CN115542276B - 一种圆极化系统下分布式目标的选取及定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆极化系统下分布式目标的选取及定标方法，包括步骤1、通过等效视数，同极化与交叉极化相关系数，交叉极化与同极化能量比参数进行分布式目标的筛选；步骤2、基于筛选获取的目标进行圆极化系统的定标；步骤3、基于偶极子目标，进行不平衡参数模糊的去除。本发明实现了同时标定串扰与不平衡，同时提出了一种目标筛选的方案。

Description

一种圆极化系统下分布式目标的选取及定标方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种圆极化系统下分布式目标的选取及定标方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)可以为多种应用提供昼夜、不受天气影响的高分辨率图像。极化作为电磁波的基本维度，通过与地面目标的相互作用，可以获得丰富的散射特性，被广泛应用于地形坡度的测量，目标分类与识别引用，地表参数反演引用等。作为其重要分支之一，全极化SAR系统由于可获取完备的极化信息，在现有的SAR系统中得到了大量的研究和应用，如RADARSAT-2, Alos2，GF3, Lutan-1等。根据收发天线使用的不同偏振模式，全极化SAR系统可以分为三种类型，即线全极化系统(LQP)、圆全极化(CQP)和混合全极化(HQP)系统。

在实际应用中，由于通道性能的差异以及通道间能量的泄漏，全极化SAR系统通常会出现极化畸变。典型的极化畸变参数包括通道不平衡和串扰（隔离度）。这些畸变会使散射矩阵发生畸变，严重影响遥感应用中的定量分析，需要在数据处理阶段仔细校正。目前，现有的极化校正方法大多集中在LQP系统上，而对HQP和CQP SAR系统的研究较少。与LQP相比，CQP SAR系统受法拉第旋转角(FRA)的影响较小，FRA是通过电离层传播的无线电波偏振矢量的旋转。FRA的存在会影响LQP中等效极化畸变的相位和幅值。然而，在CQP中，只有极化失真参数的相位受到影响，这使得CQP SAR系统成为一些容易受到电离层效应影响的应用的良好选择，例如，地面的月球观测SAR系统，低频SAR系统。

线极化系统下，传统极化定标主要采用基于点目标或分布式目标。点目标定标虽较为成熟但布设困难且成本较高，为了减少反射器的使用，出现了大量基于分布式目标偏振散射特性的极化标定方法，如Ainsworth算法等。然而，基于分布式目标的校准方法只能校正串扰和收发信道比例不平衡，此种方法对于系统的标定仍需要外部目标的辅助，如三面角反射器，以校准接收通道不平衡比例。

发明内容

为解决对于圆极化系统定标，Pincus等直接采用反射对称性目标进行定标时无法标定系统的串扰等技术问题，本发明提出一种圆极化系统下分布式目标的选取及定标方法，其为一种类方位对称目标的寻找方案，以及基于此定标目标的系统定标方案，专注于CQP SAR系统的标定，创新的引入类旋转对称性，此时目标的协方差矩阵的同极化与交叉极化项为0，可实现对于串扰的标定。同时结合类旋转对称性与反射对称性，本发明提出一种类方位对称性目标，基于此目标本发明提出了一种迭代的定标算法，可实现对于圆极化系统串扰以及不平衡的标定。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种圆极化系统下分布式目标的选取及定标方法，包括如下步骤：

步骤1、通过等效视数、同极化与交叉极化相关系数、交叉极化与同极化后向散射比进行分布式目标的筛选；

步骤2、基于筛选获取的分布式目标进行圆极化系统的定标；

步骤3、基于偶极子目标，进行接收通道不平衡比的相位的模糊去除。

进一步地，所述步骤1中分布式目标的筛选包括：

区域分块，通过等效视数筛选出同质性区域，之后通过交叉极化与同极化后向散射比的取值筛选出高熵地区，最后通过同极化与交叉极化相关系数找出分布式目标的区域。

进一步地，所述步骤2采用步骤1中获取的分布式目标进行圆极化系统的标定，具体为：

首先标定分布式目标的接收通道不平衡比，在去除不平衡误差的基础上计算极化串扰参数，计算等价极化失真参数，之后重复标定分布式目标的接收通道不平衡比，在去除不平衡误差的基础上计算极化串扰参数，计算等价极化失真参数的过程直至标定得出稳定的接收通道不平衡比；标定得出的稳定的接收通道不平衡比存在90°的相位模糊。

进一步地，所述步骤3包括：

在图像中寻找类偶极子目标，其为线状目标，之后基于偶极子目标计算出来的相位位置结合存在相位模糊的接收通道不平衡比的相位获得去除相位模糊后的接收通道不平衡比的相位。

有益效果：

本发明提出了一种圆极化系统下分布式目标的选取及定标方法，相比于已有定标方案可同时标定不平衡与串扰。本发明给出一种寻找类方位对称性目标的方案，实现对于分布式目标的合理寻找。

