[發明專利]一種星載極化SAR法拉第旋轉效應校正平臺的構建方法

有效

• 申請號: 200910083173.3
• 申請日: 2009-05-06
• 公開（公告）號: CN101551450A
• 公開（公告）日: 2009-10-07
• 發明（設計）人: 陳杰;李卓;楊威;李琳;李春升;周蔭清
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S7/40
• 分類號: G01S7/40;G01S13/90
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種星載極化SAR法拉第旋轉效應校正平臺的構建方法，其特征在于：該方法具體操作步驟如下：

步驟一：線性全極化SAR復圖像數據格式化處理

根據線性全極化SAR系統發射和接收信號的極化方式，定義其數據通道分別為HH通道、HV通道、VH通道和VV通道；其中，HH表示發射水平極化接收水平極化；HV表示發射水平極化接收垂直極化；VH表示發射垂直極化接收水平極化；VV表示發射垂直極化接收垂直極化；

星載線性全極化SAR復圖像數據通常包含4個數據文件，每一個數據文件存儲線性全極化SAR的某一個通道的數據；每一個數據文件都包含M×N個復數據樣本，每個復樣本數據又用2個float型即4字節，浮點數分別表示其實部和虛部；其中，M表示數據文件包含的記錄個數即行數，N表示每個記錄包含復數據樣本個數即列數；

首先，在計算機中開辟M×N×4×8＝32MN字節的內存空間，用于存儲星載線性全極化SAR的復圖像數據；在該內存空間D_space中的數據描述如下式所示：

其中，D_space的每個元素O_mn(m＝1，2，…M；n＝1，2，…N)是包含4個復數的復矢量，即

O_mn＝[O_HH(m，n)?O_HV(m，n)?O_VH(m，n)?O_VV(m，n)]????????(2)

其中，O_HH(m，n)、O_HV(m，n)、O_VH(m，n)和O_VV(m，n)分別用于存儲HH通道、HV通道、VH通道和VV通道極化SAR圖像復數據，m和n分別表示數據位置對應的行號和列號；

讀取星載線性全極化SAR復圖像數據文件，將4個極化通道的數據文件中相同位置(m，n)上的復數值按照式(2)定義的格式分別賦給內存空間D_space中復矢量O_mn的對應元素；最終，按照式(1)定義的形式完成星載線性全極化SAR復圖像數據在計算機內存中的格式化處理；

步驟二：線性全極化SAR復圖像數據內存空間分塊處理

由于電離層總電子含量分布的高度不確定性，導致在星載SAR成像觀測帶內不同區域的法拉第旋轉角存在較大差異；為了實現在整個星載SAR成像觀測帶內法拉第旋轉角變化情況的準確估計，對步驟一中計算機內存空間D_space進行數據塊劃分處理，將其劃分為若干包含M_s×N_s個復矢量O_kl的數據塊D_block；其中，M_s表示數據塊的行數，N_s表示數據塊的列數，k＝1，2，…M_s，l＝1，2，…N_s分別表示復數據樣本的行號和列號；

為了保證后續步驟中數據統計分析處理的精度，數據塊的樣本點數不宜太少，典型取值至少為M_s＝N_s＝16，即保證每個數據塊有M_s×N_s＝256個樣本；然而，數據塊的樣本點數也不宜太大，將影響星載SAR成像觀測帶內法拉第旋轉角變化規律的估計；

通過分塊處理，將內存空間D_space劃分為M′×N′個數據塊

M′=int(MMs)N′=int(NNs)---(3)]]>

其中，M和N′分別兩個方向上劃分數據塊的個數，int(·)表示求取臨近的最小整數；

每個數據塊D_block在計算機內存中的存儲格式如下式所示

其中，D_block中的每個元素O_kl＝[O_HH(k，l)?O_HV(k，l)?O_VH(k，l)?O_VV(k，l)]，k＝1，2，…M_s，l＝1，2，…N_s；

步驟三：計算線性全極化SAR圖像數據塊的復協方差矩陣

針對步驟二所劃分的每一個數據塊D_block，通過統計分析的方法按照如下計算公式生成該數據塊對應的復協方差矩陣C

C=C11C12C13C14C21C22C23C24C31C32C33C34C41C42C34C44---(5)]]>

其中，

式中，E{·}表示求解數學期望的函數，實際上也就是統計復數據樣本的均值；上標符號*表示復數的共軛；矩陣C中的元素C_m′n′(m′＝1，2，3，4；n′＝1，2，3，4)表示星載SAR任意兩個極化通道數據之間的統計協方差量；其中，除了C₁₁、C₂₂、C₃₃和C₄₄為實數標量以外，其他元素均為復數標量；

步驟四：基于復協方差的虛部構造復數統計量

假設符號Ω表示法拉第旋轉角，符號ρ表示地物目標極化散射矩陣中同極化的互相關即復數標量，即其中，S_HH表示水平極化發射和水平極化接收時的目標散射系數，S_VV表示垂直極化發射和垂直極化接收時的目標散射系數，表示S_VV的共軛；通過理論分析可知：

