基于弱布设角反射器的机载sar辐射外定标处理方法
基于弱布设角反射器的机载sar辐射外定标处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机载合成孔径雷达SAR数据处理技术领域，尤其是一种基于弱布设角 反射器的机载SAR辐射外定标处理方法。
【背景技术】
[0002] SAR辐射定标的目的就是在获得的SAR图像中，建立每个图像像元强度值与目标 真实后向散射系数的正确对应关系，使得SAR图像强度与被观测目标的物理参数准确关 联，有利于SAR数据的定量应用。按照定标过程中是否需要借助SAR系统外部的定标参照 目标，SAR辐射定标一般可以分为内定标和外定标，辐射外定标优于内定标之处在于它是直 接测量端到端的系统性能，能够测量出那些很难进行测量的系统参数，如天线方向图、波束 中心增益和角度以及信号传播效应等。外定标中采用的定标目标分为点目标和分布目标 两类。相对于摆放背景区域，点目标要求具有相当大的并且事先已知的雷达散射截面，常见 的有角反射器，雷达转发器等，目前角反射器一般采用最大RCS值作为已知值，因此需要根 据载机平台飞行路线和雷达入射角来调整每个角反射器方位角和俯仰角，然而，由于距离 向上雷达入射角的变化以及机载SAR平台飞行的不稳定性，实际想达到精确调整的目的是 很困难的；同时，由于SAR系统聚焦程度以及图像分辨率的不同，点目标在SAR图像上并非 表现为单个强像素点，而往往表现为多个强像素点的集合，因此带来了点目标像素峰值与 实际点目标图像能量之间的差异性影响定标精度。而分布目标一般应具有后向散射稳定 的、时不变的、各向同性的性质，如热带雨林，大片的均匀草地等，相对于星载SAR，由于机载 SAR飞行范围有限，一般难以获得热带雨林这类已知散射特性稳定的大范围分布目标，而采 用其它稳定性未知的草地、植被等分布目标会降低SAR辐射外定标的精度。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种简化辐射外定标的应用过程，避免了机载SAR飞行很 难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热带雨林区域的困境，解决了常规方 法为了满足定标器最大RCS值带来的严格布设的难题，从而大大增强了对SAR数据进行辐 射外定标处理的适用性和鲁棒性的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于弱布设角反射器的机载 SAR辐射外定标处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0005] (1)获得定标场原始SAR图像数据；
[0006] (2)在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程；
[0007] (3)进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；
[0008] (4)进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初步辐射定标SAR图像数据；
[0009] (5)进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；
[0010] (6)对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据。所 述定标场原始SAR图像数据是通过机载SAR雷达平台对地面定标场场景成像的结果，定标 场选择平坦开阔的场景，其大小大于等于SAR成像幅宽；然后在定标场中沿距离向即垂直 于载机飞行方向上均匀布设多个正方形三面角反射器，避开高塔桥梁房屋和电子力线的具 有强散射能力的人工目标；接着，通过SAR雷达载机平台匀速直线飞行，并保持其飞行航线 与定标角反射器的指向垂直，SAR雷达波束侧视扫过地面定标场成像，最终获得含角反射器 目标的定标场原始SAR图像数据。
[0011] 所述点目标雷达方程的基本公式如下：
[0013] 式中：
[0014] Ps--目标的雷达回波功率；
[0015] Pt--雷达的发射功率；
[0016] Gr--接收增益；
[0017] G{(p)--双程天线方向图增益；
[0018] 9一一天线俯仰角，度；
[0019] A--雷达波长，m;
[0020] 〇 ° 目标的雷达后向散射系数（RCS);
[0021] c--电磁波真空速度，m/s;
[0022] xp--脉冲宽度，s;
[0023] R--目标的斜距距尚，m ;
[0024] La--雷达的天线长度，m ;
[0025] 0--目标的雷达入射角，度；