附图说明

图1为目标筛选流程图；

图2为系统定标流程图；

图3为偶极子目标示意图；

图4为实验区域示意图；

图5为定标结果图。

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。

根据本发明的实施例，如图2所示，本发明的一种圆极化系统下分布式目标的选取及定标方法，包括如下步骤：

步骤101：在类旋转对称性下，通过等效视数、同极化与交叉极化相关系数、交叉极化与同极化后向散射比进行分布式目标的筛选：

首先，给出圆极化系统的定标模型：

(1)

其中，M _lr 为实际观测到的散射矩阵，S _lr 为真实的散射矩阵，Y为系统的绝对增益，k为接收通道不平衡比，h为发射与接收通道不平衡比，u,v,w,z为圆极化系统的不平衡。

按行向量化定标模型：

(2)

其中，

之后可得定标系统的协方差矩阵形式：

(3)

其中，C _oblr 为观测协方差矩阵，C _slr 为真实的协方差矩阵。上标‘H’表示求共轭转置。

基本分布式目标的定标需要特定的协方差矩阵，本发明采用类旋转对称性目标。定义类旋转对称性下分布式目标的协方差矩阵为：

(4)

其中， σ ₁,σ ₂,σ ₃分别为LL极化的接收能量，LR、RL通道的接收能量，RR通道的接收能量，且有 σ ₁=σ ₃；γ为LL接收通道与RR接收通道共轭的乘积，在圆极化方位对称的条件下有γ=0，而在类方位对称性下，认为γ→0，λ表示平均噪声，I ₄为四阶单位矩阵。

基于以上协方差矩阵，定义以下参数：

(5)

其中，ρ为同极化（LL）与交叉极化（RR）相关系数，χ为交叉极化与同极化后向散射比，κ为同极化后向散射比。

进一步，极化失真影响下ρ,χ参数的观测值ρ _ob ,χ _ob 可表示为：

(6)

假设串扰为较小值，可得到以下结果：

(7)

可以看出同极化与交叉极化相关系数ρ和交叉极化与同极化后向散射比χ对于极化失真不敏感，通过对极化失真不敏感的同极化与交叉极化相关系数ρ和交叉极化与同极化后向散射比χ的筛选，可实现对于类方位对称目标的获取，同时可加入对等效视数（ENL）的筛选以避免纹理区域被选入目标之中。如图1所示，一般筛选条件为：

ρ<ρ _max

χ _min<χ<χ _max (8)

ENL>0.99

步骤102：基于筛选获取的分布式目标进行圆极化系统的定标，包括：

根据迭代算法求解极化失真，具体包括：

1)求解一步不平衡；

2)求解一步串扰；

3)求取等价不平衡与串扰；

4)迭代前三步直至系统稳定。

一般迭代过程可控制在8-15步内。

具体定标流程如下：

令F=KH，代表不平衡参数矩阵。设一步求解不平衡前的协方差矩阵为Σ，且第一次时有Σ=C _oblr ，一步求解不平衡后的协方差矩阵为Σ'，求解串扰后的协方差矩阵为Σ''。

1)求解一步不平衡包括：

假设串扰为零，定标方程（3）可以写为：

Σ=FΣ'F ^H (9)

则有：

(10)

其中，Σ _xy 为Σ矩阵种第x行y列的元素。上标”*”表示求取共轭。由于Σ'为类方位对称性目标，结合式(4)，可解得：

(11)

其中，Φ(•)表示求解复数的相位。

首先忽略接收通道不平衡比k的相位模糊，令n=0，相位模糊在最后进行估计。

2)求解一步串扰包括：

Σ''=(X)^-1Σ'(X)^-H (12)

忽略二次串扰项，有：

(13)

其中，上标”*”表示求取共轭。

可解得串扰值，之后串扰的更新方式为：

(14)

其中，下标t+1表示更新过后的串扰，下标t表示当前串扰，δu,δw,δv,δz表示各串扰的增值，由(13)获取。

3)求取等价不平衡与串扰；

(15)

其中，上标~表示等价不平衡和串扰，下标1表示当前一步的不平衡和串扰，下标2表示当前求解获得的不平衡和串扰。

步骤103：如图3所示，基于偶极子目标，进行接收通道不平衡比k的相位的模糊去除：

偶极子目标的散射矩阵为：

(16)

其中，θ为偶极子目标的旋转角，S _dip 表示偶极子目标的散射矩阵，e为自然常数约为2.718，

为虚数符号。

极化失真之后的散射矩阵为：

(17)

其中，k为需要校正角度模糊的接收通道不平衡比，S _{dip_k} 表示极化失真影响后的偶极子目标的散射矩阵。

由此可得出接收通道不平衡比k相位的解：

(18)

