一种基于旋转对称性的全极化SAR数据的极化定标方法技术

本发明专利技术提出一种仅基于面目标的极化定标算法，该算法基于雷达照射场景中的自然地物具有旋转对称性这一假设，仅利用待定标的SAR影像数据，通过数学迭代运算估计极化定标参数。在此过程中，不需要利用雷达照射场景中的已知点目标信息。实际数据的极化定标实验说明本发明专利技术提出的方法是一种有效的全极化SAR数据的极化定标方法。

A polarimetric calibration method for polarimetric SAR data based on rotational symmetry

The invention proposes a polarization calibration algorithm based on only surface targets. The algorithm is based on the assumption that the natural objects in the scene are rotated and symmetrical, and only use the undetermined SAR image data to estimate the polarization calibration parameters by mathematical iteration. In this process, it is unnecessary to use radar to illuminate the known target information in the scene. The polarization calibration experiment of actual data shows that the proposed method is an effective polarization calibration method for polarimetric SAR data.

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋转对称性的全极化SAR数据的极化定标方法
：本专利技术涉及全极化合成孔径雷达数据的极化定标处理，属于雷达数据获取与处理

技术介绍
：极化定标技术主要用于估计全极化通道之间幅度和相位的偏差，以获取地物实际的散射矩阵。是开展极化SAR数据应用和研究的关键步骤，亦是利用测量数据正确描述地表物体后向散射特性的基础。在实际应用中，由于全极化雷达天线的通道之间存在信号泄露，使得雷达系统测量得到的散射矩阵存在失真。因此，为了提取和利用包含在SAR数据中的丰富地物信息，必须对测量散射矩阵中的失真进行校正，消除不同极化通道之间的影响，恢复地物实际的散射矩阵。目前，现有极化定标算法大致分为以下两种类型：基于已知点目标和基于点面混合的定标算法。对前者而言，通过影像中人为布设的点目标(如三角形角反射器等)，推导极化定标参数；针对后者来说，主要采用影像本身的信息推导定标参数，但仍需要少量的点目标估计极化畸变因子，如通道不平衡参数等。综上所述，当前的极化定标算法中，均需要一个或多个已知点目标，但一个点目标只能定标其附近区域，如果要定标整个测绘区域，则需要在测绘带的距离向布设大量的已知点目标，造成大量的人力、物力等资源的消耗。此外，当出现雷达所照的射场景因地形复杂而无法布设点目标，或者点目标的尺寸与雷达波长不匹配的情况，则待定标的SAR影像无法提供已知点目标的测量信息，因此利用现有定标算法无法对其进行完整的极化定标。主要内容：本专利技术提出一种仅基于面目标的极化定标算法，该算法基于雷达照射场景中的自然地物具有旋转对称性这一假设，仅利用待定标的SAR影像数据，通过数学迭代运算估计极化定标参数。在此过程中，不需要利用雷达照射场景中的已知点目标信息。由于旋转对称性是本专利技术中有且仅有的一个假设条件，下面首先描述该性质，其几何示意图如附图6所示。如附图6所示，电磁波沿平行于轴L的方向传播，水平极化基和垂直极化基均垂直于L轴。上述正交基沿对称轴L旋转一定角度后，地物的协方差矩阵保持不变。协方差矩阵的不变性是旋转对称性较直接的体现。倘若某一地物具有旋转对称性，则其协方差矩阵的形式如下所示：式(1)中，[C]为具有旋转对称性的协方差矩阵；σhhhh、σhhhv、σhhvh、σhhvv、σhvhv、σhvvh均为常规协方差矩阵中的元素；Re表示取实部；Im表示取虚部；字母i为虚数单位；符号*表示复数的共轭；为了计算方便，分别用α、β、γ、A、B等价替换相同位置处的矩阵元素，例如：α＝σhhhh。据式(1)可知，具有旋转对称性的协方差矩阵的各元素之间存在已知限制条件。本专利技术主要是利用这些已知的限制条件，通过一种循环迭代运算，获取极化定标参数的估计值。本专利技术提出了一种基于旋转对称性的全极化SAR数据的极化定标算法，其方法流程如附图1所示。整体而言，是通过一种数学迭代运算不断修正平均的观测协方差矩阵，从而获取最终的极化定标参数。