[0026] 对于SAR辐射外定标，其目的是建立SAR图像中像元能量值与绝对的雷达后向散 射系数之间的一一对应关系，因此，重新定义两个参数，即雷达系统传递函数&(兄％的和 雷达系统常数项K s:
[0028] 其中，斜距R、入射角0是与特定目标有关的已知变量，G(妁是雷达天线方向图， 除R、0和外的所有其它参数即为雷达系统常数项
得到辐射外定标 方程，即目标在SAR图像中的能量值与目标的RCS之间的关系式：
[0030] 其中，目标的雷达回波功率P#目标在SAR图像上的能量响应相对应，因此，辐射 外定标问题简化为K(足外的和Ks的估计问题，通过获取实验场的SAR图像数据和布设的已 知散射特性定标器来估计SAR系统传递函数&(/?，，的和系统常数Ks，获取成像目标真实雷 达后向散射系数〇 °值，由此实现SAR数据的辐射外定标。
[0031] 所述进行定标器图像能量的稳定估计是指：
[0032] 定标器图像能量即回波功率的估计要在待估定标器的周围选择大小不同的两个 处理窗口，即目标窗和背景窗：
[0033] a)目标窗即目标区，该区域要求包含待估定标器目标所有主旁瓣像素能量，目标 应置于一个大的均匀背景区域；
[0034]b)背景窗要求包含目标窗，且与目标窗之间的阴影区域为背景杂波区，背景杂波 应为同质均匀背景地物；
[0035] 设目标区的像素个数为Npu，背景杂波区的像素个数为Nu，由于对于数字图像数据， 能量即功率用求和来计算，这样目标区的能量Wpu为
[0037]式中：
[0038] apu--目标区内的像素能量值；
[0039] 同样，背景杂波区的能量Wu为
[0041]式中：
[0042] au--背景杂波区内的像素能量值；
[0043] 忽略系统噪声影响，那么待估定标器目标的能量Wp通过下式计算得到：
[0044] Wp=Wpu-ffu(Npu/Nu) (6)。
[0045] 所述进行定标器RCS的几何光学解算是指：
[0046] 正方形三面角反射器的RCS最大值为：
[0048] 其中，b为三面角反射器边长，X是雷达波长；
[0049] 当雷达波长小于角反射器尺寸时，采用几何光学模型根据观测几何关系估计RCS 值，定义两个观测角度，即方位角n，〇< n < n/2,和俯仰角巾，〇<巾< Ji/2,其中方 位角n定义为雷达视线方向在xoy平面的投影与ox之间的夹角，俯仰角<i>定义为雷达视 线方向与xoy平面之间的夹角，这两个角度由各个定标器与雷达观测方向之间的实际几何 关系决定，雷达入射角0可由下式计算：
[0051] 其中，H为载机平台飞行高度，&为SAR图像的初始斜距，Y为目标在图像中沿距 离向的偏移像素值，AY为图像距离向分辨率，arcos是反余弦函数；
[0052] 因此，弱布设定标器表现在任意几何关系下，通过几何光学的方法可计算出定标 器即正方形三面角反射器的RCS值 〇squme((i)，n):
[0054]其中，Cl，c2, c3为方位角和俯仰角的函数，分别定义如下：
[0056] 由知可知，当方位角n = 31/4,即45度；俯仰角參=tan-即35. 26度时， 达到RCS最大值。
[0057] 所述进行雷达系统传递函数的拟合与校正是指：
[0058] 假设在距离向上布设了 N个定标器，即正方形三面角反射器，那么第i个，
[0059] 1彡i彡N，定标器的系统传递函数为：
[0061] 〇squarM(4>，n)表示第i个定标器的RCS值，Wpi表示第i个定标器的目标能量估 值，n为方位角，巾为俯仰角；
[0062] 由于欠(兄％的是随距离向参数变化的函 数，利用多个定标器&(足史,的估值的曲 线拟合来获得，并通过下式校正原始SAR数据的系统传递函数，得到初步辐射定标SAR图像 数据，其图像能量为匕'：
[0064] 在得到初步辐射定标SAR图像数据基础上，再进行定标器图像能量的稳定估计和 定标器RCS的几何光学解算，同样获得多个定标器图像能量的估计Wp' i以及RCS的计算值， 由于初步辐射定标SAR图像数据在经过雷达系统传递函数的拟合与校正之后已消除了雷 达系统传递函数的影响，因此，此时得到的是各个定标器的系统常数K si:
[0066]系统常数&采用多个K 直估计的平均，最后，校正初步辐射校正SAR数据中的系 统常数&得到最终SAR辐射定标数据，即地物目标RCS值〇 °:
[0067]〇°=P ； /Ks (14)〇
