CN113740821A - 星载p波段sar二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，包括：S1、对整幅SAR图像进行分块，得到掩膜子图像；S2、对每幅掩膜子图像使用LML‑PGA，得到子块SPE估计值；S3、针对相同距离向、不同方位向的子块SPE估计值进行方位向拼接，得到每个块距离门的全孔径SPE估计；S4、采用距离向插值进行全孔径SPE估计距离向升采样，得到SPE全局估计；S5、对受到电离层闪烁效应影响的星载P波段SAR图像数据进行全局SPE补偿。本发明可以对星载P波段SAR图像中的SPE进行估计和补偿，能够使方位向散焦的SAR图像重新聚焦。相比于现有的PGA方法，该方法对二维空变的SPE具有更优的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及航天和微波遥感的交叉技术领域，更具体地说，特别涉及一种星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法。
背景技术
星载P波段SAR系统因其对叶簇以及浅层地表的良好穿透能力，成为近些年来星载SAR发展的重要方向之一，该波段系统将在全球生物量反演、军事目标侦察等领域发挥重要作用。然而，电离层不规则体引起的闪烁效应将会严重影响星载P波段SAR的方位图像聚焦。据研究表明，在不规则体参数变化范围内，方位分辨率恶化可达百米量级。目前为止，尚没有在轨运行的P波段SAR系统，究其原因，电离层闪烁效应是阻碍其发展的主要瓶颈之一。
国内外一些学者提出使用经典PGA(Phase Gradient Autofocus，相位梯度自聚焦)方法来估计和补偿SPE(Scintillation Phase Error，闪烁相位误差)，并针对仿真的点目标场景进行了PGA性能分析，以及针对仿真的小尺寸面目标场景进行了PGA估计和补偿实验。但对于大尺寸的P波段SAR观测场景图像来说，其中的SPE呈现二维空变性，而经典PGA方法的应用前提是相位误差的空不变性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，包括以下步骤：
S1、对整幅SAR图像进行分块，得到掩膜子图像；
S2、对每幅掩膜子图像使用极大似然估计器的PGA算法，得到子块SPE估计值；
S3、针对相同距离向、不同方位向的子块SPE估计值进行方位向拼接，得到每个块距离门的全孔径SPE估计；
S4、采用距离向插值进行全孔径SPE估计距离向升采样，得到SPE全局估计；
S5、对受到电离层闪烁效应影响的星载P波段SAR图像数据进行全局SPE补偿。
进一步地，所述步骤S1具体为，
对整幅SAR图像s(i0,j0)进行分块操作，得到M×N个掩膜子图像smn(i0,j0),1≤m≤M,1≤n≤N，设定M是Ma的整数倍、Nr是N的整数倍，每个掩膜子图像尺寸与原图像一致，且可表示为：
进一步地，所述步骤S2具体包括：
S20、对每个掩膜子图像进行特显点选择，选择子图像中能量大于设定值的像素，特显点距离坐标为jα∈Θ；
S21、对挑选出来的特显点对应的每一条距离线进行方位快速傅立叶变化，将其变换至多普勒域Smn(i0，jα)＝FFTa{smn(i0，jα)}，jα∈Θ，其中FFTa{·}为方位FFT算子；
S22、使用极大似然估计器得到关于闪烁相位误差梯度的估计
其中，Im{·}意味着取复数的虚部，
表示Smn(i0，jα)的共轭；
S23、通过方位向累加器得到闪烁相位误差估计
进一步地，所述步骤S3具体包括：
S30、赋值
使用最优化过程估计φa、φb两个一维向量之间的错开距离
其中，norm[·]表示取一维向量的2-范数，end表示该一维向量的长度，：表示坐标索引范围；
S31、基于估计得到的错开距离L，对φa、φb进行拼接：
其中，
表示两个向量的首尾接合；
S32、重新赋值
重复步骤S30-S31，直至
并得到拼接向量
其中，kn表示第n个全孔径SPE估计的离散坐标值，1≤kn≤Kn。
