CN106934843A - 一种Ku波段SAR基准图的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种Ku波段SAR基准图的制作方法，包括：确定需要制作的Ku波段SAR基准图的极化方式、入射角θ_Ku、入射频率、分辨率及区域范围；获取n景SAR图像及其入射角、入射频率；对n景SAR图像进行图像预处理，提取n景SAR图像的后向散射系数；确立n景SAR图像的后向散射系数转换至入射角为θ_Ku时的后向散射系数的转换公式；计算地物后向散射系数间的波段转换系数，并得到Ku波段的SAR基准图。本发明通过分析多波段SAR图像后向散射系数间的统计关系，提出了简单快速的，由多波段单极化SAR图像转换制作Ku波段基准图的方法，解决了现有基准图的制作和使用难点，并且基准图质量较高。

Description

一种Ku波段SAR基准图的制作方法

技术领域

本发明涉及一种合成孔径雷达(SAR)图像处理技术，特别是涉及一种Ku波段SAR基准图的制作方法。

背景技术

SAR基准图制作技术是国防科技中的一项重要内容，SAR景象匹配制导系统通过SAR系统获得地面目标区域的实时图像与预先存储的基准图相匹配，依据基准图的地理坐标获得当前地面目标区域精确的地理坐标，进而对飞行平台进行定位以提高飞行平台的制导性能。基准图的精确程度直接影响SAR景象匹配的精度，进而影响SAR景象匹配制导系统的性能。

基准图的制作方法主要包含三类:第一类是基于光学图像的制作方法，即直接使用光学图像或将光学图像转换成SAR图像进行基准图制作；第二类是基于SAR的电磁散射成像机理，建立不同地物散射模型，通过电磁模拟计算的方法实现SAR图像仿真，进而完成基准图的制作；第三类是基于单幅SAR图像的制作方法，即直接使用单幅SAR图像或将单幅SAR图像进行一定转换以得到基准图，如第201510299664.7号中国专利(授权公告号：CN104951796B)，基于X波段SAR图像进行Ku波段基准图的制作。

上述三类方法各有不足：第一类方法，由于光学图像与SAR图像在成像机理上的不同，导致制作的基准图质量不高，增加了后续匹配工作的难度；第二类方法，则需要大量先验辅助数据的支持，如目标区域的光学图像、星载SAR图像、高精度数字高程DEM数据、地形材质属性数据库、地表覆盖类型数据库、后向散射系数数据库及雷达成像系统参数、环境天气参数等，制作过程复杂，导致实际中较难实现；第三类方法简单快速，但目前基于单幅参考SAR图像的制作方法仍然需要借助地物分类图套用不同的转换关系，对SAR数据源及分类算法都提出了较高的要求。

由此可见，上述现有的SAR基准图的制作方法在方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种简单、快速且质量较高的新SAR基准图的制作方法，实属当前本领域的重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种Ku波段SAR基准图的制作方法，使其简单、快速且质量较高，从而克服现有的SAR基准图的制作方法的不足。

为解决上述技术问题，本发明一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其包括以下步骤：A.确定需要制作的Ku波段SAR基准图的极化方式、入射角θ_Ku、入射频率、分辨率及区域范围；B.获取n景SAR图像及其入射角、入射频率；C.对n景SAR图像进行预处理并提取n景SAR图像的后向散射系数；D.确定n景SAR图像的后向散射系数转换至入射角为θ_Ku时的后向散射系数的转换公式；E.计算地物后向散射系数间的波段转换系数，并得到Ku波段的SAR基准图。

