一种星载CTLR模式简缩极化SAR重构方法

一种星载ctlr模式简缩极化sar重构方法
技术领域
1.本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种星载ctlr模式简缩极化sar重构方法。


背景技术：

2.近年来提出了简缩极化(compact polarization,cp)sar(syntheticaperture radar，合成孔径雷达)模式，相比于一般全极化sar而言，简缩极化sar能在获取较为丰富的地表信息的同时，有效克服全极化sar存在的劣势，实现大幅宽观测，并且简缩极化sar具有更低的复杂度和硬件需求。但是相较于全极化sar中完整的极化信息，简缩极化sar中部分极化信息相互缠绕在一起，如何从简缩极化信息中恢复全极化信息是目前简缩极化sar研究的重点和关键问题。
3.简缩极化ctlr(circle transmit line receive，圆极化发射线极化接收)模式发射左旋(l)或右旋(r)圆极化中的一种，接收方式为传统的h(水平)和v(垂直)极化波。接收到的极化波s_rh和s_rv(或s_lh和s_lv)中具有全极化的信息的各个部分，因此需要采用重构技术获得重构的全极化信息。
4.目前，现有的重构模型中大多以souyris模型为基础，该模型借助交叉极化和共极化的比与共极化相干系数ρ进行伪全极化的重构，模型中采用共极化相干系数ρ的模值，而实际地物的散射中ρ是一个复数，按照这种方法虽然也可以进行伪全极化数据的重构，但是场景适应能力和精度有限。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种星载ctlr模式简缩极化sar重构方法，用以解决现有技术中重构方法场景适应能力和精度有限的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种星载ctlr模式简缩极化sar重构方法，包括：
7.获取星载ctlr模式下的简缩极化协方差矩阵，简缩极化协方差矩阵中包含交叉极化散射分量；
8.采用基于stokes矢量的重构方法确定交叉极化散射分量的初始值；
9.根据交叉极化散射分量的初始值确定体散射功率，以及一次散射功率和二次散射功率；
10.对体散射功率、一次散射功率和二次散射功率进行加权，获得共极化相干系数；
11.使用共极化相干系数对交叉极化散射分量进行迭代更新，直到交叉极化散射分量收敛，获得更新后的交叉极化散射分量；
12.根据更新后的交叉极化散射分量重构得到全极化协方差矩阵。
13.本发明中的一种星载ctlr模式简缩极化sar重构方法，具有以下优点：
14.1、处理流程简单明了，且可以获得较为精确的伪全极化协方差矩阵。
15.2、采用基于stokes矢量的重构方法确定交叉极化散射分量，处理方法简单易行。
16.3、在共极化相干系数ρ的求解中加入了极化分解的理论，使得到的共极化相干系数是一个复数，更加符合实际数据的特征，对相关项的重构具有更好的效果。
17.4、对ctlr模式下的简缩极化sar数据处理具有非常重要的应用价值。目前已发射具有简缩极化模型的系统均采用ctlr模式，因此适应能力强，对该模式数据的重构对简缩极化的发展具有深刻意义。
附图说明
18.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。
19.图1为本发明实施例提供的一种星载ctlr模式简缩极化sar重构方法的流程图；
20.图2为原始全极化数据的pauli基分解伪彩色结果；
21.图3为采用本发明重构方法得到的pauli基分解伪彩色结果；
22.图4为采用本发明重构方法的效果示意图。
具体实施方式
23.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.图1为本发明实施例提供的一种星载ctlr模式简缩极化sar重构方法的流程图。本发明实施例提供了一种星载ctlr模式简缩极化sar重构方法，包括：
25.s100、获取星载ctlr模式下的简缩极化协方差矩阵，简缩极化协方差矩阵中包含交叉极化散射分量；
26.s110、采用基于stokes矢量的重构方法确定交叉极化散射分量的初始值；
27.s120、根据交叉极化散射分量的初始值确定体散射功率，以及一次散射功率和二次散射功率；
28.s130、对体散射功率、一次散射功率和二次散射功率进行加权，获得共极化相干系数；
29.s140、使用共极化相干系数对交叉极化散射分量进行迭代更新，获得更新后的交叉极化散射分量；
30.s150、根据更新后的交叉极化散射分量重构得到全极化协方差矩阵。
31.示例性地，全极化sar和ctlr模式下的简缩极化sar的协方差矩阵分别如下所示：
32.[0033][0034]
本发明的重构方法是指从式(2)提供的2
×
2的简缩极化协方差矩阵中尽可能的恢复得到式(1)中3
×
3的全极化协方差矩阵。
[0035]