进一步地，所述步骤S4具体包括：
S40、令
均为列向量，构造二维矩阵
该矩阵的第一维度长度为K1,K2,...,KN，KN的最大值记为K，第二维长度为N；
S41、使用距离向插值，对矩阵第一维升采样Nr/N倍，得到矩阵
该矩阵
为SPE的全局估计，其第一维度长度为K，第二维度长度为Nr。
进一步地，所述步骤S5采用如下公式进行全局SPE补偿
其中，scor为全局SPE补偿后的星载P波段SAR图像，IFFTa{·}为方位逆快速傅立叶变化算子，sp为第p距离线对应的掩膜子图像，s′p为sp进行SPE补偿后的掩膜子图像，sp可以表示为
为第p距离线对应的SPE估计索引，表示为：
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可以对星载P波段SAR图像中的SPE进行估计和补偿，能够使方位向散焦的SAR图像重新聚焦。相比于现有的PGA方法，该方法对二维空变的SPE具有更优的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法的流程图。
图2是本发明闪烁效应影响下的星载P波段SAR点阵场景仿真图像。
图3是本发明闪烁效应影响下的中间点目标(序号6或6’)性能评估图。
图4是针对图2图像数据执行图像分块、LML-PGA以及方位向拼接后的一维全孔径SPE估计结果图。
图5是针对图2图像数据执行距离向插值后的SPE二维全局估计结果图。
图6是本发明闪烁效应校正后的中间点目标(序号6或6’)性能评估图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明的思路是对SAR图像进行分块生成掩膜子图像，然后对每个掩膜子图像应用LML-PGA(Local Maximum likelihood PGA，局部极大似然PGA)，从而估计得到对应的SPE，然后根据SPE估计沿着方位向呈现交错重叠以及沿着距离向呈现空间缓变的特性进行方位向拼接和距离向插值，最终得到全局SPE估计，并以此来补偿SAR图像中二维空变的SPE。
输入受电离层闪烁效应影响的星载P波段SAR单视复图像s(i0，j0)，i0代表方位向离散坐标且1≤i0≤Ma，j0代表距离向离散坐标且1≤j0≤Nr，Ma为图像方位向采样点数，Nr为图像距离向采样点数。
参阅图1所示，本实施例公开了一种星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，包括以下步骤：
步骤S1、对整幅SAR图像进行分块，得到掩膜子图像，该步骤具体为：
对整幅SAR图像s(i0，j0)进行分块操作，得到M×N个掩膜子图像smn(i0，j0)，1≤m≤M，1≤n≤N，为了方便计算，设定M是Ma的整数倍、Nr是N的整数倍，每个掩膜子图像尺寸与原图像一致，且可表示为：
步骤S2、对每幅掩膜子图像使用LML-PGA(即极大似然估计器的PGA算法)，得到子块SPE估计值，其中，极大似然PGA(ML-PGA)就是指采用极大似然估计算子的PGA算法，对应的还有线性无偏最小方差(LUMV)、加权最小方差(WLS)等估计算子。而局部极大似然PGA(LML-PGA)实际上就是指分块后对局部的子图像应用极大似然PGA。
该步骤S2具体包括：
步骤S20、对每个掩膜子图像进行特显点选择，选择子图像中能量大于设定值的像素，特显点距离坐标为jα∈Θ。
步骤S21、对挑选出来的特显点对应的每一条距离线进行方位FFT(Fast FourierTransform，快速傅立叶变化)，将其变换至多普勒域Smn(i0，jα)＝FFTa{smn(i0，jα)}，jα∈Θ，其中FFTa{·}为方位FFT算子。
步骤S22、使用极大似然估计器得到关于闪烁相位误差梯度的估计
其中，Im{·}意味着取复数的虚部，
表示Smn(i0，jα)的共轭。
其中，LML-PGA是使用极大似然估计器的PGA算法，对应的还有线性无偏最小方差(LUMV)、加权最小方差(WLS)等估计算子，如LUMV-PGA、WLS-PGA。
