CN103645466A - 一种基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法，包括步骤：S1：获取二维回波数据；S2：提取定标器在同一照射时刻的散射矩阵观测值；S3：获取电磁波照射定标器的入射角及斜视角；S4：获取各照射时刻定标器接收电磁波极化定向角的偏转量；S5：获取姿态误差补偿校正后的全极化回波数据；S6：对姿态误差补偿校正后的全极化回波数据进行方位向压缩，获得图像；S7：在图像的各极化通道中，提取定标器偏转量校正后的散射矩阵，对残留在定标器偏转量校正后的散射矩阵中、由全极化合成孔径雷达***发射和接收模块引入的不平衡度和各通道串扰进行估计，实现全极化合成孔径雷达***误差校正，获得全极化合成孔径雷达图像。

Description

一种基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法

技术领域

本发明属于全极化合成孔径雷达(PolSAR)信号处理领域，具体涉及极化定标处理和姿态误差补偿方法

背景技术

极化定标是全极化合成孔径雷达(PolSAR)信号处理的重要环节，其主要目的是校正***误差，复原成像结果中目标的极化散射特性。因而只有通过极化定标处理，才能从PolSAR图像中提取目标准确的极化信息，支撑后续的应用。

现有PolSAR极化定标方法主要包括基于点目标、分布目标及混合目标的三类定标算法。其中基于分布目标的定标算法，以Sarabandi算法[Kamal Sarabandi.Calibration of a Polarimetric Synthetic ApertureRadar Using a Known Distributed Target.IEEE Trans on Geoscienceand Remote Sensing.Vo1.32，No3，May 1994]为例，可以避免人造点目标的摆放，但由于目前人们对各种地物目标的极化散射特性了解并不深入，因而需要利用极化散射计获得的数据来选择作为定标参考目标的地物目标，这使得该类定标算法在实际使用中受到较大的限制；基于混合目标的定标算法，以Quegan算法为代表[Shaun Quegan.A Unified Algorithmfor Phase and Cross-Talk Cal ibration of Polarimetric Data——Theory and ObservationS， IEEE Trans on Geoscience and RemoteSensing.Vo1.32，No.1，January 1994]，根据抽象出的散射特性假定，选取针对性的地物目标作为定标参考目标，再结合少量人造点目标，实现定标模型参数的估计，但该方法也在地物目标选择上受到较大限制，尤其是机载PolSAR成像场景中往往难以找到满足假定的区域；基于点目标的定标算法虽然要涉及特定定标器的预先摆放等额外操作，但由于定标器的散射特性已知且可控，定标处理过程比较简单，不需要依赖于成像区域的先验知识，定标精度也相对较高。因而实际PolSAR***定标处理通常基于预先设计点目标定标器进行。

基于点目标的定标算法种类较多。其中Whitt算法[Michael W.Whittetc.A General Polarimetric Radar Cal ibration Technique，IEEE Transon Antennas and Propagation.Vo1.39，No.1，January 1991]不需要对雷达***失真矩阵作任何假设，对用于定标的反射器的限制条件也相对较少，在定标目标的选择上有很大的灵活性，是实用性较好的算法。

该方法基于***误差模型如下所示：

M=Ae^jφR^TST+N

其中，M表示散射矩阵观测值，S表示归一化的散射矩阵理论值，R用矩阵形式表示接收端模块的通道不平衡度和通道间串扰等***误差而引起的极化失真，T用矩阵形式表示发射端模块的通道不平衡度和通道间串扰等***误差而引起的极化失真，A表示绝对幅度值，φ表示绝对相位值，N表示加性观测噪声，通常在处理中被忽略。

Whitt算法基于上述模型，利用满足后续处理限制的三个不同点目标对应极化矩阵，可以得到模型中失真矩阵R，T参数的估计值。

然而上述观测模型，主要考虑的是由***硬件不完善引起的通道之间串扰和增益不平衡性等误差，没有考虑如姿态等时变性误差。在实际应用中，往往会出现利用布设定标器估计得到的失真并不适用与场景中的其他目标，从而使得定标算法的误差校正性能下降。

明峰等人[Feng Ming etc.Improved Calibration method of theairborne polarimetric SAR]对平台姿态因素进行了分析，将定标模型改进如下：

