一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法技术

本发明专利技术公开了一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，包括步骤一：获取简缩极化协方差矩阵；步骤二：设定交叉极化项初值及相关系数初值；步骤三：迭代计算交叉极化项及相关系数；步骤四：获取重构协方差矩阵；步骤五：获取发射水平极化接收水平极化通道与发射垂直极化接收垂直极化通道信号的相位差；步骤六：解方程获取各极化通道信号的相位值；本发明专利技术直接采用简缩极化SAR回波各极化通道数据重构得到相应相位信息，基于雷达数据本身完成重构，无需借助地物目标散射特性等先验信息，故不受探测目标所处环境或其他条件影响。

【技术实现步骤摘要】
一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法
本专利技术涉及一种星载π/4模式简缩极化合成孔径雷达(SAR)相位重构方法，属于信号处理

技术介绍
近年来，随着TerraSAR-X、Radarsat-2以及ALOS-2等全极化SAR卫星相继发射升空并广泛应用于地质测绘、海洋观测、灾害监测以及资源勘查等诸多方面，针对全极化SAR的研究与应用逐渐受到世界各国的重视。相比较单极化SAR，全极化SAR能够获取不同极化通道的目标信号，从而得到地物的极化散射信息，而该信息正是反演地表目标在不同极化条件下特性的重要参考依据。但是，由于脉冲重复频率加倍，全极化SAR的观测带宽度较窄。针对该问题，近年来国外学者提出了简缩极化SAR工作模式。简缩极化SAR工作模式能够利用回波数据，通过重构反演得到全极化模式各极化通道的功率信息，从而很好地保留地物目标的极化散射信息。在该模式下，雷达只需要发射一种极化方式的信号，而不需要交替发射不同极化信号，从而获得与单极化SAR相同的观测带宽。π/4模式作为简缩极化SAR的一种工作模式，其发射45°线极化信号，分别接收水平和垂直线极化信号。现有的重构算法只能根据接收的两通道信号重构出等效的全极化模式各极化通道的功率信息，而不能重构出通道的相位信息。而各极化通道的相位值正是SAR干涉测量、极化干涉测量等应用的必需信息。
技术实现思路
本专利技术提出一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，该方法基于π/4模式下获取的水平和垂直极化通道数据，通过一系列信号处理过程，重构得到全极化模式下各极化通道的相位值，是一种适用于星载π/4模式简缩极化SAR相位重构的新方法。一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，包括以下几个步骤：步骤一：获取简缩极化协方差矩阵；步骤二：设定交叉极化项初值以及相关系数初值；步骤三：迭代计算获取交叉极化项及相关系数；步骤四：获取重构全极化协方差矩阵；步骤五：获取水平发射水平接收通道与垂直发射垂直接收通道信号的相位差；步骤六：解方程获取各极化通道信号的相位值。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提出一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，该方法具有处理流程简单的特点。在获取各极化通道相位值时，步骤简单易行。(2)本专利技术提出一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，该方法具有实用性强的特点。该方法直接采用简缩极化SAR回波各极化通道数据重构得到相应相位信息，基于雷达数据本身完成重构，无需借助地物目标散射特性等先验信息，故不受探测目标所处环境或其他条件影响。(3)本专利技术提出一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，该方法对π/4模式下的星载简缩极化SAR数据处理具有非常重要的应用价值。在现有简缩极化SAR功率信息重构的基础上，提出了相位信息重构方法，为简缩极化SAR工作模式下干涉测量以及极化干涉测量提供了数据基础。附图说明图1是本专利技术提出的一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法的方法流程图；图2是本专利技术所采用的星载全极化SAR图像数据发射水平极化接收水平极化通道信号显示结果；图3是本专利技术所采用的星载全极化SAR图像数据发射垂直极化接收水平极化通道信号显示结果；图4是本专利技术所采用的星载全极化SAR图像数据发射水平极化接收垂直极化通道信号显示结果；图5是本专利技术所采用的星载全极化SAR图像数据发射垂直极化接收垂直极化通道信号显示结果；图6所示为发射水平极化接收水平极化通道信号的相位值散点图；图7所示为发射垂直极化接收水平极化通道信号的相位值散点图；图8所示为发射水平极化接收垂直极化通道信号的相位值散点图；图9所示为发射垂直极化接收垂直极化通道信号的相位值散点图。具体实施方式下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提出一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，该方法基于星载π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量模型，如式(1)所示：式中，SHH表示散射矩阵中发射水平极化接收水平极化分量，SHV表示散射矩阵中发射垂直极化接收水平极化分量，SVH表示散射矩阵中发射水平极化接收垂直极化分量，SVV表示散射矩阵中发射垂直极化接收垂直极化分量。