CN106932762B - 合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法 - Google Patents

合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，用于校正合成孔径雷达天线的方向图加权和传播距离衰减对合成孔径雷达图像的灰度的影响，包括：根据合成孔径雷达系统参数与几何参数，计算合成孔径雷达图像中各个像元所对应的天线传播方向与传播斜距；根据合成孔径雷达天线的方向图数据和合成孔径雷达信号的传播距离衰减规律，计算合成孔径雷达图像中各个像元的方向图加权校正函数和传播距离加权校正函数；根据方向图加权校正函数和传播距离加权校正函数，对合成孔径雷达图像中各个像元的灰度进行补偿处理。因此，采用本发明，可以校正SAR天线方向图加权、传播距离衰减等因素对SAR图像灰度的影响，从而校正了SAR图像的辐射测量误差。

Description

合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法
技术领域
本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，以下简称为SAR)系统技术、图像处理技术，具体涉及一种合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，用于校正SAR图像辐射测量误差。
背景技术
SAR是一种微波成像雷达，其能够借助卫星、飞机等平台的运动，实现对观测场景的二维成像。SAR图像包含方位向、距离向两个几何维度，方位向即为平台的运动方向，距离向即为雷达波束的照射方向。SAR图像中，距离向上的不同像元，对应着不同的波束照射方向和不同的传播距离。
SAR图像蕴含着观测场景中地物的几何形状信息、几何位置信息和电磁波后向散射强度信息。地物的电磁波后向散射强度信息通常由SAR图像的灰度进行表征，SAR图像辐射测量的精度主要取决于SAR图像灰度能够如实地反映场景地物的电磁波后向散射强度。SAR图像辐射测量精度对于遥感定量化有着重要意义。
通常，SAR天线方向图、传播距离等因素会沿距离向对SAR图像灰度进行加权，导致SAR图像灰度无法如实地反映观测场景中地物的电磁波后向散射强度，进而引入SAR图像辐射测量误差。因此有必要针对SAR天线方向图、传播距离等因素的具体影响，设计相应的校正算法，以实现对SAR图像辐射测量误差的校正。
目前现有技术的研究，主要存在以下两个方面的问题：
一方面对SAR图像中的形状和位置信息更为关注，而对图像灰度信息及其所表征的目标后向散射强度信息的关注度相对不足；
另一方面，大多数情况下的SAR图像处理主要为了满足人眼观看的需求，其对图像灰度的变换缺少物理依据，这会造成SAR图像灰度无法真实表征地物目标的后向散射强度信息。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种SAR图像辐射测量误差的校正方法，用于校正SAR天线方向图加权、传播距离衰减等因素对SAR图像灰度的影响，即校正SAR图像的辐射测量误差。
本发明提供了一种合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，用于校正合成孔径雷达天线的方向图加权和传播距离衰减对合成孔径雷达图像的灰度的影响，包括以下步骤：步骤一，根据合成孔径雷达系统参数与几何参数，计算合成孔径雷达图像中各个像元所对应的天线传播方向与传播斜距；步骤二，根据合成孔径雷达天线的方向图数据和合成孔径雷达信号的传播距离衰减规律，计算合成孔径雷达图像中各个像元的方向图加权校正函数和传播距离加权校正函数；以及步骤三，根据方向图加权校正函数和传播距离加权校正函数，对合成孔径雷达图像中各个像元的灰度进行补偿处理。
在步骤一中，传播斜距为各个像元所对应的真实地物与合成孔径雷达天线的相位中心之间的距离并且计算公式为：
其中，R(n)为第n(n＝1，2，3……)个像元的传播斜距，τ为合成孔径雷达系统的采样延时，fs为合成孔径雷达系统的距离向采样频率，c为光速。
另外，在步骤一中执行：依据合成孔径雷达天线系统的平台位置信息、天线安装信息以及观测场景的先验地形信息，计算合成孔径雷达天线的相位中心相对于观测场景的高度，合成孔径雷达天线的相位中心相对于观测场景的高度的计算公式为：H＝H0-h，其中，H0为合成孔径雷达天线的相位中心的绝对高度并通过合成孔径雷达系统的平台位置信息和天线安装信息获得的，h为观测场景的平均高度并通过测绘数据或先验地形信息获知的。
额外地，在步骤一中还执行：根据合成孔径雷达天线的相位中心相对于观测场景的高度和合成孔径雷达图像中各个像元的传播斜距，按照合成孔径雷达天线的距离向的成像几何关系，计算各个像元的天线照射方向角，各个像元的天线照射方向角的计算公式为：
其中，θ(n)为各个像元的天线照射方向角。
在步骤二中，基于合成孔径雷达天线的发射和接收方向图对合成孔径雷达图像的像元灰度的加权影响，逐个像元地计算合成孔径雷达天线的方向图加权校正函数，其中，方向图加权校正函数为合成孔径雷达天线的发射和接收方向图乘积的倒数。
合成孔径雷达天线的方向图加权校正函数的计算公式为：