M=Ae^jφR^TS_θT+N=Ae^jφR^TD(θ)·S·D^-1(θ)T+N

其中，S_θ表示受姿态影响下的目标散射矩阵，可以表示为S_θ=D(θ)·S·D^-1(θ)， $D\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$ 为旋转变换矩阵，θ表示由姿态引起的极化定向角(polarization orientation angle，POA)的偏转，文献给出的偏转量计算方法如下：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\sin \mathrm{\φ}\sin {\mathrm{\θ}}_p-\cos \mathrm{\φ}{\cos \mathrm{\θ}}_p\sin {\mathrm{\θ}}_y}{\cos {\mathrm{\θ}}_p{\cos \mathrm{\θ}}_y},$

上式中θ_y，θ_p分别表示用于刻画平台姿态的偏航角和俯仰角。结合上述模型，该文献提出了将原始Whitt算法获得的失真矩阵R，T估计值基础上分别右乘和左乘D(θ)与D^-1(θ)，以消除姿态带来的***失真矩阵估计误差。

虽然现有技术方案中在定标模型中有考虑飞行平台姿态对目标散射矩阵产生的失真影响，但是该模型将平台姿态对目标极化特性的影响表示为照射该目标的电磁波极化定向角发生一个固定值的偏移，这样的刻画方式是一种粗糙的近似，忽略了平台姿态在目标照射时间内发生的变动，即姿态时变性，以及目标相对天线的视角变化。因而，以上述模型对姿态误差进行补偿会存在如下一些缺陷：

上述模型建立在成像结果所提取的目标散射矩阵基础上的，成像结果中一点目标仅对应于一个极化偏转量Δθ。然而，实际中姿态在目标照射时间内随方位向是存在时变的，因而由姿态引起的电磁极化方向偏转量，在该点目标照射范围内，并非固定值，各采集时刻的目标回波失真量不尽相同。若以上述现有方法，在SAR图像中提取散射矩阵来进行姿态影响补偿，则成像的相干过程已使不同时刻的姿态影响发生混叠了，即用波束中心时刻对应姿态数据代替照射时间范围内姿态序列。这步替代是比较粗糙的，由仿真实验可知，若将照射时间内的极化定向角的偏转等效为接收端或发射端的串扰误差，则定向角发生±0.5°偏转时，该误差变化范围最大可以超过40dB，而实际工程经验可知，极化定向角在照射范围内完全可能发生超过0.5°的偏转，尤其随着SAR***分辨率逐渐提高，天线方位向的波束宽度增加，使得目标照射时间增长，姿态时变的影响将更加不能忽视。

上述模型中分析姿态角引起极化方向的偏转时，仅考虑了照射目标处于正侧视的情况。实际中，即使在正侧视SAR***中，当目标处于非波束中心时刻，目标与天线间也存在斜视。斜视角同样会影响电磁波极化方向相对照射目标发生偏转，因而分析不同照射时刻平台姿态引起电磁波极化方向的偏转时，还要同时考虑斜视角产生的耦合影响。

总之，现有技术方案所基于的模型在准确性和全面性上存在问题，其相应的补偿方法也需要进行修正。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术方案的缺馅，本发明的目的是提供一种基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法。

(二)技术方案

为达成所述目的，本发明提供一种基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法的技术方案包括：

步骤S1：从装载于平台上的全极化合成孔径雷达***获得的四个极化通道的原始回波数据进行距离向压缩，距离徙动校正处理以及通道间配准处理，获得二维回波数据；

步骤S2：根据定标器方位向坐标及全极化合成孔径雷达***的合成孔径时间参量，并从二维回波数据中，提取定标器在同一照射时刻η的散射矩阵观测值M(η)；

步骤S3：利用定标器方位向及距离向坐标，以及全极化合成孔径雷达***照射近距及飞行高度参量，计算得到电磁波照射定标器的入射角φ及斜视角θ_sq；

步骤S4：利用平台飞行姿态数据、入射角φ及斜视角θ_sq，计算得到各照射时刻η定标器接收电磁波极化定向角的偏转量θ(η)；

步骤S5：利用定标器接收电磁波极化定向角的偏转量，对散射矩阵观测值M(η)进行偏转量校正，得到姿态误差补偿校正后的全极化回波数据；

步骤S6：对姿态误差补偿校正后的全极化回波数据进行方位向压缩，获得图像；

步骤S7：在图像的各极化通道中，提取定标器偏转量校正后的散射矩阵，采用基于定标器进行场景定标的Whitt算法，对残留在定标器偏转量校正后的散射矩阵中、由全极化合成孔径雷达***发射和接收模块引入的不平衡度和各通道串扰进行估计，实现全极化合成孔径雷达***误差校正，获得全极化合成孔径雷达图像。