[0068] 由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，在已知点目标雷达方程的基础 上，针对辐射外定标要获得雷达后向散射系数的需求，依据雷达系统参数的自身特性，重建 包含了变化系统传递函数和不变系统常数项的SAR辐射外定标方程，简化了辐射外定标的 应用过程，避免了机载SAR飞行很难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热 带雨林区域的困境；第二，通过SAR图像中定标器目标窗以及背景窗之间的能量计算实现 定标器图像能量的稳定、准确的估计，并且最终结果不受所选窗口大小、图像分辨率、系统 聚集程度的影响；第三，采用正方形三面角反射器作为已知散射特性的定标器，根据布设定 标器与雷达视线方向所呈的方位角和俯仰角，利用定标器的几何光学解而非理论最大值作 为其实际RCS值，不但避免了使用常规理论RCS最大值引起的实际估计误差，也弱化了机载 SAR情况下对定标器的布设要求；第四，在辐射外定标方程重建的基础上，利用连续两次定 标器图像能量估计和RCS几何光学解算步骤，通过距离向多个定标器样本采样，一方面采 用曲线拟合方法估算系统传递函数的变化曲线，一方面采用样本均值估计辐射外定标的系 统常数项，从而最终达到辐射外定标获取图像目标的真实RCS值的目的。
【附图说明】
[0069]图1为本发明的方法流程图；
[0070] 图2为本发明定标器图像能量估计示意图；
[0071] 图3为本发明正方形三面角反射器的雷达几何关系图；
[0072] 图4为本发明实施例一原始SAR图像；
[0073]图5为本发明实施例一系统传递函数的曲线拟合估计；
[0074] 图6为本发明实施例一系统传递函数校正后的SAR图像；
[0075] 图7为本发明实施例一用于辐射精度验证的定标器图像；
[0076] 图8为本发明实施例一的典型地物RCS值的图表；
[0077] 图9为本发明实施例二原始SAR图像；
[0078] 图10为本发明实施例二系统传递函数的曲线拟合估计；
[0079] 图11为本发明实施例二系统传递函数校正后的SAR图像； 图12为本发明实施例二用于辐射精度验证的定标器图像； 图13为本发明实施例二的典型地物RCS值的图表。
【具体实施方式】
[0080] 一种基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，包括：获得定标场原 始SAR图像数据；在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程；进行定标器图像能量 的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初 步辐射定标SAR图像数据；进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算； 对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据，如图1所示。
[0081] 所述定标场原始SAR图像数据是通过机载SAR雷达平台对地面定标场场景成像的 结果，定标场选择平坦开阔的场景，其大小大于等于SAR成像幅宽；然后在定标场中沿距离 向即垂直于载机飞行方向上均匀布设多个正方形三面角反射器，避开高塔桥梁房屋和电子 力线的具有强散射能力的人工目标；接着，通过SAR雷达载机平台匀速直线飞行，并保持其 飞行航线与定标角反射器的指向垂直，SAR雷达波束侧视扫过地面定标场成像，最终获得含 角反射器目标的定标场原始SAR图像数据。
[0082] 所述点目标雷达方程的基本公式如下：
[0083]
[0084]式中：
[0085] Ps--目标的雷达回波功率；
[0086] Pt--雷达的发射功率；
[0087] Gr--接收增益；
[0088]G{(p)--双程天线方向图增益；
[0089]9--天线俯仰角，度；
[0090] A--雷达波长，m ;
[0091] 〇°--目标的雷达后向散射系数（RCS);
[0092] c--电磁波真空速度，m/s;
[0093]tp--脉冲宽度，s;
[0094] R--目标的斜距距尚，m ;
[0095]La--雷达的天线长度，m ;
[0096] 0--目标的雷达入射角，度；
[0097] 对于SAR辐射外定标，其目的是建立SAR图像中像元能量值与绝对的雷达后向散 射系数之间的一一对应关系，因此，重新定义两个参数，即雷达系统传递函数&的和 雷达系统常数项K s:
[0099]其中，斜距R、入射角0是与特定目标有关的已知变量，G(妁是雷达天线方向图， 除R、0和G(妁外的所有其它参数即为雷达系统常数项
得到辐射外定标 方程，即目标在SAR图像中的能量值与目标的RCS之间的关系式：
[0101] 其中，目标的雷达回波功率P#目标在SAR图像上的能量响应相对应，因此，辐射 外定标问题简化为的估计问题，通过获取实验场的SAR图像数据和布设的已 知散射特性定标器来估计SAR系统传递函数&(兄％的和系统常数K s，获取成像目标真实雷 达后向散射系数〇 °值，由此实现SAR数据的辐射外定标。
[0102] 所述进行定标器图像能量的稳定估计是指：
