CN115079114A

CN115079114A - 基于海洋与角反射器后向散射的机载sar辐射定标方法

Info

Publication number: CN115079114A
Application number: CN202211002842.1A
Authority: CN
Inventors: 赵邢杰; 邓云凯; 刘铁成; 郭航岚; 刘秀清; 刘大成
Original assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Current assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2042-08-22
Also published as: CN115079114B

Abstract

本发明提供一种基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，该方法包括如下步骤：步骤1：设计机载航线，将需要辐射定标的图像与角反射器和海洋规划到相同或者相邻航线；步骤2：对不同极化SAR海洋数据进行一致性处理以及大津阈值处理；步骤3：去除不同入射角下极化SAR海洋数据的后向散射差异并进行天线方向图拟合；步骤4：积分法求解角反射器的真实后向散射值，并结合求解的天线方向图进行相对辐射定标和绝对辐射定标。本发明充分考虑不同波段不同入射角以及不同极化的SAR数据，将海洋作为主要应用场景，去除不同海洋现象所带来的拟合影响，提高相对辐射定标精度。

Description

基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法

技术领域

本发明属于雷达定标领域，具体涉及一种基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法。

背景技术

SAR是一种主动微波遥感雷达，其通过合成孔径的方式得到高分辨率的雷达图像。SAR同时依靠对时间与气候的独立性，成为测量和检查地物目标的重要工具，对实际的地物应用存在重要价值，例如水体识别、滑坡监测、农作物产量分析、森林生物量反演等。

为了充分利用雷达信息，将雷达数据反演的能量与实际地物的散射系数匹配，得到实际可应用的地物信息，必须要进行辐射定标。辐射定标主要包括两部分内容：相对辐射定标和绝对辐射定标。相对辐射定标主要是依据天线方向图补偿各距离向相对的幅度关系，将不同入射角下图像的能量恢复到相对平均水平；绝对辐射定标主要是依据已知点目标或分布式目标的后向散射值，将平均水平校正到准确水平。考虑到噪声对后向散射的影响，绝对辐射定标所使用的目标一般是角反射器，并且能量至少要大于平均噪声的20dB以上。

在实际应用中，天线随时间会受到各种各样的影响，例如热噪声、航线不稳等，会导致实际的天线内部性能与天线波束指向与设计指标产生差异，该部分在辐射定标中主要由相对辐射定标进行校正。在星载SAR中，多采用在不同时间对亚马逊雨林这一均匀后向散射体进行照射确定不同入射角下的能量值进行校正。考虑到类似亚马逊雨林的场景较为稀少，在星载长时间监测时效率不高。并且在非星载SAR的实验中，利用亚马逊雨林进行辐射定标较为困难，所以现在大多数研究考虑利用裸土区域、海洋区域进行相对辐射定标。由于相对辐射定标是要对所有的距离向进行应用，所以理想情况是在所有距离向均有平整区域，所以本发明选用海洋区域进行相对辐射定标。但是海洋也存在诸多海洋现象，例如风浪、海洋内波、海洋锋、海洋涡旋和舰船尾迹等，影响海洋区域反演天线方向图，进而影响辐射定标进程。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，能够将极化SAR数据准确进行辐射定标。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，包括如下步骤：

步骤 1：设计机载航线，将需要辐射定标的图像与角反射器和海洋规划到相同或者相邻航线；

步骤 2：对不同极化SAR海洋数据进行一致性处理以及大津阈值处理；

步骤 3：去除不同入射角下极化SAR海洋数据的后向散射差异并进行天线方向图拟合；

步骤 4：结合求解的天线方向图进行相对辐射定标，利用积分法求解角反射器的真实后向散射值，并进行绝对辐射定标。

进一步地，所述步骤 1 中，具体包括：

根据实际的数据应用与辐射定标需求，在多个地点进行三面角反射器的摆放，并记录 GPS 经纬度坐标以及角反射器的偏航角和入射角；并根据三面角反射器摆放地与海洋区域的距离，设计航线，将实际应用区域、三面角反射器以及海洋区域设计在一条或者相邻航线。

进一步地，所述步骤 2 中，将极化SAR海洋数据进行方位向和距离向分块，利用一致性处理以及大津阈值处理，去除影响天线方向图拟合的多个海洋现象，所述海洋现象包括风浪、海洋内波、海洋锋、海洋漩涡和舰船尾迹。

进一步地，所述步骤 3 中，将所述步骤2中处理得到的极化SAR海洋数据，在不同波段的不同入射余角下，校正不同极化组合的海洋数据的后向散射差异产生的影响，并拟合天线方向图。