其中，K1(n)为合成孔径雷达天线的方向图加权校正函数，f1(θ)为合成孔径雷达天线的发射幅度方向图函数，f2(θ)为合成孔径雷达天线的接收幅度方向图函数，并且在合成孔径雷达系统采用同一个天线收发信号的情况下，f1(θ)与f2(θ)相同。
在步骤二中还执行：基于合成孔径雷达信号的传播距离对合成孔径雷达图像的灰度的加权影响，逐个像元地计算传播距离加权校正函数，其中，合成孔径雷达图像的灰度值与传播距离的三次方成反比例关系。
传播距离加权校正函数的计算公式为：
其中，K2(n)为传播距离加权校正函数。
在发明中，在步骤三中执行：将合成孔径雷达图像中的每个像元的灰度值分别与方向图加权校正函数和传播距离加权校正函数做乘积，并将乘积结果作为对应的新灰度值。
新灰度值的计算公式为：S(n)＝K1(n)K2(n)S0(n)，其中，S(n)为合成孔径雷达图像的距离向的第n个像元校正后的新灰度值，以及S0(n)为合成孔径雷达图像的距离向的第n个像元校正前的灰度值。
因此，采用本发明，可以校正SAR天线方向图加权、传播距离衰减等因素对SAR图像灰度的影响，从而校正了SAR图像的辐射测量误差。
附图说明
图1是本发明的SAR图像辐射测量误差校正方法的流程图；
图2示出了SAR距离向的成像几何关系图；
图3示出了未对辐射测量误差进行校正时的SAR图像；以及
图4示出了采用图1所示方法对辐射测量误差进行校正后的SAR图像。
具体实施方式
下面结合附图1-4及具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所提出的SAR图像辐射测量误差校正方法的基本思路可以概括为以下三个步骤：
首先，依据SAR系统参数与几何参数，计算SAR图像中各像元所对应的天线传播指向与传播斜距；
其次，依据SAR天线方向图数据、SAR信号传播距离衰减规律，计算SAR图像中各像元的方向图加权校正函数、传播距离加权校正函数；
最后，依据计算出的校正函数，对SAR图像中的各像元灰度进行补偿处理。
接下来，将详细描述SAR图像辐射测量误差校正方法，具体步骤如下：
步骤1：依据SAR系统参数与几何参数，计算SAR图像中距离向各像元的斜距，即距离向各像元所对应的真实地物与SAR天线相位中心之间的距离。
在图2中，A表示SAR天线的相位中心，O表示天线相位中心的星下点，B表示测绘带场景的近端，C表示测绘带场景的远端，H表示SAR天线相位中心相对于场景的高度，α表示SAR天线安装位置与水平面的夹角。
SAR图像中距离向第n(n＝1，2，3……)个像元所对应的斜距R(n)的具体计算方法为其中τ表示SAR系统采样延时，fs表示SAR系统距离向采样频率，c为光速。
步骤2：依据SAR系统的平台位置信息、天线安装信息以及观测场景的先验地形信息，计算SAR天线相位中心相对于场景的高度。
在图2中，SAR天线相位中心相对于场景的高度的具体计算方法为H＝H0-h，其中H0为SAR天线相位中心的绝对高度，可由SAR系统的平台位置信息和天线安装信息获得，h为观测场景的平均高度，可通过测绘数据或先验地形信息获知。
步骤3：由SAR天线相位中心相对于场景的高度、SAR图像中各像元的斜距等信息，按照SAR距离向的成像几何关系，计算各像元所对应的天线照射方向角。
在图2中，SAR图像中距离向第n个像元所对应的天线照射方向角θ(n)的具体计算 方法为
步骤4：SAR天线的发射、接收方向图均会对SAR图像像元灰度有加权影响，为抵消此影响，需逐像元计算方向图加权的校正函数。校正函数具体表现为发射、接收幅度方向图乘积的倒数。
SAR图像距离向第n个像元灰度关于SAR天线影响的校正函数的具体计算方法为其中f1(θ)为SAR发射天线的幅度方向图函数，f2(θ)为SAR接收天线的幅度方向图函数。应了解，大部分SAR系统采用同一个天线收发信号，此时f1(θ)与f2(θ)相同。
步骤5：SAR信号的传播距离对SAR图像灰度有着加权影响，其规律是SAR图像灰度值与传播距离的三次方成反比例关系。为抵消此影响，需逐像元计算传播距离加权的校正函数。校正函数具体表现为传播距离的三次方。
SAR图像距离向第n个像元灰度关于SAR传播衰减影响的校正函数的具体计算方法 为
步骤6：依据上述步骤4和5计算出的校正函数，对SAR图像的灰度值进行校正处理，即将SAR图像的每个像元灰度值分别与方向图加权的校正函数K1(n)、传播距离加权的校正函数K2(n)做乘积，并将乘积结果作为该像元新的灰度值。
具体地，灰度校正的具体实现公式为S(n)＝K1(n)K2(n)S0(n)，其中，S0(n)为SAR图像距离向第n个像元校正前的灰度值，S(n)为SAR图像距离向第n个像元校正后的灰度值。
注意，校正前的SAR图像如图3所示，而校正后的SAR图像如图4所示。在图3、图4中，水平方向为SAR距离向，图像左端为场景的近端，图像右端为场景的远端。
如上所述，本发明的SAR图像辐射测量误差校正方法依据天线方向图和传播距离对SAR图像像元灰度的具体影响来定量校正各像元的灰度值，从而达到提升SAR图像辐射测量精度的目的。另外，依据SAR系统参数和几何参数，计算SAR图像中各像元所对应的天线传播指向，同时结合SAR收、发天线方向图数据，计算SAR图像中各像元的方向图加权校正函数。最后，依据SAR系统参数和几何参数，同时结合传播距离对SAR图像灰度值的影响规律，计算SAR图像中各像元的传播距离加权校正函数。
