i=0,1,...,N}{\arg \min }\left\{\right|{\mathrm{\&gamma;}}_{X-Y}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\left|\right\}$

9.极化相干宽度BW_α，为：

BW_α＝θ″-θ′，其中|γ_X-Y(θ″)|＝|γ_X-Y(θ′)|＝α·|γ_X-Y|_max且θ″＞θ′

其中，max{·}为求序列的最大值；min{·}为求序列的最小值；mean{·}为求序列的均值；std{·}为求序列的标准差；α为调节因子，根据实际情况确定，通常取α＝0.95。

结合可视化图和上述刻画参数，就得到了雷达目标极化相干特征的可视化方法，为目标分类识别等应用提供支撑。

用本发明可取得以下技术效果：

本发明所述的雷达目标极化相干特征的可视化方法，能够可视化和参数化刻画目标在绕雷达视线旋转域中的散射特性，并通过提取可视化图的特征参数为后续的目标分类识别、损毁评估等应用服务。本发明实现简单，实施起来也非常方便，可直接应用于具有不同用途的全极化雷达系统获得的目标极化散射矩阵数据。本发明对于对空监视、对地观测、气象探测、海面监视、减灾防灾等应用领域都有着重要的参考价值。

附图说明

图1本发明的实施流程图；

图2不同农作物目标的极化相干特征可视化图；

图3建筑物震灾倒损前后的极化相干特征可视化图；

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

图1为本发明的实施流程图，主要由四步组成。第一步，极化散射矩阵绕雷达视线旋转处理，获得旋转域中的极化散射矩阵；第二步，对旋转域中的每一个旋转角，计算极化相干特征，得到旋转域中的极化相干特征序列；第三步，旋转域中极化相干特征的可视化处理，得到极化相干特征的可视化图；第四步，可视化图的参数化刻画，提取原始极化相干特征值|γ_X-Y|、极化相干特征最大值|γ_X-Y|_max、极化相干特征最小值|γ_X-Y|_min、极化相干度|γ_X-Y|_mean、极化相干起伏度|γ_X-Y|_std、极化相干对比度|γ_X-Y|_max-min、最大化旋转角θ_γ-max、最小化旋转角θ_γ-min和极化相干宽度BW_α等刻画参数。

图2和图3均为利用实际数据进行试验的结果。

图2为不同农作物目标的极化相干特征可视化图。数据来自机载L波段AIRSAR系统在荷兰Flevoland地区获得的水平极化和垂直极化基下(即X极化为水平极化H和Y极化为垂直极化V)的极化散射矩阵。对极化通道H和V，左图为土豆作物的极化相干特征|γ_H-V(θ_i)|的可视化图，右图为小麦作物的极化相干特征|γ_H-V(θ_i)|的可视化图，其中N＝1001。从可视化图可以看到，两种农作物目标的可视化图具有明显不同的形状特征，即二者在绕雷达视线的旋转域中的散射特性是不同的。表1给出了两种农作物目标极化相干特征可视化图的刻画参数。因为极化相干特征|γ_H-V(θ_i)|在旋转域中的周期为90°，因此在计算最大化旋转角θ_γ-max和最小化旋转角θ_γ-min时，只考虑主值区间[-45°，45°)内的取值。下表是两种农作物目标极化相干特征可视化图的刻画参数对比：

刻画参数	土豆作物	小麦作物
			原始极化相干特征值|γX-Y|	0.2981	0.4279
极化相干特征最大值|γX-Y|max	0.7894	0.5215
			极化相干特征最小值|γX-Y|min	0.0927	0.3659
极化相干度|γX-Y|mean	0.3598	0.4372
			极化相干起伏度|γX-Y|std	0.2141	0.0549
极化相干对比度|γX-Y|max-min	0.6967	0.1557
			最大化旋转角θγ-max	43.9200°	-21.6000°
最小化旋转角θγ-min	-21.6000°	19.8000°
			极化相干宽度BWα	24.8400°	-41.4000°

对比可知，上述刻画参数或刻画参数的组合能够有效区分两种不同的地物。这样，利用本发明建立的可视化方法能够有效实现农作物目标的类别鉴别和分类。

图3为建筑物震灾倒损前后的极化相干特征可视化图。利用本发明对2011年3月11日东日本大地震大海啸受灾严重的石卷市城区进行建筑物倒损分析。数据来自星载ALOS/PALSAR实测多时相水平极化和垂直极化基下的极化散射矩阵。震前ALOS/PALSAR全极化数据获取于2010年11月21日，震后ALOS/PALSAR全极化数据获取于2011年4月8日。选取一块建筑物倒损严重(倒损率约为95％)区域进行分析。对极化通道H和V，左图为建筑物倒损前的极化相干特征|γ_H-V(θ_i)|的可视化图，右图为建筑物倒损后的极化相干特征|γ_H-V(θ_i)|的可视化图，其中N＝1001。从可视化图可以看到，建筑物倒损前后的可视化图具有明显不同的形状特征，即建筑物倒损前后在绕雷达视线的旋转域中的散射特性是不同的。下表给出了建筑物倒损前后极化相干特征可视化图的刻画参数，同样只考虑主值区间[-45°，45°)内的取值。