进一步地，所述步骤 4 中，计算所述步骤 1 中所选三面角反射器的后向散射截面值；利用所述步骤3中得到拟合的天线方向图与后向散射截面与散射因子的关系，进行相对辐射定标和绝对辐射定标，完成最后的辐射定标。极化SAR海洋数据不同入射角下极化SAR海洋数据。

有益效果：

本发明主要是利用海洋区域拟合天线方向图进行相对辐射定标，角反射器进行绝对辐射定标，最后达到辐射定标目的。考虑到海洋区域具有大范围均匀一致的目标，适合进行天线方向图的反演，但是该方法存在两个问题：1)不同波段不同入射角以及不同极化下，后向散射能量不同；2)海洋存在不同的海洋现象，对拟合天线方向图产生一定的幅度差异。基于上述问题，本发明有益效果为充分考虑不同波段不同入射角以及不同极化的海洋SAR数据，去除不同海洋现象所带来的拟合影响，提高相对辐射定标精度。

附图说明

图1为极化SAR图像方位向和距离向分块示意图；

图2为水平极化的入射余角与后向散射关系图；

图3为积分法求解角反射器后向散射截面示意图；

图4为本发明的基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法流程图；

图5a，图5b为原始海洋图像与利用本发明所提的一致性与大津阈值联合处理得到的图像；其中，图5a为日月湾海洋原始图像，图5b为一致性处理以及大津阈值之后的图像；

图6为经过处理与未经过处理得到的方位求和平均能量图；

图7为本发明所拟合方向图和真实方向图；

图8a，图8b，图8c为利用拟合方向图和真实方向图校正的日月湾海洋图像；其中，图8a为日月湾海洋原始图像，图8b为真实天线方向图校正后的图像，图8c为真实天线方向图校正后的图像；

图9a，图9b，图9c为利用拟合方向图和真实方向图校正的同轨日月湾图像；其中，图9a为日月湾原始图像，图9b为真实天线方向图校正后的图像，图9c为拟合天线方向图校正后的图像；

图10为绝对辐射定标角反射器示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图4所示，根据本发明的一个实施例，提出一种基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，该方法包括：

步骤1：设计机载航线，将需要辐射定标的图像与角反射器和海洋规划到相同或者相邻航线。

在实际的机载飞行中，航线规划是首要步骤，确保飞行场景与实际的需求相关联。本着节约资源，提高效率的目的，考虑到系统的稳定性，在辐射定标时，要尽量将应用场景、角反射器与海洋目标放到一个航线上或者相邻航线。对于角反射器来说，要记录经纬度值、偏航角与入射角等，在后续定标过程中便于在图像中找出具体位置并进行精度验证。

步骤2：对不同极化SAR海洋数据进行一致性处理以及大津阈值处理；

对于海洋图像来说，经常会出现一些海洋现象，例如风浪、海洋内波、海洋锋、海洋涡旋和舰船尾迹等，这些由于散射体本身特性引起的图像亮暗不均匀不是因为波束指向的原因，极大程度地影响天线方向图的拟合。图像的一致性处理主要是在确定单元格大小的条带内，在给定的置信度条件下，对每一单元格采用均值方差法进行检验，来去除图像中的非均匀像素点。如图1所示，首先将海洋数据在方位向和距离向分块。图中N _a为方位向点数，N _r为距离向点数，n _a为均分方位向块的点数，n _r为均分距离向块的点数。所以方位向分块数为

，距离向分块数为

，其中

表示数字向下取整符号。然后对每一块求均值比方差。

均值方差法的主要思想为：由于均值是反映数据集中趋势的一项指标，方差是衡量随机变量或一组数据时离散程度的度量，所以可以得出区域内的均值越大，方差越小，整个区域越均匀，反之，越不均匀，体现在海洋区域上，会存在亮点或一些波纹等。通过设置阈值，将求出的能量在大于阈值的部分留下，去除剩余部分。对于留下的部分，使用大津阈值法，通过遍历，求出不同灰度下类间方差最大值，其对应的灰度值即为阈值。如果每块中大于阈值部分占比小于50%，也将去除该块。

步骤3：去除不同入射角下极化SAR海洋数据的后向散射差异并进行天线方向图拟合；

考虑到在不同入射角下极化SAR海洋数据的后向散射差异，如图2所示，首先对上一步处理后的图像沿入射角补偿该误差。然后将补偿后的图像能量值沿相同入射角方向进行加权平均。对加权后的数据进行二次拟合，得到最终拟合的天线方向图。