通过本发明的技术方案，可以校正SAR天线方向图加权、传播距离衰减等因素对SAR图像灰度的影响，从而校正了SAR图像的辐射测量误差。
本专利说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
尽管为说明目的公开了本专利的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本专利及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本专利不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，用于校正合成孔径雷达天线的方向图加权和传播距离衰减对合成孔径雷达图像的灰度的影响，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据合成孔径雷达系统参数与几何参数，计算合成孔径雷达图像中各个像元所对应的天线传播方向与传播斜距；
步骤二，根据所述合成孔径雷达天线的方向图数据和合成孔径雷达信号的传播距离衰减规律，计算所述合成孔径雷达图像中所述各个像元的方向图加权校正函数和传播距离加权校正函数；以及
步骤三，根据所述方向图加权校正函数和所述传播距离加权校正函数，对所述合成孔径雷达图像中所述各个像元的灰度进行补偿处理，
所述合成孔径雷达天线的所述方向图加权校正函数的计算公式为：
其中，K1(n)为所述合成孔径雷达天线的所述方向图加权校正函数，f1(θ)为所述合成孔径雷达天线的发射幅度方向图函数，f2(θ)为所述合成孔径雷达天线的接收幅度方向图函数，并且在所述合成孔径雷达系统采用同一个天线收发信号的情况下，f1(θ)与f2(θ)相同，
所述传播距离加权校正函数为所述合成孔径图像距离向第n个像元灰度关于合成孔径传播衰减影响的校正函数并且所述传播距离加权校正函数的计算公式为：
其中，K2(n)为所述传播距离加权校正函数，以及R(n)为所述合成孔径雷达图像中第n，n＝1，2，3……， 个像元所对应的传播斜距，n表示对应像元的次序。
2.根据权利要求1所述的合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述传播斜距为所述各个像元所对应的真实地物与所述合成孔径雷达天线的相位中心之间的距离并且计算公式为：
其中，τ为所述合成孔径雷达系统的采样延时，fs为所述合成孔径雷达系统的距离向采样频率，c为光速。
3.根据权利要求2所述的合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，其特征在于，在所述步骤一中执行：依据所述合成孔径雷达天线系统的平台位置信息、天线安装信息以及观测场景的先验地形信息，计算所述合成孔径雷达天线的相位中心相对于所述观测场景的高度，
所述合成孔径雷达天线的相位中心相对于所述观测场景的高度的计算公式为：
H＝H0-h，
其中，H0为所述合成孔径雷达天线的相位中心的绝对高度并通过所述合成孔径雷达系统的平台位置信息和所述天线安装信息获得的，h为所述观测场景的平均高度并通过测绘数据或先验地形信息获知的。
4.根据权利要求3所述的合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，其特征在于，在所述步骤一中还执行：根据所述合成孔径雷达天线的相位中心相对于所述观测场景的高度和所述合成孔径雷达图像中各个像元的传播斜距，按照所述合成孔径雷达天线的距离向的成像几何关系，计算所述各个像元的天线照射方向角，
所述各个像元的天线照射方向角的计算公式为：
其中，θ(n)为所述各个像元的天线照射方向角。
5.根据权利要求4所述的合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，其特征在于，在所述步骤二中执行：基于所述合成孔径雷达天线的发射和接收方向图对所述合成孔径雷达图像的像元灰度的加权影响，逐个像元地计算所述合成孔径雷达天线的方向图加权校正函数，
其中，所述方向图加权校正函数为所述合成孔径雷达天线的发射和接收方向图乘积的倒数。
6.根据权利要求5所述的合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，其特征在于，在所述步骤二中还执行：基于所述合成孔径雷达信号的传播距离对所述合成孔径雷达图像的灰度的加权影响，逐个像元地计算所述传播距离加权校正函数，
其中，所述合成孔径雷达图像的灰度值与所述传播距离的三次方成反比例关系。
7.根据权利要求6所述的合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，其特征在于，在所述步骤三中执行：
将所述合成孔径雷达图像中的每个像元的灰度值分别与所述方向图加权校正函数和所述传播距离加权校正函数做乘积，并将乘积结果作为对应的新灰度值。
8.根据权利要求7所述的合成孔径雷达图像辐射测量误差校正方法，其特征在于，所述新灰度值的计算公式为：
S(n)＝K1(n)K2(n)S0(n)
其中，S(n)为所述合成孔径雷达图像的距离向的第n个像元校正后的新灰度值，以及S0(n)为所述合成孔径雷达图像的距离向的第n个像元校正前的灰度值。
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