步骤S23、通过方位向累加器得到闪烁相位误差估计，即
其中，方位向累加器沿着方位向进行累加。
累加器的通俗表示式：
X(1)＝x(1)；X(2)＝x(1)+x(2)；X(3)＝x(1)+(2)+x(3)；…
X(n)＝x(1)+…+x(n)。
步骤S3、针对相同距离向、不同方位向的子块SPE估计值进行方位向拼接，得到每个块距离门的全孔径SPE估计，也就是对
进行方位向拼接，该步骤具体包括：
步骤S30、进行赋值，即
并且使用最优化过程估计φa、φb两个一维向量之间的错开距离L，该过程可以表示为：
其中，norm[·]表示取一维向量的2-范数，end表示该一维向量的长度，：表示坐标索引范围。
步骤S31、基于估计得到的错开距离L，对φa、φb进行拼接，即表示为：
步骤S32、重新赋值
重复步骤S30-S31，直至φa＝φab，
并得到拼接向量
其中，kn表示第n个全孔径SPE估计的离散坐标值，1≤kn≤Kn。
经过上述步骤S30-S32，可得到N个全孔径SPE估计，即
步骤S4、采用距离向插值进行全孔径SPE估计距离向升采样，得到SPE全局估计。该步骤具体包括：
步骤S40、令
均为列向量，构造二维矩阵：
该矩阵的第一维度长度为K1，K2，...，KN，KN的最大值记为K(长度不足的向量尾部补零至K)，第二维长度为N。
S41、使用距离向插值，对矩阵第一维升采样Nr/N倍，得到矩阵
该矩阵
即为SPE的全局估计，其第一维度长度为K，第二维度长度为Nr。
步骤S5、对受到电离层闪烁效应影响的星载P波段SAR图像数据进行全局SPE补偿。
基于步骤S4得到SPE的全局估计，然后进行全局SPE补偿，具体的，步骤S5采用如下公式进行全局SPE补偿：
其中，scor为全局SPE补偿后的星载P波段SAR图像，IFFTa{·}为方位逆快速傅立叶变化算子，sp为第p距离线对应的掩膜子图像，s′p为sp进行SPE补偿后的掩膜子图像，sp可以表示为：
其中，round(·)为取四舍五入操作。
下面通过具体实施方式对本发明作进一步验证。
图2为闪烁效应影响下的星载P波段SAR点阵场景仿真图像显示。仿真参数：中心频率为500MHz，卫星高度为700km，入射角为30度，系统带宽为56MHz，多普勒带宽为1223Hz，闪烁强度为1033，谱指数为3，外尺度为10km，相位屏高度350km，场景方位向和地距向尺寸为10km×10km，相邻点目标之间间隔1km。理想情况下，星载P波段SAR方位向设计分辨率约为5m，不加窗情况下的方位向PSLR(Peak-to-Side-Lobe Ratio，峰值旁瓣比)应为-13.3dB，方位向ISLR(Integrated-Side-Lobe Ratio，积分旁瓣比)应为-9.8dB，且无峰值功率损失。
图3为闪烁效应影响下的中间点目标(序号6或6’)性能评估图。如图3所示，受到电离层闪烁效应的影响，点目标的方位向图像严重散焦，其中方位向分辨率恶化至5.70m，展宽系数为1.15，PSLR恶化至-0.39dB，ISLR恶化至4.13dB，峰值功率损失6.42dB。
下表1为为闪烁效应影响下星载P波段SAR点阵场景仿真图像中不同点目标方位向剖面指标。可见，一方面，受到电离层闪烁效应的影响，方位向恶化主要表现为旁瓣性能恶化(PSLR、ISLR增高)以及峰值能率损失；另一方面，不同点目标的恶化程度不同，这表明SPE具有二维空变性。
表1
图4为针对图2图像数据执行图像分块、LML-PGA以及方位向拼接后的一维全孔径SPE估计结果(与仿真注入的原始一维全孔径SPE对比)。针对图2图像数据，首先执行图像分块，这里手动将其分为11×11个子块，每个掩膜子图像包含一个点目标；其次，对每个掩膜子图像执行LML-PGA，可得到子块SPE估计结果；针对同一距离门内相邻点目标，估计子块SPE估计值之间的错开距离L，基于此对同一距离门内的11个点目标对应的子块SPE估计值进行方位向拼接，得到11个块距离门对应的全孔径SPE估计结果。可见，估计结果与仿真注入的原始一维全孔径SPE吻合得较好，从而验证了本发明方法在处理SPE方位向空变上具有有效性。