步骤4：结合求解的天线方向图进行相对辐射定标，利用积分法求解角反射器的真实后向散射值，并进行绝对辐射定标。

上述步骤得到了进行相对辐射定标的天线方向图结果。本步骤中，将进行绝对辐射定标。绝对辐射定标主要是利用角反射器建立雷达地物的真实后向散射系数。根据角反射器的尺寸以及雷达波长，得到最大的后向散射截面值。本发明利用的是三面角，其最大的后向散射截面值为：

(1)

其中，a为三面角反射器短边长度，λ为雷达波长。

通过该后向散射能量值，将三面角图像中体现的后向散射截面值校正到正确数值，得到校正因子。然后将场景其他能量值通过校正因子也校正到正确数值。需要注意的是在求解三面角图像的后向散射截面值时，要进行积分求解，如图3所示，即以三面角的最大能量值为中心，沿方位向和距离向求解十字能量值的和。如果在实际极化应用中使用的是散射因子σ ⁰，可以通过其与后向散射截面的关系进行转换求解，关系为：

(2)

其中，∆A为方位向像素值，∆R为距离向像素值，θ为入射角。

实施例1

中国科学院空天信息创新研究院于2021年1月开始在中国海南进行了L、X多频联合全极化SAR实验，实验内容包括裸土物理反演、多波段联合应用、海洋应用等，得到了大量森林、裸土、海洋等常见地物的全极化数据。本实施例中应用的数据来源于海南日月湾第三轨L波段HH极化数据。

图5a为使用的原始海洋数据，在海面上一些黑色的“粗线”为海洋现象，这种现象最可能为两侧水体流速不一样使得中间部分产生镜面散射。在图5a中图像中间还存在较亮的条纹，已用圆圈标注，其为运动的船只。经过对方位向和距离向分50*50的数据块，并通过一致性以及大津阈值处理得到的图像为图5b。图6为未经处理的数据以及处理后的结果，可以明显看出，未经处理的数据具有相当的波动性，其中方块标出的突出位置即为图5a中运动的船只位置。通过将非均匀区域去除，得到一致性处理以及大津阈值处理后的结果，可以进行后续处理。通过考虑图2中L波段的入射余角与后向散射关系，得到拟合的不同入射角下的天线方向图，如图7中的实线所示。通过与图7中较粗的点线所体现的微波暗室测量的实际天线方向图对比，求解均方根误差，得到结果为0.4253。通过将拟合的天线方向图与实际的天线方向图分别带入未进行辐射定标的海洋数据以及其同轨数据，得到图8a，图8b，图8c和图9a，图9b，图9c的结果。通过对比图8b，图9b与图8c，图9c所代表的天线方向图与实际的天线方向图拟合的结果，可以看出效果相差甚微，从而证明了本发明所提的相对辐射定标算法部分的有效性。

经过相对辐射定标后，选用三面角反射器进行绝对辐射定标。图10为所选的三面角反射器图像，白色箭头指向的方块为角反射器摆放的地点，右上图为角反射器二维插值图像，右下角图为角反射器实物图。可以从二维插值图中看出，角反射器十字略微倾斜，这是由于飞机逆风飞行导致了轻微的斜视。最后通过角反射器以及海洋数据，可以得到最后的辐射定标结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求 1 所述的基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，其特征在于，所述步骤 1 中，具体包括：

根据实际的数据应用与辐射定标需求，在多个地点进行三面角反射器的摆放，并记录GPS 经纬度坐标以及角反射器的偏航角和入射角；并根据三面角反射器摆放地与海洋区域的距离，设计航线，将实际应用区域、三面角反射器以及海洋区域设计在一条或者相邻航线。

3.根据权利要求 2 所述的基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，其特征在于，所述步骤 2 中，

将极化SAR海洋数据进行方位向和距离向分块，利用一致性处理以及大津阈值处理，去除影响天线方向图拟合的多个海洋现象，所述海洋现象包括风浪、海洋内波、海洋锋、海洋漩涡和舰船尾迹。

4.根据权利要求 3 所述的基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，其特征在于，所述步骤 3 中，将所述步骤2中处理得到的极化SAR海洋数据，在不同波段的不同入射余角下，校正不同极化组合的海洋数据的后向散射差异产生的影响，并拟合天线方向图。

5.根据权利要求 4 所述的基于海洋与角反射器后向散射的机载SAR辐射定标方法，其特征在于，所述步骤 4 中，计算所述步骤 1 中所选的三面角反射器的后向散射截面值；利用所述步骤3中得到拟合的天线方向图与后向散射截面与散射因子的关系，进行相对辐射定标和绝对辐射定标，完成最后的辐射定标。