[0103] 定标器图像能量即回波功率的估计要在待估定标器的周围选择大小不同的两个 处理窗口，即目标窗和背景窗：
[0104] a)目标窗即目标区，该区域要求包含待估定标器目标所有主旁瓣像素能量，目标 应置于一个大的均匀背景区域；
[0105] b)背景窗要求包含目标窗，且与目标窗之间的阴影区域为背景杂波区，背景杂波 应为同质均匀背景地物；
[0106] 设目标区的像素个数为Npu，背景杂波区的像素个数为Nu，由于对于数字图像数据， 能量即功率用求和来计算，这样目标区的能量Wpu为
(4)
[0108]式中：
[0109] apu--目标区内的像素能量值；
[0110] 同样，背景杂波区的能量Wu为
[0112] 式中：
[0113] au一一背景杂波区内的像素能量值；
[0114] 忽略系统噪声影响，那么待估定标器目标的能量\通过下式计算得到：
[0115] Wp=Wpu-Wu(Npu/Nu) (6)。
[0116]所述进行定标器RCS的几何光学解算是指：
[0117] 正方形三面角反射器的RCS最大值为：
[0119] 其中，b为三面角反射器边长，X是雷达波长；
[0120] 当雷达波长小于角反射器尺寸时，采用几何光学模型根据观测几何关系估计RCS 值，定义两个观测角度，即方位角n，〇< n < n/2,和俯仰角巾，〇<巾< Ji/2,其中方 位角n定义为雷达视线方向在xoy平面的投影与ox之间的夹角，俯仰角<i>定义为雷达视 线方向与xoy平面之间的夹角，这两个角度由各个定标器与雷达观测方向之间的实际几何 关系决定，雷达入射角0可由下式计算：
[0122] 其中，H为载机平台飞行高度，&为SAR图像的初始斜距，Y为目标在图像中沿距 离向的偏移像素值，AY为图像距离向分辨率，arcos是反余弦函数；
[0123] 因此，弱布设定标器表现在任意几何关系下，通过几何光学的方法可计算出定标 器即正方形三面角反射器的RCS值 〇squme((i)，n):
[0125]其中，Cl，c2, c3为方 位角和俯仰角的函数，分别定义如下：
[0127] 由知可知，当方位角n = 31 4,即45度；俯仰角
，即35. 26度时， 达到RCS最大值。
[0128] 所述进行雷达系统传递函数的拟合与校正是指：
[0129] 假设在距离向上布设了 N个定标器，即正方形三面角反射器，那么第i个，
[0130] 1彡i彡N，定标器的系统传递函数为：
[0132] 〇_^(巾，q)表示第i个定标器的RCS值，Wpi表示第i个定标器的目标能量估 值，n为方位角，巾为俯仰角；
[0133] 由于[(足％的是随距离向参数变化的函数，利用多个定标器的估值的曲 线拟合来获得，并通过下式校正原始SAR数据的系统传递函数，得到初步辐射定标SAR图像 数据，其图像能量为匕'：
[0135] 在得到初步辐射定标SAR图像数据基础上，再进行定标器图像能量的稳定估计和 定标器RCS的几何光学解算，同样获得多个定标器图像能量的估计Wp' i以及RCS的计算值， 由于初步辐射定标SAR图像数据在经过雷达系统传递函数的拟合与校正之后已消除了雷 达系统传递函数的影响，因此，此时得到的是各个定标器的系统常数K si:
[0137] 系统常数&采用多个K 直估计的平均，最后，校正初步辐射校正SAR数据中的系 统常数&得到最终SAR辐射定标数据，即地物目标RCS值〇 °:
[0138] 〇〇=Ps'/Ks (14)。
[0139] 由于本发明采用的是无源角反射器作为SAR辐射定标器，因此需要事先将一定数 量经过精确标定的标准正方形三面角反射器沿距离向，即垂直飞行方向均匀排列于定标场 中，角反射器的一般性要求为：
[0140] 平板曲度 彡0.006m 表面不规则性 s￡0. 003m 校直误差 优于0.2° 旋转角误差 优于0.1° 俯仰角误差 优于0.1° 边长误差 优于0. 001m
[0141] 各个正方形三面角反射器采用相同弱条件布设方式，无需针对每个角反射器调 整，具体布设方式为：参照图3将反射器的底面正方形的对角线指向与已知的SAR飞行航线 方向垂直，且底面正方形平面与地面保持平行，即45度方位角，俯仰角为各个角反射器位 置的实际雷达入射角。然后，通过SAR载机平台飞行将雷达照射波束扫过定标场和成像处 理得到的SAR图像中所有标准反射器目标，最后实现SAR图像辐射外定标处理。
[0142] 下面结合图1至图13对本发明作进一步说明。
[0143] 实施例一
[0144] C波段陆上有人机SAR数据
[0145] 采用国内中国电科38所有人机SAR的陆上试验飞行在某地定标场获得的C波段 机载SAR图像，图4为该定标场的原始HH极化通道的SAR图像，图像大小为3480像素*2270 像素，载机飞行高度为2050m，图像初始斜距为2950m，图像距离向分辨率为0. 75m，图像方 位向分辨率为1.0m。由于系统传递函数外的的存在，原始SAR图像表现出明显的明 暗变化，即图像上部的亮度偏亮，图像底部的亮度则偏暗。