图5为针对图2图像数据执行距离向插值后的SPE二维全局估计结果(与仿真注入的原始二维SPE对比)。针对图4得到的11个块距离门对应的全孔径SPE估计结果，沿着距离向进行插值，从而得到二维全局的SPE估计结果，如图5(a)所示，与图5(b)中仿真注入的原始二维SPE具有较高的一致性，从而验证了本发明方法在处理SPE距离向空变上具有有效性。
图6为闪烁效应校正后的中间点目标(序号6或6’)性能评估图。利用SPE全局估计结构，进一步执行全局SPE补偿，从而得到闪烁效应校正后的星载P波段SAR图像，随后对其中的中间点目标进行性能评估。可见，闪烁效应校正后，点目标的方位向图像得到了明显改善，其中方位向分辨率为5.17m，展宽系数为1.04，PSLR为-14.11dB，ISLR为-9.35dB，峰值功率损失下降至0.71dB。
下表2为闪烁效应校正后星载P波段SAR点阵场景仿真图像中不同点目标方位向剖面指标。可见，经过本发明处理后，闪烁效应得到了有效抑制，场景内所有点目标方位向成像性能都得到了有效改善，方位向展宽不超过6％，PSLR恢复至理想情况，ISLR恶化不超过1dB，峰值功率损失不超过2.5dB。
表2
| 点目标序号 | 方位分辨率(m) | 展宽系数 | PSLR(dB) | ISLR(dB) | 峰值功率损失(dB) |
| 1 | 5.04 | 1.02 | -13.38 | -9.71 | 0.38 |
| 2 | 5.03 | 1.01 | -14.49 | -8.63 | 0.43 |
| 3 | 5.06 | 1.02 | -13.80 | -9.85 | 0.48 |
| 4 | 5.08 | 1.02 | -14.48 | -9.90 | 2.32 |
| 5 | 5.19 | 1.05 | -14.46 | -10.00 | 0.81 |
| 6 | 5.17 | 1.04 | -14.11 | -9.35 | 0.71 |
| 7 | 5.11 | 1.03 | -13.84 | -9.27 | 2.35 |
| 8 | 5.09 | 1.03 | -14.21 | -8.66 | 1.54 |
| 9 | 5.11 | 1.03 | -13.64 | -10.17 | 1.64 |
| 10 | 5.01 | 1.01 | -13.60 | -9.77 | 0.18 |
| 11 | 5.03 | 1.01 | -13.19 | -9.49 | 1.36 |
| 1’ | 5.04 | 1.02 | -13.39 | -9.06 | 0.30 |
| 2’ | 5.16 | 1.04 | -14.37 | -9.85 | 1.27 |
| 3’ | 5.12 | 1.03 | -14.24 | -9.80 | 1.35 |
| 4’ | 5.16 | 1.04 | -14.76 | -10.34 | 2.09 |
| 5’ | 5.15 | 1.04 | -15.03 | -9.27 | 1.67 |
| 6’ | 5.17 | 1.04 | -14.11 | -9.35 | 0.71 |
| 7’ | 5.20 | 1.06 | -14.63 | -8.85 | 1.09 |
| 8’ | 5.14 | 1.04 | -15.53 | -10.26 | 2.26 |
| 9’ | 5.04 | 1.02 | -13.30 | -9.18 | 1.25 |
| 10’ | 5.12 | 1.03 | -13.70 | -9.56 | 1.20 |
| 11’ | 5.19 | 1.05 | -13.93 | -10.11 | 0.86 |
本发明的方法可以对星载P波段SAR图像中的SPE进行估计和补偿，能够使方位向散焦的SAR图像重新聚焦。相比于经典PGA，该方法对二维空变的SPE具有更优的适应性。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对整幅SAR图像进行分块，得到掩膜子图像；
