CN115113258B - 一种星载sar幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，包括：S1、对SAR幅度闪烁条纹幅度图像取对数，并进行镜像对称、二维快速傅里叶变换操作，得到图像频谱域；S2、在条纹能量方向上构造带阻高斯滤波器；S3、利用构造的带阻高斯滤波器对频域数据进行滤波处理，采用傅里叶逆变换将频域数据转换至图像域，得到双程的幅度闪烁误差；S4、利用周期图法进行单程强度功率谱估计；S5、取测量功率谱的低频成分进行拟合，测得闪烁强度CkL和谱指数p。本发明能够基于包含幅度闪烁条纹的星载SAR图像实现电离层闪烁参数的测量。
Description
技术领域
本发明涉及天基微波遥感与地球空间天气的交叉技术领域，更具体地说，特别涉及一种星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法。
背景技术
相较于更高波段的星载SAR系统，低波段(L波段和P波段)星载SAR一方面具有更强的穿透能力，能够实现植被或浅层地表下隐蔽目标的探测与成像；另一方面具有对生物量更高的敏感性，对研究全球碳循环与气候变化监测具有重要意义。但由于其工作频率低，低波段星载SAR容易受到电离层效应的影响。在特定的地磁场作用下，低纬地区的各向异性的电离层不规则体可导致SAR幅度闪烁条纹，该现象广泛呈现于L波段SAR卫星(如ALOSPALSAR、ALOS-2 PALSAR-2)图像中。
针对星载L波段SAR图像中的幅度闪烁条纹，目前的校正方法主要是在频域对幅度误差能量与低频地物能量的进行分离，最终实现条纹去除。而幅度闪烁误差估计结果作为条纹去除的衍生物，反映了电离层不规则体幅度闪烁效应对电磁波信号的影响程度，因此可以用于测量电离层闪烁参数。为此，有必要开发一种星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，基于幅度闪烁误差估计结果进行强度功率谱估计，然后再利用理论的功率谱与测量功率谱进行拟合，从而测量得到闪烁强度CkL以及谱指数p。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，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：
一种星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，包括以下步骤：
S1、对SAR幅度闪烁条纹幅度图像取对数，并进行镜像对称、二维快速傅里叶变换操作，得到图像频谱域；
S2、在条纹能量方向上构造带阻高斯滤波器；
S3、利用构造的带阻高斯滤波器对频域数据进行滤波处理，采用傅里叶逆变换将频域数据转换至图像域，得到双程的幅度闪烁误差；
S4、利用周期图法进行单程强度功率谱估计；
S5、取测量功率谱的低频成分进行拟合，测得闪烁强度CkL和谱指数p。
进一步地，所述步骤S1中对SAR幅度闪烁条纹幅度图像取对数包括：
首先、采用以下公式对输入图像M取幅度：
|M|＝Zea
式中，Z表示图像地物目标信息，a0＝ea表示幅度闪烁误差；
然后、对幅度图像取对数，得到信号ln|M|＝lnZ+a。
进一步地，所述步骤S2中的带阻高斯滤波器由连续的数个带阻滤波器组成。
进一步地，所述步骤S4中利用周期图法进行单程强度功率谱估计的公式为：
式中，κr为电离层相位屏距离向波数，Δκr＝2π/(dri·Nr)为距离波数域采样间隔，m＝1，2，...，Nr，Nr为SAR图像距离向点数，dri＝dr(Hs-Hi)/Hs为相位屏距离向采样间隔，Hi为电离层高度，FFTr()表示距离向快速傅里叶变换。
进一步地，所述步骤S5中拟合的公式为：
式中，||||表示求向量的范数，为球面波路径修正因子，λ为电磁波波长，θ为入射角，Hs为卫星高度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，能够基于包含幅度闪烁条纹的星载SAR图像实现电离层闪烁参数的测量。
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SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法的流程图。
图2中(a)为一景没有受到电离层闪烁效应影响的PALSAR图像，(b)为仿真的双程幅度闪烁误差，(c)仿真的SAR幅度闪烁条纹图像。
图3中(a)为仿真的SAR幅度闪烁条纹图像幅度闪烁误差估计结果，(b)为残差。
图4为仿真的SAR幅度闪烁条纹图像强度功率谱拟合及参数测量结果。
图5为实测数据验证实验中所用的PALSAR幅度闪烁条纹图像。
图6为PALSAR幅度闪烁条纹图像幅度闪烁误差估计结果。
图7为PALSAR幅度闪烁条纹图像强度功率谱拟合及参数测量结果。
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。
输入受电离层幅度闪烁条纹影响的低波段星载SAR图像数据M。并且已知电磁波波长λ，入射角为θ，卫星高度Hs，星载SAR图像距离向采样间隔dr。
参阅图1所示，本实施例公开了一种星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、对SAR幅度闪烁条纹幅度图像取对数，并进行镜像对称、二维快速傅里叶变换操作，得到图像频谱域。
具体的，对输入图像M取幅度：
|M|＝Zea
式中，Z表示图像地物目标信息，a0＝ea表示幅度闪烁误差。再做对数操作将幅度闪烁误差由乘性噪声转化为加性噪声，得到信号：
ln|M|＝ln Z+a