下面结合附图1对本专利技术的具体步骤进行详细阐述：步骤一：定标方程组的建立本专利技术所基于的常用极化定标模型如下式所示：式中，[O]、[S]分别为地物的测量散射矩阵和理论散射矩阵；[R]、[T]分别为接收天线畸变矩阵和发射天线畸变矩阵。Xij(X∈{O,R,S,T}；ij∈{hh,hv,vh,vv})表示矩阵[X]中的元素，下标i和j分别表示接收和发射波的极化状态。利用矩阵乘法，对式(2)整理得：其中，k＝RhhThh(4)式(3-4)中，f1、f2分别是接收天线和发射天线的通道不平衡；m1～m4均为天线的串扰；[M]为定标矩阵；k为总体增益因子(因其不影响全极化通道之间的相对关系，故在下面予以省略)。相较于散射矩阵，协方差矩阵存在更多的函数关系。因此我们将式(4)转换成协方差矩阵的形式，具体如下：[C]＝[O][O]H∝[M][S][S]H[M]H＝[M][Σ][M]H(5)式中，[C]：测量协方差矩阵；[Σ]：理论协方差矩阵；[M]：定标矩阵；H表示共轭转置。解矩阵方程(5)，得地物的理论协方差矩阵为：[Σ]＝[M]-1[C][M]H-1(6)根据假设可知，如果地物具有旋转对称性，则其理论协方差矩阵的形式是固定的。所以结合式(1)和式(6)，可以得出如下等式：式(7)中，最左端的矩阵为协方差矩阵的一般形式；最右端为旋转对称性下的协方差矩阵形式。基于式(7)，可以得出如下方程组：A＝Σhvhh,-A＝Σvhvv,B＝Σvhhh,-B＝Σhvvv(8)步骤二：初始化通道不平衡的值首先假设串扰的值为零，基于式(8)中的前四个方程，可以初始化通道不平衡的值：其中，式(9-10)中，函数complex(a,b)用于构造一个实部为a，虚部为b的复数；函数Arg(*)用于计算复数*的主幅角；Cvvvv、Chhhh、Chvhv、Cvhvh、Cvvhh、Cvhhv均为协方差矩阵[C]中的元素。步骤三：修正通道不平衡利用所求的通道不平衡的改正值，修正观测协方差矩阵中的通道不平衡畸变，并得到消除通道不平衡后的协方差矩阵[Σ′]：[Σ']＝[F]-1[C][F]H-1(11)其中，[F]＝diag(1,f2,f1,f1f2)。函数diag用于构造一个对角矩阵。步骤四：推导串扰的改正数Δ。基于式(8)中的后四个方程，可以获取串扰畸变参数的改正数：其中，[Δ]＝[Δm1Δm2Δm3Δm4]TA＝(Σ'hvhh-Σ'vhvv)/2B＝(Σ'vhhh-Σ'hvvv)/2步骤五：修正串扰利用步骤四所求的串扰的改正值，修正协方差矩阵[Σ′]中的串扰，并得到协方差矩阵[Σ″]：[Σ″]＝[D]-1[Σ′][D]H-1(14)式中，步骤六：推导通道不平衡的改正值通过式(3)可知，串扰的补偿影响通道不平衡，因此用[Σ″]代替观测协方差[C]，推导通道不平衡的改正值：其中，式(17)中，函数complex(a,b)用于构造一个实部为a，虚部为b的复数；函数Arg(*)用于计算复数*的主幅角；Σ″vvvv、Σ″hhhh、Σ″hvhv、Σ″vhvh、Σ″vvhh、Σ″vhhv均为协方差矩阵[Σ″]中的元素；f1″、f2″分别为f1和f2的改正数。步骤七：缩放串扰的比例利用步骤六所求的通道不平衡的改正值，通过式(18)，缩放串扰的比例：m′1＝m1*f1″m′4＝m4*f2″m′2＝m2/f1″m′3＝m3/f2″(18)式(18)中，m′i(i∈{1,2,3,4})为比例缩放后的串扰；mi(i∈{1,2,3,4})为比例缩放前的串扰。步骤八：判断参数的收敛性如果上述步骤所确定的定标参数收敛，则迭代停止，构造定标矩阵[M]；倘若参数不收敛，则重复执行步骤三～步骤七。附图说明：图1为本专利技术的方法流程图图2为本专利技术的定标前的通道不平衡。图3为本专利技术的定标后的通道不平衡。图4为本专利技术的定标前的极化串扰因子。图5为本专利技术的定标后的极化串扰因子。图6旋转对称性的几何示意图，直线L为对称轴；和为一组正交的水平和垂直的极化基；α表示旋转的角度。具体实施方式：下面结合附图1～5对本专利技术的具体实施作详细说明。通过飞行实测全极化SAR数据对本专利技术的方法进行了验证。所采用的数据为2014年获取的C波段机载极化SAR数据，图像大小为8000×9000个像素，距离向和方位向分别为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于旋转对称性的全极化SAR数据的极化定标方法，该方法的步骤如下：步骤一：建立定标方程组；步骤二：初始化通道不平衡的值；步骤三：修正通道不平衡；利用所求的通道不平衡的改正值，修正观测协方差矩阵中的通道不平衡畸变，并得到消除通道不平衡后的协方差矩阵[Σ′]；步骤四：推导串扰的改正数Δ；步骤五：修正串扰；利用步骤四所求的串扰的改正值，修正协方差矩阵[Σ′]中的串扰，并得到协方差矩阵[Σ″]；步骤六：推导通道不平衡的改正值：串扰的修正影响通道不平衡，因此用[Σ″]替换观测协方差矩阵[C]，推导通道不平衡的改正值；步骤七：缩放串扰的比例；步骤八：判断参数的收敛性，如果上述步骤所确定的定标参数收敛，则迭代停止，构造定标矩阵[M]；倘若参数不收敛，则重复执行步骤三～步骤七。

