一种长波长星载π/4模式简缩极化SAR的定标方法

摘要

本发明公开了一种长波长星载π/4模式简缩极化SAR的定标方法，包括以下几个步骤：步骤一：获取发射通道不平衡度的估计值；步骤二：获取垂直发射水平接收分量的通道串扰系数的估计值；步骤三：获取法拉第旋转角的估计值；步骤四：利用全球导航卫星系统提供的TEC数据获取无模糊的法拉第旋转角估计值；步骤五：获取接收通道不平衡度的估计值；步骤六：获取水平发射垂直接收分量的通道串扰系数的估计值。本发明在没有定标器误差及系统噪声时能进行精确的定标，在存在定标器误差及系统噪声时仍能进行高精度的定标。本发明提出的方法对以P波段为代表的长波长星载π/4模式简缩极化SAR数据处理具有十分重要的应用价值。

主权项

1.一种长波长星载π/4模式简缩极化SAR的定标方法，基于π/4模式简缩极化SAR的误差模型，模型如式（1）所示：$\left[\begin{array}{c}{M}_{\mathrm{EH}}\\ M_{\mathrm{EV}}\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{2}\begin{array}{}\end{array}}\left[\begin{array}{cc}1& {\delta }_2\\ {\delta }_1& f_1\end{array}\right]·\left[\begin{array}{cc}\cos \Omega & \sin \Omega \\ -\sin \Omega & \cos \Omega \end{array}\right]·\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{HH}}& S_{\mathrm{HV}}\\ S_{\mathrm{VH}}& S_{\mathrm{VV}}\end{array}\right]·\left[\begin{array}{c}\cos \Omega +f_2\sin \Omega \\ -\sin \Omega +f_2\cos \Omega \end{array}\right]---\left(1\right)$式中，M_EV和M_EH分别表示测量散射矢量的接收垂直极化分量和接收水平极化分量，S_HH、S_HV、S_VH、S_VV构成的矩阵表示目标的散射矩阵，分别表示矩阵中发射水平极化接收水平极化分量、发射垂直极化接收水平极化分量、发射水平极化接收垂直极化分量、发射垂直极化接收垂直极化分量；Ω表示法拉第旋转角，f₁表示接收通道不平衡度，f₂表示发射通道不平衡度，δ₁表示水平发射垂直接收分量的通道串扰系数，δ₂表示垂直发射水平接收分量的通道串扰系数；四个主动极化定标器表示为X、Y、A和B，其散射矩阵分别为：$S_X=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{HH}}& S_{\mathrm{HV}}\\ S_{\mathrm{VH}}& S_{\mathrm{VV}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 1& 0\end{array}\right]$$S_Y=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{HH}}& S_{\mathrm{HV}}\\ S_{\mathrm{VH}}& S_{\mathrm{VV}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& 0\end{array}\right]$$S_A=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{HH}}& S_{\mathrm{HV}}\\ S_{\mathrm{VH}}& S_{\mathrm{VV}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]$$S_B=\left[\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{HH}}& S_{\mathrm{HV}}\\ S_{\mathrm{VH}}& S_{\mathrm{VV}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$其特征在于，具体包括以下几个步骤；步骤一：获取发射通道不平衡度的估计值根据式（3）及式（4）计算发射通道不平衡度的估计值式中，|x|为取复数x的模运算，且：$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=\frac{1}{2}[(M_{\mathrm{EH}}^X+M_{\mathrm{EH}}^Y)+\sqrt{{(M_{\mathrm{EH}}^X+M_{\mathrm{EH}}^Y)}^2-4(1-M_{\mathrm{EH}}^A+M_{\mathrm{EH}}^B)}]\\ x_2=\frac{1}{2}[(M_{\mathrm{EH}}^X+M_{\mathrm{EH}}^Y)-\sqrt{{(M_{\mathrm{EH}}^X+M_{\mathrm{EH}}^Y)}^2-4(1-M_{\mathrm{EH}}^A+M_{\mathrm{EH}}^B)}]\end{array}\right.