作为本发明的一种改进，所述的步骤B中获取的n景SAR图像与需要制作的Ku波段SAR基准图的极化方式相同。

所述的步骤C中所述的预处理包括将n景SAR图像进行几何校正、辐射定标，并裁剪至目标区域范围，统一重采样至目标分辨率。

所述的步骤D中所述转换依据余弦修正、朗伯余弦定律、物理散射模型、半经验散射模型或经验散射模型。

所述的步骤D中所述转换依据余弦修正，转换公式为其中，为步骤C获取的n景SAR图像的后向散射系数图,θ_i为步骤B获取的n景SAR图像的入射角。

所述的步骤B中获取的n景SAR图像与需要制作的Ku波段SAR基准图的入射角相近。

所述的步骤E中，在像元(x,y)处的地物后向散射系数间的波段转换系数κ(x,y)的计算公式为：

当n＝1时，

当n＝2时，

当n>2时，κ(x,y)＝A/B，其中：其中，为步骤C获取的n景SAR图像的后向散射系数图,f_i为步骤B获取的n景SAR图像的入射频率。

在所述的步骤E中，逐像元计算波段转换系数并得到Ku波段的SAR基准图。

在所述的步骤E中，先对SAR图像进行分割，再对分割后的图像分区域计算波段转换系数并得到Ku波段的SAR基准图。

所述的分割基于图像的强度或纹理进行。

采用这样的设计后，本发明Ku波段的SAR基准图制备算法不需要全极化SAR图像、后向散射系数与入射频率的二次方呈正比关系以外的地物先验知识及基于地物先验知识的分类算法，通过分析多波段(SAR图像后向散射系数间的统计关系，提出了简单快速的，由多波段单极化SAR图像转换制作Ku波段基准图的方法，解决了现有基准图的制作和使用难点，并且基准图质量较高。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明一种Ku波段SAR基准图的制作方法的流程示意图。

图2是本发明实施例中获取的2景SAR图像：(a)RADARSAT-2(b)TerraSAR-X。

图3是本发明实施例中得到的Ku波段SAR基准图。

图4是本发明实施例中得到的三幅SAR图像的密度分布直方图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种Ku波段SAR基准图的制作方法主要包括以下步骤：确定需要制作的Ku波段SAR基准图的极化方式及入射角θ_Ku；获取n景SAR图像及其入射角；将n景SAR图像的后向散射系数转换至入射角为θ_Ku时的后向散射系数；以及计算地物后向散射系数间的波段转换系数κ，并进行波段转换得到Ku波段的SAR基准图。

进一步具体来说，本发明技术总路线如下：

(1)确定需要制作的Ku波段SAR基准图的极化方式qp(q,p＝h,v，其中q为接收电磁波的极化方式，p为发射电磁波的极化方式，h为水平极化，v为垂直极化)、入射角θ_Ku、入射频率、分辨率及区域范围。

(2)获得与需要制作的Ku波段SAR基准图相同的qp极化方式下的n景SAR图像(波段分别为：B₁、B₂…B_i…B_n，n≥1且B_i≠Ku)，入射频率与入射角分别记为：f₁、f₂…f_i…f_n与θ₁、θ₂…θ_i…θ_n。

(3)对n景SAR图像预处理。将n景SAR图像进行几何校正、辐射定标等SAR图像预处理操作，裁剪至Ku波段SAR基准图所要求的区域范围，并统一重采样至Ku波段SAR基准图所要求的分辨率下，得到行列数相同的SAR图像。某像元所在的行列数用(x,y)来表示。获取SAR图像的后向散射系数图其中，为后向散射系数的线性值的图，而不是取对数后的dB值。

(4)确定n景SAR图像的后向散射系数图(n≥1)转换至入射角为θ_Ku时的后向散射系数图(n≥1)的转换公式。若转换方法依据余弦修正，则转换公式为

需要说明的是，此处转换方法不仅限于余弦修正，物理散射模型、半经验散射模型、经验散射模型或其它函数关系均可以用来实现后向散射系数在不同入射角之间的转化。

同一SAR图像不同像元处的入射角会有差异，此处为简便计，对整幅图像使用同一入射角θ_i进行纠正，若针对每一像元处的不同入射角分别予以修正，则转换公式变为：

其中，x、y为像元所在的行列号，为(x,y)处像元的后向散射系数。

为了尽可能保证波段转换关系的精度，减少余弦修正对于后向散射系数带来的误差，在获取n景SAR图像时，入射角应选择尽量与目标制作Ku波段SAR图像相近。

(5)计算地物后向散射系数间的波段转换系数，并进行波段转换得到Ku波段的SAR基准图。

波段转换系数的推导过程如下：

由微波散射模型、地基散射计测量结果及SAR图像判读经验，地物后向散射系数具有如下规律：在大多数情形下，地物微波后向散射系数与入射波波长的平方成反比，即与入射波频率的平方成正比。比较典型的是平面、二面角、三面角的后向散射系数均与电磁波频率的平方成正比，因此本发明使用二次方程表示此规律，即：

其中κ(x,y)即为(x,y)处像元的波段转换系数。将上述公式应用于获得的n景SAR图像，其中n为自然数，有：

当n＝1时，

当n>1时，此方程为超定方程，κ无精确解。在方程两端同时左乘：

可得：A＝κ(x,y)·B，

其中：

可得κ(x,y)＝A/B；

特殊的，n＝2时，有：

此外，本步骤也有不限于一种处理方案：首先可以逐像元的计算波段转换系数并进行波段转换，此时的波段转换系数将构成波段转换系数图；其次可以先对SAR图像进行基于强度或纹理的图像分割，对分割后的图像分区域计算波段转换系数图并进行波段转换。