在极化分解理论中，协方差矩阵可以分解为典型地物散射的加和，即一次散射、二次散射和体散射的加和。根据全极化sar和ctlr模式下的简缩极化sar的数据之间的关系，典型的散射模型在全极化和简缩极化中可以表示为：
[0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042]
其中，surface表示一次散射(或称表面反射)模型，double表示二次散射模型，volume表示体散射模型。以上模型是在反射对称条件下给出的，当目标散射满足反射对称时，交叉极化与共极化的共轭积项在三种散射下均为0，即β和α分别为一次散射模型参数和二次散射模型参数，且二者均为复数。
[0043]
一次散射是目标的粗糙表面散射的建模，二次散射是二面角目标的后向散射，体
散射的具体散射机理较为复杂，目前还没有准确的物理模型。因此一次散射和二次散射的模型相对固定，不同极化分解方程的区别在于体散射模型不同。上式给出的是常用的体散射模型，全极化freeman三分量分解中b取1/3，而殷君君的研究指出b＝0更符合散射特征，且有效像素点最多，因此本发明采用的模型中b＝0。
[0044]
交叉极化与共极化的比和共极化相干系数ρ的定义如下：
[0045][0046][0047]
其中n表示经验参数，其根据经验确定，表达式如下：
[0048][0049]
souyris模型认为n＝4，并据此迭代获得重构结果。本发明根据ρ的定义式和三种散射模型的建模可知，一次散射、二次散射和体散射模型中对应的ρ依次为和b。那么，结合分解理论，整体的ρ应该是三种模型下叠加得到的：
[0050][0051]
其中，ps、pd、pv分别是一次散射、二次散射和体散射的功率，span为散射总功率，即目标的ρ是由三种散射的能量占比大小决定的。由于α和β是复数，因此新的ρ也是复数，这与实际地物是相吻合的。
[0052]
采用式(11)获得ρ，需要考虑在ctlr简缩极化模式下的三分量分解计算，即求解极化分解方程组：
[0053][0054]
在确定体散射功率pv后，可以按照上式建立极化分解方程，求解上述方程即可得到一次散射功率和二次散射功率。上式中共有3个实数和两个复数的未知数(b＝0)，而简缩极化协方差矩阵只有4个观测值，因此需要借助其他的条件。在全极化分解中，根据vaul的研究，在去除体散射的能量后，的符号常被用来判定一次散射和二次散射的占比，如果它是正的，二次散射相对一次散射占优，可以使α＝-1，如果它是负的，则一次散射占优，可以使β＝1。在简缩极化中，没有的确切值，但是的估计值的符号在绝大多数像素点上都是准确的，因此可以用估计值来进行判断。由于体散射模型是固定的，可以直接由|s
hv
|2的值来确定体散射的功率，因此，需要一个|s
hv
|2的初始值作为起点。
[0055]
本发明采用基于stokes的重构方法作为起点获取|s
hv
|2的初始值，该方法认为交
叉极化贡献了全部的去极化能量，因此通过极化度可以直接确定《|s
hv
|2》的值，进而获得其他重构参数。具体求解如下式：
[0056][0057]
其中，dop是极化度，表征接收电磁波的极化程度，g0为stokes参数，是简缩极化数据应用的重要形式，公式表达如下：
[0058][0059][0060]
两个参数均可根据简缩极化协方差矩阵直接导出，不需要其他的额外输入，也不需要进行迭代，经过简单的运算即可得到|s
hv
|2的一个初始估计值。
[0061]
在获取分解得到复数ρ之后，本发明采用nord修正的n值模型，即式(10)进行迭代，由于式(9)左侧为一实数，故该式应修正为关于的式子：
[0062][0063]
根据上式，可以得到更新|s
hv
|2的表达式：
[0064][0065]
根据上式对交叉极化散射分量|s
hv
|2进行更新时，可以在其被更新至完全收敛时，再将最终的|s
hv
|2作为更新后的|s
hv
|2。
[0066]
除用于上述迭代式以外，ρ的相位信息将用于从式(9)中求得的估计值，如下所示：
[0067][0068]
其中的c
11
和c
22
表示式(1)中的元素。
[0069]
本发明相较其他方法的另一个特点是可以对残余项中的值进行估计。借助于分解求出的ρ和可直接从c
12
中求出对该值的进一步使用，需要对式中两项进行估计分割，需要进行更多的先验模型。但是的虚部也常被应用于螺旋体散射的模型求解，如下式所示：
[0070][0071]
实验说明
[0072]
为说明本发明方法的效果，采用由搭载c波段合成孔径雷达的高分三号卫星获取于2017年9月15日，覆盖区域为美国旧金山地区的图像进行实验对比，如图2和3所示，图像
的分辨率为3000
×
2500。
[0073]
图4为原始全极化数据中的|s
hv
|2与重构结构取对数的比较图。从图中可以看出，图中大部分像素点集中于对角线两侧，说明本发明提出的重构方案是切实有效的。
[0074]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0075]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。