[0146] 首先建立起SAR图像能量与系统传递函数、系统常数以及目标RCS之间的辐射外 定标方程，然后在此方程基础上，参照图2在图4定标场中沿机场跑道方向即距离向上布设 的大量正方形三面角反射器的周围选取合适窗口进行各个定标器的
[0147]图像能量估计，表1给出各个角反射器的图像目标能量Wpi的估值。
[0148] 同时根据实际SAR成像几何关系计算相应各个定标器的。^_810(巾，q)值；已 知角反射器的边长b为0. 35m，方位角n为45度，俯仰角巾=90- 0，由式⑶和式（9) 可得到各个位置角反射器的RCS值，见表1 :
[0149] 表1实施例一的系统传递函数计算表
[0150]
[0151] 表2实施例一的系统常数计算表
[0154] 然后在距离向上通过多项式曲线拟合出系统传递函数当获得系统传 递函数的拟合曲线后，可将原始SAR图像进行系统传递函数的校正。
[0155] 图5是利用距离向上布设的定标器估计拟合得到的系统传递函数曲线。图6是原 始SAR图像经系统传递函数校正后的SAR图像，可以看出图4中底部的阴暗图像在图6中 呈现出了原有的地物细节，增强了后期地物解译的能力。
[0156] 接着，在图6中的初步校正SAR图像上进行定标器图像能量的稳定估计和定标器 RCS的几何光学解算，并估计系统常数，见表2,最终的系统常数K s采用表2中5个K si估值 的平均，即12. 4174dB。然后，对系统传递函数校正后的SAR图像进一步进行系统定标常数 Ks的校正，得到完成辐射外定标后的定标场SAR图像。图8给出了完成辐射外定标后定标 场中一些典型地物（如跑道、草地、植被、城区、农田）的RCS值与《各类地物雷达散射统计 手册》进行的对比，吻合各种典型地物的实测RCS值。《各类地物雷达散射统计手册》由美 国F. T. Ulaby和M. C. Dobson编著，全面描述了各种传感器参数下各类地物的"地杂波"测 量数据，在已有大量实测数据的基础上，对数据进行了严格反复的鉴别、剔除和校准并界定 精确度后编入本手册。因此，迄今为止这本手册被认为对已校准过的后向散射系数〇 °数 据是最全面的。
[0157] 最后，利用图7中停机坪处摆放的0. 4三角形三面体角反射器和0. 35m正方形 三面体角反射器进行了辐射精度验证，其辐射定标精度的均值为-0. 5349dB，均方差为 1. 1597dB，满足1. 5dB的辐射外定标要求。
[0158]
[0159]
[0160]
[0161]
[0162] 实施例二
[0163] C波段海上无人机SAR数据
[0164] 采用国内中国电科38所无人机SAR的海上实验飞行在某沿海定标场获得的C波 段机载SAR图像。海上飞行实验的思路是无人机先飞过临海的地面定标场，然后进入内 海进行成像飞行，对地面定标场进行外辐射定标处理获得的定标参数，再用于内海SAR数 据的外辐射定标，最后得到海洋SAR辐射外定标数据可用于海洋风速、风向以及波向、波 长、波高等信息的定量反演。图9为该定标场的原始HH极化通道的SAR图像，图像大小为 2900像素*1470像素，载机飞行高度为2941m，图像初始斜距为3627m，图像距离向分辨率为 0. 7495m，图像方位向分辨率为0. 6m。由于系统传递函数的存在，该原始SAR图像 同样表现出明显的明暗变化，即图像上部下部的亮度偏暗亮，图像中部的亮度偏亮。
[0165] 与实施例一一样，首先参照图2在定标场图像中沿距离向上布设的大量正方形三 面角反射器的周围选取合适窗口进行各个定标器的图像能量估计，同时根据实际SAR成像 几何关系计算相应各个定标器的RCS值，计算结果见表3。
[0166] 表3实施例二的系统传递函数计算表
[0168]
[0169] 表4实施例二的系统常数计算表
[0171] 然后在距离向上通过多项式曲线拟合出系统传递函数当获得系统传 递函数的拟合曲线后，再将原始SAR图像进行系统传递函数的校正。图10是利用 距离向上布设的定标器估计拟合得到的系统传递函数曲线。图11是原始SAR图像经系统 传递函数校正后的SAR图像，可以看出图9中上部下部的阴暗图像在图11中呈现出了原有 的地物细节。
[0172] 接着，在图11中的初步校正SAR图像上进行定标器图像能量的稳定估计和定标器 RCS的几何光学解算，并通估计系统常数，见表4,最终的系统常数K s采用表4中5个K si估 值的平均，即6. 9090dB。然后，对系统传递函数校正后的SAR图像进一步进行系统定标常数 Ks的校正，得到完成辐射外定标后的定标场SAR图像。
[0173] 在完成辐射外定标处理后，在成像定标场景选取了跑道和城区典型地物进行RCS 分析，其结果与《各类地物雷达散射统计手册》实测结果基本吻合，如图13所示。