(三)有益效果

1)本发明建立定标器接收电磁波极化定向角的偏转量θ(η)模型时，包含了斜视角θ_sq，当本发明中所涉及的全极化合成孔径雷达***的天线处于斜视状态时，本发明的方法对不平衡度和各通道串扰的估计精度，要高于现有方法；

2)本发明建立定标器接收电磁波极化定向角的偏转量θ(η)模型时，考虑了姿态数据所固有的时变性，没有采用现有算法中所基于的定标器照射时间内姿态数据保持不变这一假设，因而本发明更真实地刻画了姿态数据的特性，使得本发明的方法对不平衡度和各通道串扰的估计精度，要高于现有方法。

附图说明

图1是本发明基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法的流程图。

图2是本发明方法有效性所使用合成孔径雷达SAR的遥感图像，图中用不同外框标出区域包含不同类型定标器，其中，○标出的为三面角、△标出的为0°二面角、□标出的为45°二面角。图像中各定标器编号由左至右为P1，P2A，P2，P2B，P3，P4A，P4，P4B，P5，P6A，P6，P6B。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1示出本发明的技术方案如下：

1)获得二维回波数据

从装载于平台上的全极化合成孔径雷达***获得的四个极化通道的原始回波数据进行距离向压缩，距离徙动校正处理以及通道间配准处理，获得二维回波数据；

2)从原始回波数据中提取定标器散射矩阵

从第1步处理后的二维回波数据中，根据定标器方位向坐标及全极化合成孔径雷达***的合成孔径时间参量，提取定标器在四种极化方式下，同一照射时刻η对应的回波数据m_hh(η)，m_hv(η)，m_vh(η)，m_vv(η)，将四组数据组成散射矩阵观测值M(η)。所述四组数据以如下形式：

$\left[\begin{array}{cc}{m}_{\mathrm{hh}}\left(\mathrm{\η}\right)& m_{\mathrm{hv}}\left(\mathrm{\η}\right)\\ m_{\mathrm{vh}}\left(\mathrm{\η}\right)& m_{\mathrm{vv}}\left(\mathrm{\η}\right)\end{array}\right]$

该步骤实现从回波数据中提取定标器散射矩阵，为后续对姿态因子时变性补偿，提供了目标照射范围内各方位向时刻的散射矩阵观测数据。

3)获取入射角和斜视角数据

利用定标器方位向及距离向坐标，以及全极化合成孔径雷达***照射近距及飞行高度参量，计算得到电磁波照射定标器的入射角φ及斜视角θ_sq；

4)计算时变姿态引起的极化定向角偏转量

利用各照射时刻平台偏航角θ_y(η)、俯仰角θ_p(η)和横滚角θ_r(η)的平台飞行姿态数据以及由第3步入射角φ和天线斜视角θ_sq，计算得到各照射时刻η定标器接收电磁波极化定向角的偏转量θ(η)模型表示如下：

$\tan \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)=\frac{\sin \mathrm{\φ}\sin {\mathrm{\θ}}_p-\cos \mathrm{\φ}{\cos \mathrm{\θ}}_p{\sin \mathrm{\θ}}_y}{{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sq}}{\cos \mathrm{\θ}}_p{\cos \mathrm{\θ}}_y-{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sq}}(\cos \mathrm{\φ}{\sin \mathrm{\θ}}_p+\sin \mathrm{\φ}{\cos \mathrm{\θ}}_p{\sin \mathrm{\θ}}_y)}$

上式中θ_p是随照射时间η变化的俯仰角θ_p(η)的简化表示，θ_y是随照射时间η变化的偏航角θ_y(η)的简化表示；θ_sq是随照射时间η变化的天线相对定标器斜视角θ_sq(η)的简化表示，φ表示电磁波照射定标器的入射角；θ_p，θ_y随照射时间的变化刻画了姿态的时变特点，θ_sq刻画了天线斜视角的耦合影响。上述模型，刻画了平台姿态数据与斜视角、入射角对极化定向角的耦合影响，因而对于实际合成孔径雷达***中出现天线斜视的情况，该模型仍可以用来计算极化定向角的偏转量，这一点弥补了现有方法[FengMing etc. Improved Calibration method of the airborne polarimetricSAR]中仅考虑正侧视的局限。

5)极化偏转量校正

利用计算得到定标器接收电磁波极化的定向角偏转量，对各时刻散射矩阵观测值进行偏转量校正，得到姿态误差补偿校正后的全极化回波数据，具体补偿方法如下所示：

S_{θ_comp}(η)=D^-1[θ(η)]·M(η)·D[θ(η)]