本发明通过先验的假定同一类型地物在多波段(B1、B2…Bi…Bn，n≥1且Bi≠Ku)、相同极化方式、任意入射角下的后向散射系数间的统计规律，获得不同微波波段下后向散射系数与入射电磁波频率的经验关系，进而利用该经验关系及获取的多波段(B1、B2…Bi…Bn，n≥1且Bi≠Ku)单极化SAR图像得到Ku波段下后向散射系数与入射电磁波频率的波段转换系数，进而完成Ku波段基准图的制作。本发明为制作Ku波段SAR基准图提供了一种方法，在不需要全极化SAR图像、先验信息及分类算法的条件下完成SAR图像的快速转换。

以下提供本发明的一个具体实施例。基于获取的RADARSAT-2及TerraSAR图像。

依本发明的技术发明总路线：

(1)确定需要制作的Ku波段SAR基准图的极化方式、入射角θ_Ku、入射频率f_Ku、分辨率及区域范围，本实施例中，Ku波段SAR基准图的极化方式为vv极化，入射角为30°，入射频率为13.6GHz,分辨率为5m，区域范围为所获得SAR图像的公共区域。

(2)获得与需要制作的Ku波段SAR基准图相同的vv极化方式下的2景SAR图像(波段分别为C波段与X波段)，入射频率f_C＝5.4GHz，f_X＝9.6GHz；入射角θ_C＝26.54°，θ_X＝23.80°。

(3)对2景SAR图像使用S1-toolbox软件(https://sentinel.esa.int/web/ sentinel/toolboxes/sentinel-1)进行几何校正、辐射定标等SAR图像预处理操作，裁剪公共区域，并重采样至5m空间分辨率下,行数、列数皆为2000。获取SAR图像的后向散射系数图 如图2所示。

(4)对进行余弦修正，得到

(5)计算地物后向散射系数间的波段转换系数，例如，第1000行，第1000列的像元，其C波段的后向散射系数为-15.31dB，X波段的后向散射系数为-8.01dB，即计算可知：

进一步可得此像元在Ku波段的后向散射系数：

最终制备得到的Ku波段SAR基准图及三幅SAR图像的密度分布直方图分别如图3和图4所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

A.确定需要制作的Ku波段SAR基准图的极化方式、入射角θ_Ku、入射频率、分辨率及区域范围；

B.获取n景SAR图像及其入射角、入射频率；

C.对n景SAR图像进行预处理并提取n景SAR图像的后向散射系数；

D.确定n景SAR图像的后向散射系数转换至入射角为θ_Ku时的后向散射系数的转换公式；

E.计算地物后向散射系数间的波段转换系数，并得到Ku波段的SAR基准图。

2.根据权利要求1所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于所述的步骤B中获取的n景SAR图像与需要制作的Ku波段SAR基准图的极化方式相同。

3.根据权利要求1所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于所述的步骤C中所述的预处理包括将n景SAR图像进行几何校正、辐射定标，并裁剪至目标区域范围，统一重采样至目标分辨率。

4.根据权利要求1所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于所述的步骤D中所述转换依据余弦修正、朗伯余弦定律、物理散射模型、半经验散射模型或经验散射模型。

5.根据权利要求1所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于所述的步骤D中所述转换依据余弦修正，转换公式为

其中，为步骤C获取的n景SAR图像的后向散射系数图,θ_i为步骤B获取的n景SAR图像的入射角。

6.根据权利要求1所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于所述的步骤B中获取的n景SAR图像与需要制作的Ku波段SAR基准图的入射角相近。

7.根据权利要求1所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于所述的步骤E中，在像元(x,y)处的地物后向散射系数间的波段转换系数κ(x,y)的计算公式为：

当n＝1时，

当n＝2时，

当n>2时，κ(x,y)＝A/B，其中：

其中，为步骤C获取的n景SAR图像的后向散射系数图,f_i为步骤B获取的n景SAR图像的入射频率。

8.根据权利要求1所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于在所述的步骤E中，逐像元计算波段转换系数并得到Ku波段的SAR基准图。

9.根据权利要求1所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于在所述的步骤E中，先对SAR图像进行分割，再对分割后的图像分区域计算波段转换系数并得到Ku波段的SAR基准图。

10.根据权利要求9所述的一种Ku波段SAR基准图的制作方法，其特征在于所述的分割基于图像的强度或纹理进行。