---\left(4\right)$式中：表示测量得到的定标器X散射矢量的接收水平极化分量，表示测量得到的定标器Y散射矢量的接收水平极化分量，表示测量得到的定标器A散射矢量的接收水平极化分量，表示测量得到的定标器B散射矢量的接收水平极化分量；步骤二：获取垂直发射水平接收分量的通道串扰系数的估计值根据式（5）计算垂直发射水平接收分量的通道串扰系数的估计值${\hat{\delta }}_2=M_{\mathrm{EH}}^X+M_{\mathrm{EH}}^Y-{\hat{f}}_2---\left(5\right)$步骤三：获取法拉第旋转角的估计值根据式（6）及式（7）计算法拉第旋转角的估计值${\hat{\Omega }}_F=\frac{1}{2}\arg (\cos 2{\hat{\Omega }}_F+j\sin 2{\hat{\Omega }}_F)---\left(6\right)$式中，arg(x)为取复数x的幅角运算，且$\left\{\begin{array}{c}\cos 2{\hat{\Omega }}_F=\mathrm{real}[\frac{(M_{\mathrm{EH}}^A+M_{\mathrm{EH}}^B)(2-M_{\mathrm{EH}}^A+M_{\mathrm{EH}}^B)-(M_{\mathrm{EH}}^X-M_{\mathrm{EH}}^Y)(2{\hat{f}}_2-M_{\mathrm{EH}}^X-M_{\mathrm{EH}}^Y)}{{(M_{\mathrm{EH}}^A+M_{\mathrm{EH}}^B)}^2+{(M_{\mathrm{EH}}^X-M_{\mathrm{EH}}^Y)}^2}\\ \sin 2{\hat{\Omega }}_F=\mathrm{real}[\frac{(M_{\mathrm{EH}}^X-M_{\mathrm{EH}}^Y)(2-M_{\mathrm{EH}}^A+M_{\mathrm{EH}}^B)+(M_{\mathrm{EH}}^A+M_{\mathrm{EH}}^B)(2{\hat{f}}_2-M_{\mathrm{EH}}^X-M_{\mathrm{EH}}^Y)}{{(M_{\mathrm{EH}}^A+M_{\mathrm{EH}}^B)}^2+{(M_{\mathrm{EH}}^X-M_{\mathrm{EH}}^Y)}^2}\end{array}\right.---\left(7\right)$式中，real(x)为取复数x的实部运算；步骤四：利用全球卫星导航系统提供的TEC数据获取无模糊的法拉第旋转角估计值利用全球导航卫星系统提供的电离层TEC观测数据，并结合第10代国际参考地磁场模型地磁计算模型，根据式（8）求得法拉第旋转角的粗略估计值${\hat{\Omega }}_{\mathrm{GNSS}}\approx \frac{K}{f_0^2}·{[B\cos \psi ·\sec \theta ]}_{400}·\mathrm{TEC}---\left(8\right)$式中，f₀表示SAR系统的工作频率，单位为Hz，K为常量2.365×10⁴A·m²/kg，B表示地球磁场强度，单位为Wb/m²，θ表示星载SAR天线的视角，ψ表示地球磁场方向与雷达电磁波传播方向的夹角，TEC为在垂直于地面方向上的电离层电子总含量，单位为TECU，1TECU=10¹⁶m^-2；地球磁场因子[Bcosψ·secθ]₄₀₀在400公里高度上计算得到；采用式（9）对法拉第旋转角的估计值进行解模糊，获取无模糊的法拉第旋转角估计值$\hat{\Omega }={\hat{\Omega }}_F+\mathrm{round}\left(\frac{{\hat{\Omega }}_{\mathrm{GNSS}}-{\hat{\Omega }}_F}{\pi /2}\right)·\frac{\pi }{2}---\left(9\right)$式中，round(x)为取与x最接近的整数值；步骤五：获取接收通道不平衡度的估计值根据式（10）计算接收通道不平衡度的估计值${\hat{f}}_1=\frac{1}{2}[(M_{\mathrm{EV}}^X-M_{\mathrm{EV}}^Y)\cos 2\hat{\Omega }-(M_{\mathrm{EV}}^A+M_{\mathrm{EV}}^B)\sin 2\hat{\Omega }+(M_{\mathrm{EV}}^X+M_{\mathrm{EV}}^Y)]---\left(10\right)$式中：表示测量得到的定标器X散射矢量的接收垂直极化分量，表示测量得到的定标器Y散射矢量的接收垂直极化分量，表示测量得到的定标器A散射矢量的接收垂直极化分量，表示测量得到的定标器B散射矢量的接收垂直极化分量；步骤六：获取水平发射垂直接收分量的通道串扰系数的估计值根据式（11）计算水平发射垂直接收分量的通道串扰系数的估计值${\hat{\delta }}_1=\frac{1}{2}[(M_{\mathrm{EV}}^X-M_{\mathrm{EV}}^Y)\sin 2\hat{\Omega }+(M_{\mathrm{EV}}^A+M_{\mathrm{EV}}^B)\cos 2\hat{\Omega }+(M_{\mathrm{EV}}^A-M_{\mathrm{EV}}^B)]---\left(11\right)$经过以上六个步骤，完成了对法拉第旋转角的估计、发射及接收通道不平衡度误差的估计，及通道串扰系数的估计，完成π/4模式简缩极化SAR定标处理，实现定标。