Im(ρ)··cos(2Ω)=Im(C14)Im(ρ)·sin(2Ω)=Im(C13)+Im(C34)-Im(C12)-Im(C24)2---(7)]]>

式中，Im(·)表示求復數虛部的函數；

因此，可以利用步驟三求得的復協方差矩陣C中的復協方差C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₂₃和C₃₄的虛部，構造出新的復數統計量Z_X

ZX=Im(ρ)·ej2Ω=Im(C14)+j·Im(C13)+Im(C34)-Im(C12)-Im(C24)2---(8)]]>

式中，j=-1;]]>

根據式(8)，復數統計量Z_X的實部和虛部為

Re(ZX)=Im(C14)Im(ZX)=Im(C13)+Im(C34)-Im(C12)-Im(C24)2---(9)]]>

式中，Re(·)表示求復數實部的函數；

步驟五：計算復數統計量的相位角求得法拉第旋轉角估計值

根據步驟四構建的復數統計量Z_X，直接利用求復數相位角的函數arg{·}，按照如下計算公式求得法拉第旋轉角估計值

Ω^=12arg{ZX}---(10)]]>

由于函數arg{·}輸出的角度范圍為[-90°，90°]，因此基于式(10)估計法拉第旋轉角具有180°的角度輸出范圍，是現有估計方法角度輸出范圍的2倍，在一定程度上緩解了法拉第旋轉角估計的模糊問題，但在P波段等長波長雷達條件下仍存在角度估計模糊；

根據式(10)求得的法拉第旋轉角估計值與法拉第旋轉角真實值Ω存在如下關系

其中，k是自然數，如果Im(ρ)為負實數，即Im(ρ)＜0，則有arg{Im(ρ)}＝-180°，因此如果Im(ρ)≥0，則arg{Im(ρ)}＝0°，則有

步驟六：利用全球導航系統TEC數據求得無模糊的法拉第旋轉角估計值

為了對步驟五中求得的法拉第旋轉角估計值的角度模糊進行完全修正，本發明利用全球導航系統GNSS提供的電離層TEC觀測數據，并結合IGRF10地磁計算模型，求得粗精度的法拉第旋轉角估算值

Ω^GNSS≈Kf02·(Bcosψ·secθ)·TEC---(12)]]>

式中，表示采用全球導航系統GNSS提供的電離層TEC觀測數據粗略估算出的法拉第旋轉角，f₀表示SAR系統的工作頻率，單位為Hz；K是常數，且K＝2.365×10⁴，單位是A·m²/kg；B表示地球磁場強度，單位為Wb/m²；θ表示星載SAR天線的視角；ψ表示地球磁場方向與雷達電磁波傳播方向即天線波束指向方向的夾角；TEC表示在垂直于地面方向上的電離層電子總含量，單位為TECU，1TECU＝10¹⁶m^-2；Bcosψ·secθ的物理含義是表示地面400公里高度上的地球磁場因子；

采用如下計算公式消除法拉第旋轉角估計值的角度模糊，求得無模糊的法拉第旋轉角估計值

式中，表示經過角度解模糊處理后最終輸出的無模糊法拉第旋轉角估計值，表示采用式(10)求得的法拉第旋轉角估計值，函數round{*}表示取最接近的整數值；

步驟七：利用對電離層法拉第旋轉效應進行校正處理

利用步驟六估計出的法拉第旋轉角代入下式實現對電離層法拉第旋轉效應的校正處理，即

O^HH(k,l)=OHH(k,l)·cos2Ω^F+[OVH(k,l)-OHV(k,l)]·sinΩ^F·cosΩ^F-OVV(k,l)·sin2Ω^F---(14a)]]>

O^HV(k,l)=OHV(k,l)·cos2Ω^F+[OHH(k,l)+OVV(k,l)]·sinΩ^F·cosΩ^F+OVH(k,l)·sin2Ω^F---(14b)]]>

O^VH(k,l)=OVH(k,l)·cos2Ω^F-[OHH(k,l)+OVV(k,l)]·sinΩ^F·cosΩ^F+OHV(k,l)·sin2Ω^F---(14c)]]>

O^HV(k,l)=OVV(k,l)·cos2Ω^F+[OVH(k,l)-OHV(k,l)]·sinΩ^F·cosΩ^F-OHH(k,l)·sin2Ω^F---(14d)]]>

式中，和分別表示經過校正處理后輸出的HH通道、HV通道、VH通道和VV通道星載線性全極化SAR復圖像數據；

步驟八：按照步驟三至步驟七對每一個復圖像數據塊進行法拉第旋轉效應的校正處理，直到全部完成對星載線性全極化SAR電離層法拉第旋轉效應的校正處理；然后，輸出經過法拉第旋轉效應校正處理后的星載線性全極化SAR復圖像數據。