S2、对每幅掩膜子图像使用极大似然估计器的PGA算法，得到子块SPE估计值；
S3、针对相同距离向、不同方位向的子块SPE估计值进行方位向拼接，得到每个块距离门的全孔径SPE估计；
S4、采用距离向插值进行全孔径SPE估计距离向升采样，得到SPE全局估计；
S5、对受到电离层闪烁效应影响的星载P波段SAR图像数据进行全局SPE补偿。
2.根据权利要求1所述的星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，其特征在于，所述步骤S1具体为，
对整幅SAR图像s(i0，j0)进行分块操作，得到M×N个掩膜子图像smn(i0，j0)，1≤m≤M，1≤n≤N，设定M是Ma的整数倍、Nr是N的整数倍，每个掩膜子图像尺寸与原图像一致，且可表示为：
3.根据权利要求1所述的星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S20、对每个掩膜子图像进行特显点选择，选择子图像中能量大于设定值的像素，特显点距离坐标为jα∈Θ；
S21、对挑选出来的特显点对应的每一条距离线进行方位快速傅立叶变化，将其变换至多普勒域Smn(i0，jα)＝FFTa{smn(i0，jα)}，jα∈Θ，其中FFTa{·}为方位FFT算子；
S22、使用极大似然估计器得到关于闪烁相位误差梯度的估计
其中，Im{·}意味着取复数的虚部，
表示Smn(i0，jα)的共轭；
S23、通过方位向累加器得到闪烁相位误差估计
4.根据权利要求1所述的星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S30、赋值
使用最优化过程估计φa、φb两个一维向量之间的错开距离
其中，norm[·]表示取一维向量的2-范数，end表示该一维向量的长度，：表示坐标索引范围；
S31、基于估计得到的错开距离l，对φa、φb进行拼接：
其中，
表示两个向量的首尾接合；
S32、重新赋值
重复步骤S30-S31，直至
并得到拼接向量
其中，kn表示第n个全孔径SPE估计的离散坐标值，1≤kn≤Kn。
5.根据权利要求1所述的星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S40、令
均为列向量，构造二维矩阵
该矩阵的第一维度长度为K1，K2，...，KN，KN的最大值记为K，第二维长度为N；
S41、使用距离向插值，对矩阵第一维升采样Nr/N倍，得到矩阵
该矩阵
为SPE的全局估计，其第一维度长度为K，第二维度长度为Nr。
6.根据权利要求1所述的星载P波段SAR二维空变闪烁相位误差的估计与补偿方法，其特征在于，所述步骤S5采用如下公式进行全局SPE补偿：
其中，scor为全局SPE补偿后的星载P波段SAR图像，IFFTa{·}为方位逆快速傅立叶变化算子，sp为第p距离线对应的掩膜子图像，s′p为sp进行SPE补偿后的掩膜子图像，sp可以表示为
为第p距离线对应的SPE估计索引，表示为：
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-
2021
- 2021-09-14 CN CN202111075092.6A patent/CN113740821A/zh active Pending
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| CN116008927B (zh) * | 2022-12-29 | 2024-04-05 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于psp-ca的低波段星载sar电离层闪烁相位误差校正方法 |
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