对比可知，上述刻画参数或刻画参数的组合对建筑物的倒损情况十分敏感。这样，利用本发明建立的可视化方法能够实现建筑物目标损毁区域的检测与损毁程度的评估。

Claims (1)

1.一种全极化雷达目标极化相干特征的可视化方法，利用全极化雷达获得的目标极化散射矩阵 $S=\left[\begin{array}{cc}{S}_{XX}& S_{XY}\\ S_{YX}& S_{YY}\end{array}\right],$ X和Y代表任意两种不同的极化通道；其中，S_XX为在X极化发射和X极化接收条件下获取的复后向散射系数；S_YX为在X极化发射和Y极化接收条件下获取的复后向散射系数；S_XY为在Y极化发射和X极化接收条件下获取的复后向散射系数；S_YY为在Y极化发射和Y极化接收条件下获取的复后向散射系数；其特征在于，具体包括下述步骤：

第一步，极化散射矩阵绕雷达视线旋转处理：

在绕全极化雷达视线方向，对旋转域中的旋转角θ，θ∈[-π,π]，计算旋转处理后的旋转极化散射矩阵S(θ)的表达式，为：

$S\left(\mathrm{\&theta;}\right)=R_2\left(\mathrm{\&theta;}\right){\mathrm{SR}}_2^T\left(\mathrm{\&theta;}\right)$

其中，旋转矩阵 $R_2\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\&theta;}& sin\mathrm{\&theta;}\\ -sin\mathrm{\&theta;}& \cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right],$ 上标T为转置处理；

旋转极化散射矩阵S(θ)各元素在旋转域中的表达式为：

S_XX(θ)＝S_XXcos²θ+S_XYcosθsinθ+S_YXcosθsinθ+S_YYsin²θ

S_XY(θ)＝-S_XXcosθsinθ+S_XYcos²θ-S_YXsin²θ+S_YYcosθsinθ

S_YX(θ)＝-S_XXcosθsinθ-S_XYsin²θ+S_YXcos²θ+S_YYcosθsinθ

S_YY(θ)＝S_XXsin²θ-S_XYcosθsinθ-S_YXcosθsinθ+S_YYcos²θ

第二步，计算旋转域中的极化相干特征序列：

将旋转域中的旋转角θ进行离散化处理，得到离散化的旋转角序列θ_i，N的取值根据实际情况确定；对极化通道X和Y，计算旋转角序列θ_i对应的极化相干特征序列|γ_X-Y(θ_i)|，为：

$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{X-Y}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|=\frac{|<S_{XX}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\&CenterDot;S_{YY}^{*}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)>|}{\sqrt{<S_{XX}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\&CenterDot;S_{XX}^{*}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)>}\&CenterDot;\sqrt{<S_{YY}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\&CenterDot;S_{YY}^{*}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)>}},$

其中，<·>为集合平均处理，|·|为取绝对值处理，上标*为共轭处理；

第三步，旋转域中极化相干特征的可视化处理：

将旋转角序列θ_i和极化相干特征序列|γ_X-Y(θ_i)|在极坐标系中进行表示，即得到旋转域中极化相干特征的可视化图；

第四步，极化相干特征可视化图的参数化刻画：

提取以下特征参数对全极化雷达目标在绕雷达视线旋转域中的散射特性进行参数化刻画：

1.原始极化相干特征值|γ_X-Y|，为：

|γ_X-Y|＝|γ_X-Y(0)|

2.极化相干特征最大值|γ_X-Y|_max，为：

|γ_X-Y|_max＝max{|γ_X-Y(θ_i)|}

3.极化相干特征最小值|γ_X-Y|_min，为：

|γ_X-Y|_min＝min{|γ_X-Y(θ_i)|}

4.极化相干度|γ_X-Y|_mean，为：

|γ_X-Y|_mean＝mean{|γ_X-Y(θ_i)|}

5.极化相干起伏度|γ_X-Y|_std，为：

|γ_X-Y|_std＝std{|γ_X-Y(θ_i)|}

6.极化相干对比度|γ_X-Y|_max-min，为：

|γ_X-Y|_max-min＝|γ_X-Y|_max-|γ_X-Y|_min

7.最大化旋转角θ_γ-max，为：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&gamma;}-max}=\underset{{\mathrm{\&theta;}}_i=i\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},i=0,1,\mathrm{...},N}{\arg \max }\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{X-Y}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|$

8.最小化旋转角θ_γ-min，为：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&gamma;}-\min }=\underset{{\mathrm{\&theta;}}_i=i\&CenterDot;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},i=0,1,\mathrm{...},N}{\arg \max }\left\{\right|{\mathrm{\&gamma;}}_{X-Y}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\left|\right\}$

9.极化相干宽度BW_α，为：

BW_α＝θ″-θ′，其中|γ_X-Y(θ″)|＝|γ_X-Y(θ′)|＝α·|γ_X-Y|_max且θ″＞θ′

其中，max{·}为求序列的最大值；min{·}为求序列的最小值；mean{·}为求序列的均值；std{·}为求序列的标准差；α为调节因子，根据实际情况确定。