为了避免傅里叶变换的边际效应，以图像中心进行镜像翻折，填充为原图像两倍尺寸。最后对图像做二维快速傅里叶变换，得到图像频谱域。
步骤S2、在条纹能量方向上构造带阻高斯滤波器。
具体的，在条纹能量方向上构造滤波器。该滤波器由连续的数个带阻滤波器组成，起点距离原点一定距离以避开低频的图像信息部分。另外由于图像进行了镜像翻折，产生了对称方向的条纹，因此滤波器也要添加对称的一条带阻滤波器。
优选地，本实施例采用高斯滤波器。
步骤S3、利用构造的带阻高斯滤波器对频域数据进行滤波处理，采用傅里叶逆变换将频域数据转换至图像域，得到双程的幅度闪烁误差。
具体的，利用构造的滤波器对频域图像做滤波处理，然后做傅里叶逆变换将频域数据转换至图像域，滤波后的图像为M′，滤掉的成分为幅度闪烁误差
注意，为双程幅度闪烁误差，单程幅度闪烁误差为/>单程强度闪烁误差为
步骤S4、利用周期图法进行单程强度功率谱估计。
具体的，利用周期图法进行单程强度功率谱估计：
式中，κr为电离层相位屏距离向波数Δκr＝2π/(dri·Nr)为距离波数域采样间隔，m＝1，2，...，Nr，Nr为SAR图像距离向点数，dri＝dr(Hs-Hi)/Hs为相位屏距离向采样间隔，Hi为电离层高度，一般取经验值350公里，FFTr()表示距离向快速傅里叶变换。
步骤S5、取测量功率谱的低频成分进行拟合，测得闪烁强度CkL和谱指数p。
具体的，理论的强度功率谱可表示为：
式中，re为常数，代表经典电子半径，κ0＝2π/L0为外尺度L0对应的波数，L0通常取10公里，为球面波路径修正因子，Γ()表示伽马函数。上式中仅CkL和p为未知参数。
由于幅度误差估计结果中仍然包含高频地物能量，因此取功率谱的低频成分进行拟合，拟合过程可描述为：
式中，||||表示求向量的范数。
图2(a)为一景没有受到电离层闪烁效应影响的PALSAR图像，可见PALSAR图像中无明显的幅度闪烁条纹现象。图2(b)为仿真的双程幅度闪烁误差，其均值为1.00，标准差为0.15，仿真参数：CkL＝3×1034、log CkL＝34.48，p＝3，L0＝10公里，且其他参数采用PALSAR系统参数。图2(c)为图2(a)与图2(b)的乘积，即仿真的SAR幅度闪烁条纹图像。
图3(a)为幅度闪烁条纹误差估计结果，其均值为1.01，标准差为0.13。图3(b)为幅度闪烁条纹误差估计结果与仿真的双程幅度闪烁误差之比，即为估计残差，其均值为1.01，标准差为0.07，标准差的下降说明了幅度误差估计结果与仿真注入的误差具有较好的一致性。
图4为强度功率谱拟合及参数测量结果。图中蓝色实线为利用周期图法估计得到的单程强度功率谱，绿色虚线为实际功率谱曲线，红色实线为拟合功率谱曲线，可见实际功率谱曲线与拟合功率谱曲线具有很好地一致性。另外，图中标出了电离层闪烁参数测量结果，测得CkL＝2.63×1034或者log CkL＝34.42，谱指数为p＝3.10，与参数真值相近，从而验证了该方法的有效性。
图5为包含幅度闪烁条纹的实际PALSAR图像。该图像获取于2008年3月26日的亚马逊雨林地区，编号为ALPSRP115537040。
图6为PALSAR幅度闪烁条纹图像幅度闪烁误差估计结果，其形态与实际PALSAR图像中条纹形态相似。
图7为PALSAR幅度闪烁条纹图像强度功率谱拟合及参数测量结果，最终测得CkL＝4.47×1033或者log CkL＝33.65，谱指数为p＝2.93。
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 (4)
1.一种星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对SAR幅度闪烁条纹幅度图像取对数，并进行镜像对称、二维快速傅里叶变换操作，得到图像频谱域；
S2、在条纹能量方向上构造带阻高斯滤波器；
S3、利用构造的带阻高斯滤波器对频域数据进行滤波处理，采用傅里叶逆变换将频域数据转换至图像域，得到双程的幅度闪烁误差；
S4、利用周期图法进行单程强度功率谱估计；
S5、取测量功率谱的低频成分进行拟合，测得闪烁强度CkL和谱指数p；
所述步骤S4中利用周期图法进行单程强度功率谱估计的公式为：
式中，κr为电离层相位屏距离向波数，Δκr＝2π/(dri·Nr)为距离波数域采样间隔，m＝1,2,...,Nr，Nr为SAR图像距离向点数，dri＝dr(Hs-Hi)/Hs为相位屏距离向采样间隔，Hi为电离层高度，FFTr( )表示距离向快速傅里叶变换，dr为星载SAR图像距离向采样间隔，Hs为卫星高度，为单程强度闪烁误差。
2.根据权利要求1所述的星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，其特征在于，所述步骤S1中对SAR幅度闪烁条纹幅度图像取对数包括：
首先、采用以下公式对输入图像M取幅度：
|M|＝Zea
式中，Z表示图像地物目标信息，a0＝ea表示幅度闪烁误差；
然后、对幅度图像取对数，得到信号ln|M|＝lnZ+a。
3.根据权利要求1所述的星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，其特征在于，所述步骤S2中的带阻高斯滤波器由连续的数个带阻滤波器组成。
4.根据权利要求1所述的星载SAR幅度闪烁条纹电离层闪烁参数测量方法，其特征在于，所述步骤S5中拟合的公式为：
式中，||·||表示求向量的范数，为球面波路径修正因子，λ为电磁波波长，θ为入射角，Hs为卫星高度。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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