其中，S_{θ_comp}(η)表示照射时刻η姿态误差校正后的散射矩阵，η为四个通道同一方位向的照射时刻，M(η)表示时刻η散射矩阵观测值，D[θ(η)]表示时刻η极化定向角偏转矩阵，具体形式为：

$D\left[\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)& -\sin \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)\\ \sin \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)& \cos \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)\end{array}\right],$

D^-1[θ(η)]为其逆矩阵，

θ(η)为利用姿态数据得到的时刻η极化定向角偏转量。

该步骤在二维回波数据上对极化定向角偏转量逐点进行补偿，使得定标器不同照射时刻下变化的平台姿态数据可以得到逐一补偿，弥补了现有方法中在成像域进行极化定向角偏转量补偿，从而忽视目标照射范围内平台姿态数据存在时变性的缺陷。

6)成像处理

对完成姿态误差补偿校正后的各极化通道回波数据进行方位向压缩，实现成像；通过前几步的操作，定标器在成像结果中所提取的极化散射矩阵已经消除了姿态时变性的影响。

7)***串扰及不平衡度的定标校正

从四个不同极化图像的各极化通道中，提取定标器偏转量校正后的散射矩阵。采用基于定标器进行场景定标的Whitt算法，结合对残留在定标器偏转量校正后的散射矩阵中、由全极化合成孔径雷达***发射和接收模块引入的不平衡度和各通道串扰进行估计，实现***不平衡度和串扰的估计，实现全极化合成孔径雷达***误差校正，获得全极化合成孔径雷达图像。Whitt算法的具体实现方法可以参考文献[Michael W.Whitt etc.AGe neral Polarimetric Radar Calibration Technique， IEEE Trans onAntennas and Propagation.Vol.39，No.1，January 1991]。将估计得到的***不平衡度和串扰的估计值应用于场景中其他目标的散射矩阵失真校正。

本发明的可替代技术方案

(1)针对***不平衡度和串扰估计的技术方案，在对回波数据进行校正后，如采用除Whitt算法外的其他基于点目标定标器的定标算法，对成像结果的定标处理，也属于本发明的范畴之内。

(2)针对极化定向角偏转量校正的技术方案，对于除姿态之外其他因素引起电磁波极化定向角偏转，而导致目标极化特性失真，也可以利用本发明的模型进行刻画，而且也可以利用技术方案流程中对各采集时刻进行偏转量校正。因而用本专利方法，以校正极化定向角偏转(无论以何种因素引起偏转)为基础的改进定标算法，都属于本发明的范畴之内。

下面通过实际数据的处理实例来验证本发明的优点。我们对中科院电子所进行的P波段机载全极化SAR实验数据进行成像及定标处理。该实验照射范围内包含一块定标实验场，具体场景如附图2所示图中用○标出的为三面角定标器、△标出的为0°二面角定标器、□标出的为45°二面角定标器，共有12个定标器，表1给出了各测试定标器类型，对应散射矩阵理论值及图中属于该类型的定标器编号，我们选取两组定标器组(其中每组内包含三个类型各不相同的定标器，分别为{p2，p2A,p2B}与{p6,p6A,p6B})用于不平衡度和各通道串扰的估计，并将其余目标作为测试点。先使用文献[Michael W.Whitt etc.A General Polarimetric RadarCalibration Technique，IEEE Trans on Antennas and Propagation.Vo1.39，No.1，January 1991]给出的定标算法直接处理定标器组，获得不平衡度和各通道串扰的估计值，并用估计值校正测试点，校正结果列于表2中；然后使用本发明方法估计不平衡度和各通道串扰，同样用估计值校正测试点，校正结果列于表3中；由于测试目标的散射矩阵复原能力取决于定标方法对不平衡度和各通道串扰的估计精度，表2和表3中所列的测试目标散射矩阵的校正结果相比于理论值的复原程度，可以说明两种方法的对不平衡度和各通道串扰的估计精度。

对比表2和表3可以发现采用本发明的技术方案后，各个三面角测试目标复原后的散射矩阵交叉通道分量要比采用现有技术方案下降，下降幅度最大可高达12dB，从而更接近于理论值(理论值为0，即-∞dB)，同极化通道的相位值也比现有技术方案更趋近于理论值(理论值为1，即0dB)；对于二面角测试目标，采用本发明方法得到的散射矩阵也更加接近理论值。综合上述实验结果可以说明，本发明方法的有益效果。