其中，Φ(•)表示求解复数的相位。依据Φ(k)与模糊角度之间的临近关系，即可判断模糊角。

实施例1

如图4所示，实施例选取Gaofen-3号旧金山附近数据进行定标测试。手动加入随机的极化失真（-20dB串扰，1dB不平衡，以及-13dB串扰，2dB不平衡）各自进行了10000次蒙特卡洛仿真得出结果如图5所示，其中，S表示小极化失真情况下的结果，L表示大极化失真下的结果。可以看出本发明所提方案可以很好的进行圆极化下数据的定标与数据筛选。

以上所述，仅为本发明的部分实施例而已，在其他情况下本发明仍然适用，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种圆极化SAR系统下分布式目标的选取及定标方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过等效视数、同极化与交叉极化相关系数、交叉极化与同极化后向散射比进行分布式目标的筛选，包括：

给出圆极化SAR系统的定标模型：

(1)

其中，M_lr为实际观测到的散射矩阵，S_lr为真实的散射矩阵，Y为系统的绝对增益，k为接收通道不平衡比，h为发射与接收通道不平衡比，u,v,w,z为圆极化SAR系统的不平衡；

按行向量化定标模型：

(2)

其中，

之后得到定标系统的协方差矩阵形式：

(3)

其中，C_oblr为观测协方差矩阵，C_slr为真实的协方差矩阵；上标‘H’表示求共轭转置；

定义类旋转对称性下分布式目标的协方差矩阵为：

(4)

其中， σ1，σ2，σ3 分别为 LL 接收通道的接收能量，LR、RL 接收通道的接收能量，RR接收通道的接收能量，且有 σ₁=σ₃；γ为LL接收通道与RR接收通道共轭的乘积，在圆极化方位对称的条件下有γ=0，在类方位对称性下，认为γ→0，λ表示平均噪声，I₄为四阶单位矩阵；

基于以上协方差矩阵，定义以下参数：

(5)

其中，ρ为LL与RR相关系数，χ为RR与LL后向散射比，κ为同极化后向散射比；

极化失真影响下ρ,χ的观测值ρ_ob,χ_ob表示为：

(6)

假设串扰为较小值，得到以下结果：

(7)

通过对极化失真不敏感的LL与RR相关系数ρ和RR与LL后向散射比χ的筛选，实现对于类方位对称目标的获取，同时加入对等效视数的筛选以避免纹理区域被选入目标之中；

步骤2、基于筛选获取的分布式目标进行圆极化SAR系统的定标，包括：

令F=KH，代表不平衡参数矩阵；设求解一步不平衡前的协方差矩阵为Σ，且第一次迭代时有Σ=C _oblr ，求解一步不平衡后的协方差矩阵为Σ'，求解一步串扰后的协方差矩阵为Σ''；

1)求解一步不平衡包括：

假设串扰为零，作为定标方程的式写为：

Σ=FΣ'F^H(9)

则有：

(10)

其中，Σ_xy为Σ矩阵中第x行y列的元素；上标”

”表示求取共轭；由于Σ'为类方位对称性目标，可解得：

(11)

其中，Φ(•)表示求解复数的相位；

忽略接收通道不平衡比k的相位模糊，令n=0，相位模糊在最后进行估计；

2)求解一步串扰包括：

Σ''=(X)^-1Σ'(X)^-H(12)

忽略二次串扰项，有：

(13)

其中，上标”

”表示求取共轭；

解得串扰值，之后串扰的更新方式为：

(14)

其中，下标t+1表示更新过后的串扰，下标t表示当前串扰，δu,δw,δv,δz表示各串扰的增值；

3)求取等价不平衡与串扰；

(15)

其中，上标~表示等价不平衡和串扰，下标1表示当前一步的不平衡和串扰，下标2表示当前求解获得的不平衡和串扰；

步骤3、基于偶极子目标，进行接收通道不平衡比的相位的模糊去除，包括：

偶极子目标的散射矩阵为：

(16)

其中，θ为偶极子目标的旋转角，S_dip表示偶极子目标的散射矩阵，e为自然常数，约为2.718，

为虚数符号；

极化失真之后的散射矩阵为：

(17)

其中，k为需要校正角度模糊的接收通道不平衡比，S_{dip_k}表示极化失真影响后的偶极子目标的散射矩阵；

由此得出接收通道不平衡比k相位的解：

(18)

其中，Φ(•)表示求解复数的相位；依据Φ(k)与模糊角度之间的临近关系，即可判断模糊角。

2.根据权利要求1所述的一种圆极化SAR系统下分布式目标的选取及定标方法，其特征在于，所述步骤1中分布式目标的筛选包括：

区域分块，通过等效视数筛选出同质性区域，之后通过交叉极化与同极化后向散射比的取值筛选出高熵地区，最后通过同极化与交叉极化相关系数找出分布式目标的区域。

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