[0174]
[0175] 最后，利用图12中其它位置摆放的多个正方形三面体角反射器进行了辐射精度 验证，得到的各定标精度分别为-〇? 9407dB，-2. 2676dB，0. 1546d B，-l. 2984dB，0. 0899dB，-0 .4644dB，-0. 6292dB，-0. 6219dB，-0. 5536dB，其定标精度标准差为0. 9dB。在保证海洋成像中 系统稳定性的条件下，满足利用经典物理参数模型反演海洋风速、风向、波浪信息的1. OdB 辐射定标精度。
[0176] 综上所述，本发明在已知点目标雷达方程的基础上，针对辐射外定标要获得雷达 后向散射系数的需求，依据雷达系统参数的自身特性，重建包含了变化系统传递函数和不 变系统常数项的SAR辐射外定标方程，简化了辐射外定标的应用过程，避免了机载SAR飞行 很难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热带雨林区域的困境，同时利用角 反射器的几何光学模型解，解决了常规方法为了满足定标器最大RCS值带来的严格布设的 难题，从而大大增强了对SAR数据进行辐射外定标处理的适用性和鲁棒性。
【主权项】
1. 一种基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，该方法包括下列顺序的 步骤： (1) 获得定标场原始SAR图像数据； (2) 在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程； (3) 进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算； (4) 进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初步辐射定标SAR图像数据； (5) 进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算； (6) 对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据。2. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述定标场原始SAR图像数据是通过机载SAR雷达平台对地面定标场场景成像的 结果，定标场选择平坦开阔的场景，其大小大于等于SAR成像幅宽；然后在定标场中沿距离 向即垂直于载机飞行方向上均匀布设多个正方形三面角反射器，避开高塔桥梁房屋和电子 力线的具有强散射能力的人工目标；接着，通过SAR雷达载机平台匀速直线飞行，并保持其 飞行航线与定标角反射器的指向垂直，SAR雷达波束侧视扫过地面定标场成像，最终获得含 角反射器目标的定标场原始SAR图像数据。3. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述点目标雷达方程的基本公式如下：(1) 式中： Ps-目标的雷达回波功率； Pt-雷达的发射功率； Gr--接收增益； (7(纠 一一双程天线方向图增益；tP-天线俯仰角，度； λ--雷达波长，m ; σ°一一目标的雷达后向散射系数（RCS); c--电磁波真空速度，m/s ; τ ρ--脉冲宽度，s ; R一一目标的斜距距离，m; La--雷达的天线长度，m ; Θ 目标的雷达入射角，度； 对于SAR辐射外定标，其目的是建立SAR图像中像元能量值与绝对的雷达后向散射系 数之间的一一对应关系，因此，重新定义两个参数，即雷达系统传递函数&奶和雷达 系统常数项Ks:⑵ 其中，斜距R、入射角Θ是与特定目标有关的已知变量，G(妁是雷达天线方向图，除R、 Θ和G(妁外的所有其它参数即为雷达系统常数项：：得到辐射外定标方 程，即目标在SAR图像中的能量值与目标的RCS之间的关系式：(3) 其中，目标的雷达回波功率P#目标在SAR图像上的能量响应相对应，因此，辐射外定 标问题简化为&(反外的和Ks的估计问题，通过获取实验场的SAR图像数据和布设的已知散 射特性定标器来估计SAR系统传递函数夂(/?，队的和系统常数Ks，获取成像目标真实雷达后 向散射系数〇°值，由此实现SAR数据的辐射外定标。4. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述进行定标器图像能量的稳定估计是指： 定标器图像能量即回波功率的估计要在待估定标器的周围选择大小不同的两个处理 窗口，即目标窗和背景窗： a) 目标窗即目标区，该区域要求包含待估定标器目标所有主旁瓣像素能量，目标应置 于一个大的均匀背景区域； b) 背景窗要求包含目标窗，且与目标窗之间的阴影区域为背景杂波区，背景杂波应为 同质均匀背景地物； 设目标区的像素个数为Npu，背景杂波区的像素个数为Nu，由于对于数字图像数据，能量 即功率用求和来计算，这样目标区的能量Wpu为(4) 式中： apu--目标区内的像素能量值； 同样，背景杂波区的能量Wu为(5) 式中： au一一背景杂波区内的像素能量值； 忽略系统噪声影响，那么待估定标器目标的能量Wp通过下式计算得到： WP=WPU-WU(NPU/NU) (6)。5. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述进行定标器RCS的几何光学解算是指： 正方形三面角反射器的RCS最大值为：(7) 其中，b为三面角反射器边长，λ是雷达波长； 当雷达波长小于角反射器尺寸时，采用几何光学模型根据观测几何关系估计RCS值， 定义两个观测角度，即方位角η，〇< η < π/2,和俯仰角Φ，0< Φ < π/2,其中方位角 η定义为雷达视线方向在x〇y平面的投影与οχ之间的夹角，俯仰角Φ定义为雷达视线方 向与xoy平面之间的夹角，这两个角度由各个定标器与雷达观测方向之间的实际几何关系 决定，雷达入射角Θ可由下式计算：其中，H为载机平台飞行高度，Rtl为SAR图像的初始斜距，Y为目标在图像中沿距离向 的偏移像素值，Δ Y为图像距离向分辨率，arcos是反余弦函数； 因此，弱布设定标器表现在任意几何关系下，通过几何光学的方法可计算出定标器即 正方形三面角反射器的RCS值σ squme ( φ，q ):其中，C1, (?, q为方位角和俯仰角的函数，分别定义如下：由知可知，当方位角η = π/4,即45度；俯仰角# = 1&!^(1/71\即35. 26度时，达到 RCS最大值。6. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述进行雷达系统传递函数的拟合与校正是指： 假设在距离向上布设了 N个定标器，即正方形三面角反射器，那么第i个， I < i < N，定标器的系统传递函数为：η)表示第i个定标器的RCS值，Wpi表示第i个定标器的目标能量估值， η为方位角，Φ为俯仰角； 由于f(i?,外的是随距离向参数变化的函数，利用多个定标器&(足供，)估值的曲线拟 合来获得，并通过下式校正原始SAR数据的系统传递函数，得到初步辐射定标SAR图像数 据，其图像能量为P' s:7. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：在得到初步辐射定标SAR图像数据基础上，再进行定标器图像能量的稳定估计和 定标器RCS的几何光学解算，同样获得多个定标器图像能量的估计W' pi以及RCS的计算 值，由于初步辐射定标SAR图像数据在经过雷达系统传递函数的拟合与校正之后已消除了 雷达系统传递函数的影响，因此，此时得到的是各个定标器的系统常数Ksi:系统常数&采用多个K J直估计的平均，最后，校正初步辐射校正SAR数据中的系统常 数心得到最终SAR辐射定标数据，即地物目标RCS值σ O0=PrS/Ks (14)。
【专利摘要】本发明涉及一种基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，包括：获得定标场原始SAR图像数据；在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程；进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初步辐射定标SAR图像数据；进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据。在点目标雷达方程的基础上，依据雷达系统参数的自身特性，重建包含了变化系统传递函数和不变系统常数项的SAR辐射外定标方程，简化了辐射外定标的应用过程，避免了机载SAR飞行很难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热带雨林区域的困境。
【IPC分类】G01S7/40, G01S13/90
【公开号】CN104898100
【申请号】CN201510219899
【发明人】陈曦, 吴涛, 陶利, 钟雪莲, 王立刚
【申请人】中国电子科技集团公司第三十八研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月30日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机载合成孔径雷达SAR数据处理技术领域，尤其是一种基于弱布设角 反射器的机载SAR辐射外定标处理方法。
【背景技术】