表1定标器散射矩阵理论值

表2现有技术方案下获得测试点散射矩阵定标结果

表3本发明方法下获得测试点散射矩阵定标结果

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：从装载于平台上的全极化合成孔径雷达***获得的四个极化通道的原始回波数据进行距离向压缩，距离徙动校正处理以及通道间配准处理，获得二维回波数据；

步骤S2：根据定标器方位向坐标及全极化合成孔径雷达***的合成孔径时间参量，并从二维回波数据中，提取定标器在同一照射时刻η的散射矩阵观测值M(η)；

步骤S3：利用定标器方位向及距离向坐标，以及全极化合成孔径雷达***照射近距及飞行高度参量，计算得到电磁波照射定标器的入射角φ及斜视角θ_sq；

步骤S4：利用平台飞行姿态数据、入射角φ及斜视角θ_sq，计算得到各照射时刻η定标器接收电磁波极化定向角的偏转量θ(η)；

步骤S5：利用定标器接收电磁波极化定向角的偏转量，对散射矩阵观测值M(η)进行偏转量校正，得到姿态误差补偿校正后的全极化回波数据；

步骤S6：对姿态误差补偿校正后的全极化回波数据进行方位向压缩，获得图像；

步骤S7：在图像的各极化通道中，提取定标器偏转量校正后的散射矩阵，采用基于定标器进行场景定标的Whitt算法，对残留在定标器偏转量校正后的散射矩阵中、由全极化合成孔径雷达***发射和接收模块引入的不平衡度和各通道串扰进行估计，实现全极化合成孔径雷达***误差校正，获得全极化合成孔径雷达图像。

2.如权利要求1所述的基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法，其特征在于，所述散射矩阵观测值M(η)是通过在合成孔径时间范围内提取定标器同一方位向照射时刻η对应的四个极化通道回波数据m_hh(η)，m_hv(η)，m_vh(η)，m_vv(η)，将四组回波数据以如下形式组成散射矩阵观测值M(η)：

$M\left(\mathrm{\η}\right)=\left[\begin{array}{cc}{m}_{\mathrm{hh}}\left(\mathrm{\η}\right)& m_{\mathrm{hv}}\left(\mathrm{\η}\right)\\ m_{\mathrm{vh}}\left(\mathrm{\η}\right)& m_{\mathrm{vv}}\left(\mathrm{\η}\right)\end{array}\right].$

3.如权利要求1所述的基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法，其特征在于，所述平台飞行姿态数据包括随照射时间η变化的偏航角θ_y(η)、俯仰角θ_p(η)和横滚角θ_y(η)。

4.如权利要求1所述的基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法，其特征在于，构建各照射时刻η定标器接收电磁波极化定向角偏转量θ(η)的模型表示如下：

$\tan \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)=\frac{\sin \mathrm{\φ}\sin {\mathrm{\θ}}_p-\cos \mathrm{\φ}{\cos \mathrm{\θ}}_p{\sin \mathrm{\θ}}_y}{{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sq}}{\cos \mathrm{\θ}}_p{\cos \mathrm{\θ}}_y-{\sin \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sq}}(\cos \mathrm{\φ}{\sin \mathrm{\θ}}_p+\sin \mathrm{\φ}{\cos \mathrm{\θ}}_p{\sin \mathrm{\θ}}_y)}$

上式中θ_p是随照射时间η变化的俯仰角θ_p(η)的简化表示，θ_y是随照射时间η变化的偏航角θ_y(η)的简化表示；θ_sq是随照射时间η变化的天线相对定标器斜视角θ_sq(η)的简化表示，φ表示电磁波照射定标器的入射角；上述中，θ_p，θ_y随照射时间的变化刻画了姿态的时变特点，θ_sq刻画了天线斜视角的耦合影响。

5.如权利要求1所述的基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法，其特征在于，构建定标器偏转量校正后的散射矩阵的模型S_{θ_comp}(η)，S_{θ_comp}(η)表示如下：

S_{θ_comp}(η)=D^-1[θ(η)]·M(η)·D[θ(η)]

其中，照射时刻η极化定向角偏转矩阵D[θ(η)]表示为：

$D\left[\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)& -\sin \left(\mathrm{\η}\right)\\ \sin \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)& \cos \mathrm{\θ}\left(\mathrm{\η}\right)\end{array}\right],$

D^-1[θ(η)]为逆矩阵，

S_{θ_comp}(η)中元素即为定标器在各极化通道中，在照射时刻η所对应极化偏转量校正的全极化回波数据。

6.如权利要求1所述的基于平台姿态时变性补偿的极化定标方法，其特征在于，所述平台姿态数据在定标器照射时间内具有时变性。

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