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转对称性的全极化SAR数据的极化定标方法，该方法的步骤如下：步骤一：建立定标方程组；步骤二：初始化通道不平衡的值；步骤三：修正通道不平衡；利用所求的通道不平衡的改正值，修正观测协方差矩阵中的通道不平衡畸变，并得到消除通道不平衡后的协方差矩阵[Σ′]；步骤四：推导串扰的改正数Δ；步骤五：修正串扰；利用步骤四所求的串扰的改正值，修正协方差矩阵[Σ′]中的串扰，并得到协方差矩阵[Σ″]；步骤六：推导通道不平衡的改正值：串扰的修正影响通道不平衡，因此用[Σ″]替换观测协方差矩阵[C]，推导通道不平衡的改正值；步骤七：缩放串扰的比例；步骤八：判断参数的收敛性，如果上述步骤所确定的定标参数收敛，则迭代停止，构造定标矩阵[M]；倘若参数不收敛，则重复执行步骤三～步骤七。2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤二中的初始化通道不平衡的值具体步骤如下：假设串扰的值为零，基于方程α＝Σhhhh＝Σvvvv,β＝Σhvhv＝Σvhvh,γ＝Σvhhv,初始化通道不平衡的值：其中，式中，函数complex(a,b)用于构造一个实部为a，虚部为b的复数；函数Arg(*)用于计算复数*的主幅角；Cvvvv、Chhhh、Chvhv、Cvhvh、Cvvhh、Cvhhv均为协方差矩阵[C]中的元素。3.根据权利要求1所述的方法，所述步骤三中协方差矩阵[Σ′]为：[Σ']＝[F]-1[C][F]H-1其中，[F]＝diag(...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄磊，孙光德，李震，陈权，
申请(专利权)人：中国科学院遥感与数字地球研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11