SHH，SHV，SVH，SVV即为四个极化通道的复数图像。[x]T表示对矩阵[x]做转置运算。本专利技术是一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，方法流程图如图1所示，具体包括以下几个步骤：步骤一：获取简缩极化协方差矩阵；设SHH，SHV，SVH，SVV四个极化通道的图像大小均为Na行Nr列，由式(1)所示的π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量，对图像中第(i，j)个像素，其中1≤i≤Na，1≤j≤Nr，根据式(2)计算简缩极化协方差矩阵为：式中，表示图像复数据中第(i，j)个像素的后向散射矩阵投影矢量，表示对π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量取共轭转置计算所得矢量，表示图像复数据中第(i，j)个像素的后向散射矩阵投影矢量的共轭转置，<x>表示对x采用窗口大小为(2M+1)行(2N+1)列的窗函数进行空域均值处理，即以x所在坐标(i，j)为中心，求周围第i-M行到i+M行，第j-N列到j+N列内的所有分量均值作为x值，需要注意的是，对于靠近图像边缘的像素点，会存在均值处理窗口超出图像边界的情况，即i-M≤0，j-N≤0，i+M≥Na，j+N≥Nr，此时，该像素点不做空域均值处理直接以计算出x值作为该像素点值，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(1,1)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(1,2)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(2,1)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(2,2)项。步骤二：设定交叉极化项初值及相关系数初值；由于重构计算中需要采用迭代运算，因此需要对迭代变量交叉极化项以及相关系数设定初值，对图像中第(i，j)个像素，根据式(3)计算交叉极化项初值与相关系数初值为：式中，j表示虚数单位，即步骤三：迭代计算交叉极化项及相关系数；设定迭代计算次数T，对图像中第(i，j)个像素，根据式(4)迭代计算得到交叉极化项Xij及相关系数rij如式(4)所示：式中，Xij表示图像中第(i，j)个像素经过T次迭代运算所得的交叉极化项，表示图像中第(i，j)个像素迭代计算第T-1次后所得交叉极化项，rij表示图像中第(i，j)个像素经过T次迭代运算所得的相关系数，表示图像中第(i，j)个像素迭代计算第T-1次后所得相关系数。对图像中第(i，j)个像素，在迭代计算第p步时，根据式(5)迭代计算得到交叉极化项及相关系数式中，表示图像中第(i，j)个像素在第p-1步迭代运算所得的交叉极化项，其中1≤p≤T，表示图像中第(i，j)个像素在第p步迭代运算所得的交叉极化项，表示图像中第(i，j)个像素在第p-1步迭代运算所得的相关系数，表示图像中第(i，j)个像素在第p步迭代运算所得的相关系数，|x|为取复数x的模运算。步骤四：获取重构协方差矩阵；由步骤三所得交叉极化项，对图像中第(i，j)个像素，根据式(6)计算得到重构协方差矩阵为：步骤五：获取发射水平极化接收水平极化通道与发射垂直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，基于星载π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量模型，如式(1)所示：式中，SHH表示散射矩阵中发射水平极化接收水平极化分量，SHV表示散射矩阵中发射垂直极化接收水平极化分量，SVH表示散射矩阵中发射水平极化接收垂直极化分量，SVV表示散射矩阵中发射垂直极化接收垂直极化分量；SHH，SHV，SVH，SVV即为四个极化通道的复数图像；[x]T表示对矩阵[x]做转置运算；具体的方法包括以下几个步骤：步骤一：获取简缩极化协方差矩阵；设SHH，SHV，SVH，SVV四个极化通道的图像大小均为Na行Nr列，由式(1)所示的π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量，对图像中第(i，j)个像素，其中1≤i≤Na，1≤j≤Nr，根据式(2)计算简缩极化协方差矩阵为：式中，表示图像复数据中第(i，j)个像素的后向散射矩阵投影矢量，表示对π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量取共轭转置计算所得矢量，表示图像复数据中第(i，j)个像素的后向散射矩阵投影矢量的共轭转置，<x>表示对x采用窗口大小为(2M+1)行(2N+1)列的窗函数进行空域均值处理，即以x所在坐标(i，j)为中心，求周围第i‑M行到i+M行，第j‑N列到j+N列内的所有分量均值作为x值，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(1,1)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(1,2)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(2,1)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(2,2)项；步骤二：设定交叉极化项初值及相关系数初值；对图像中第(i，j)个像素，根据式(3)计算交叉极化项初值与相关系数初值为：X0ij=0r0ij=-j·CCP12ijCCP11ij·CCP22ij---(3)]]>式中，j表示虚数单位，即步骤三：迭代计算交叉极化项及相关系数；设定迭代计算次数T，对图像中第(i，j)个像素，根据式(4)迭代计算得到交叉极化项Xij及相关系数rij如式(4)所示：Xij=12(CCP11ij+CCP22ij)·1-|rT-1ij|3-|rT-1ij|rij=XT-1ij-CCP12ij(CCP11ij-XT-1ij)·(CCP22ij-XT-1ij)---(4)]]>式中，Xij表示图像中第(i，j)个像素经过T次迭代运算所得的交叉极化项，表示图像中第(i，j)个像素迭代计算第T‑1次后所得交叉极化项，rij表示图像中第(i，j)个像素经过T次迭代运算所得的相关系数，表示图像中第(i，j)个像素迭代计算第T‑1次后所得相关系数；对图像中第(i，j)个像素，在迭代计算第p步时，根据式(5)迭代计算得到交叉极化项及相关系数Xpij=12(CCP11ij+CCP22ij)·1-|rp-1ij|3-|rp-1ij|rpij=Xp-1ij-CCP12ij(CCP11ij-Xp-1ij)·(CCP22ij-Xp-1ij)---(5)]]>式中，表示图像中第(i，j)个像素在第p‑1步迭代运算所得的交叉极化项，其中1≤p≤T，表示图像中第(i，j)个像素在第p步迭代运算所得的交叉极化项，表示图像中第(i，j)个像素在第p‑1步迭代运算所得的相关系数，表示图像中第(i，j)个像素在第p步迭代运算所得的相关系数，|x|为取复数x的模运算；步骤四：获取重构协方差矩阵；由步骤三所得交叉极化项，对图像中第(i，j)个像素，根据式(6)计算得到重构协方差矩阵为：CREij=CCP11ij-Xij0CCP12ij-Xij02Xij0CCP12ij-Xij0CCP22ij-Xij---(6)]]>步骤五：获取发射水平极化接收水平极化通道与发射垂直极化接收垂直极化通道信号的相位差；对图像中第(i，j)个像素，根据式(7)计算，得到发射水平极化接收水平极化通道与发射垂直极化接收垂直极化通道信号的相位差为：ΔφHH-VVij=angle(CRE13ij)=angle(CCP12ij-Xij)---(7)]]>式中，表示图像中第(i，j)个像素计算得到的重构协方差矩阵中(1,3)项，angle(x)为取复数x的幅角运算；步骤六：解方程获取各极化通道信号的相位值；对图像中第(i，j)个像素，根据步骤一到步骤五，得到如式(8)所示四元一次方程组，其中未知量为四个极化通道信号的相位值k11ij=12(|SHHij|·ejφHHij+|SHVij|·ejφHVij)=12(CCP11i...

【技术特征摘要】
1.一种星载π/4模式简缩极化SAR相位重构方法，基于星载π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量模型，如式(1)所示：式中，SHH表示散射矩阵中发射水平极化接收水平极化分量，SHV表示散射矩阵中发射垂直极化接收水平极化分量，SVH表示散射矩阵中发射水平极化接收垂直极化分量，SVV表示散射矩阵中发射垂直极化接收垂直极化分量；SHH，SHV，SVH，SVV即为四个极化通道的复数图像；[x]T表示对矩阵[x]做转置运算；具体的方法包括以下几个步骤：步骤一：获取简缩极化协方差矩阵；设SHH，SHV，SVH，SVV四个极化通道的图像大小均为Na行Nr列，由式(1)所示的π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量，对图像中第(i，j)个像素，其中1≤i≤Na，1≤j≤Nr，根据式(2)计算简缩极化协方差矩阵为：式中，表示图像复数据中第(i，j)个像素的后向散射矩阵投影矢量，表示对π/4模式简缩极化SAR后向散射矩阵投影矢量取共轭转置计算所得矢量，表示图像复数据中第(i，j)个像素的后向散射矩阵投影矢量的共轭转置，<x>表示对x采用窗口大小为(2M+1)行(2N+1)列的窗函数进行空域均值处理，即以x所在坐标(i，j)为中心，求周围第i-M行到i+M行，第j-N列到j+N列内的所有分量均值作为x值，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(1,1)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(1,2)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(2,1)项，表示图像复数据中第(i，j)个像素的简缩极化协方差矩阵中(2,2)项；步骤二：设定交叉极化项初值及相关系数初值；对图像中第(i，j)个像素，根据式(3)计算交叉极化项初值与相关系数初值为：式中，j表示虚数单位，即步骤三：迭代计算交叉极化项及相关系数；设定迭代计算次数T，对图像中第(i，j)个像素，根据式(4)迭代计算得到交叉极化项Xij及相关系数rij如式(4)所示：式中，Xij表示图像中第(i，j)个像素经过T次迭代运算所得的交叉极化项，表示图像中第(i，j)个像素迭代计算第T-1次后所得交叉极化项，rij表示图像中第(i，j)个像素经过T次迭代运算所得的相关系数，表示图像中第(i，j)个像素迭代计算第T-1次后所得相关系数；对图像中第(i，j)个像素，在迭代计算第p步时，根据式(5)迭代计算得到交叉极化项及相关系数式中，表示图像中第(i，j)个像素在第p-1步迭代运算所得的交叉极化项，其中1≤p...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，郭威，李卓，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11