[0002] SAR辐射定标的目的就是在获得的SAR图像中，建立每个图像像元强度值与目标 真实后向散射系数的正确对应关系，使得SAR图像强度与被观测目标的物理参数准确关 联，有利于SAR数据的定量应用。按照定标过程中是否需要借助SAR系统外部的定标参照 目标，SAR辐射定标一般可以分为内定标和外定标，辐射外定标优于内定标之处在于它是直 接测量端到端的系统性能，能够测量出那些很难进行测量的系统参数，如天线方向图、波束 中心增益和角度以及信号传播效应等。外定标中采用的定标目标分为点目标和分布目标 两类。相对于摆放背景区域，点目标要求具有相当大的并且事先已知的雷达散射截面，常见 的有角反射器，雷达转发器等，目前角反射器一般采用最大RCS值作为已知值，因此需要根 据载机平台飞行路线和雷达入射角来调整每个角反射器方位角和俯仰角，然而，由于距离 向上雷达入射角的变化以及机载SAR平台飞行的不稳定性，实际想达到精确调整的目的是 很困难的；同时，由于SAR系统聚焦程度以及图像分辨率的不同，点目标在SAR图像上并非 表现为单个强像素点，而往往表现为多个强像素点的集合，因此带来了点目标像素峰值与 实际点目标图像能量之间的差异性影响定标精度。而分布目标一般应具有后向散射稳定 的、时不变的、各向同性的性质，如热带雨林，大片的均匀草地等，相对于星载SAR，由于机载 SAR飞行范围有限，一般难以获得热带雨林这类已知散射特性稳定的大范围分布目标，而采 用其它稳定性未知的草地、植被等分布目标会降低SAR辐射外定标的精度。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种简化辐射外定标的应用过程，避免了机载SAR飞行很 难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热带雨林区域的困境，解决了常规方 法为了满足定标器最大RCS值带来的严格布设的难题，从而大大增强了对SAR数据进行辐 射外定标处理的适用性和鲁棒性的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于弱布设角反射器的机载 SAR辐射外定标处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0005] (1)获得定标场原始SAR图像数据；
[0006] (2)在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程；
[0007] (3)进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；
[0008] (4)进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初步辐射定标SAR图像数据；
[0009] (5)进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；
[0010] (6)对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据。所 述定标场原始SAR图像数据是通过机载SAR雷达平台对地面定标场场景成像的结果，定标 场选择平坦开阔的场景，其大小大于等于SAR成像幅宽；然后在定标场中沿距离向即垂直 于载机飞行方向上均匀布设多个正方形三面角反射器，避开高塔桥梁房屋和电子力线的具 有强散射能力的人工目标；接着，通过SAR雷达载机平台匀速直线飞行，并保持其飞行航线 与定标角反射器的指向垂直，SAR雷达波束侧视扫过地面定标场成像，最终获得含角反射器 目标的定标场原始SAR图像数据。
[0011] 所述点目标雷达方程的基本公式如下：
[0013] 式中：
[0014] Ps--目标的雷达回波功率；
[0015] Pt--雷达的发射功率；
[0016] Gr--接收增益；
[0017] G{(p)--双程天线方向图增益；
[0018] 9一一天线俯仰角，度；
[0019] A--雷达波长，m;
[0020] 〇 ° 目标的雷达后向散射系数（RCS);
[0021] c--电磁波真空速度，m/s;
[0022] xp--脉冲宽度，s;
[0023] R--目标的斜距距尚，m ;
[0024] La--雷达的天线长度，m ;
[0025] 0--目标的雷达入射角，度；
[0026] 对于SAR辐射外定标，其目的是建立SAR图像中像元能量值与绝对的雷达后向散 射系数之间的一一对应关系，因此，重新定义两个参数，即雷达系统传递函数&(兄％的和 雷达系统常数项K s:
[0028] 其中，斜距R、入射角0是与特定目标有关的已知变量，G(妁是雷达天线方向图， 除R、0和外的所有其它参数即为雷达系统常数项
得到辐射外定标 方程，即目标在SAR图像中的能量值与目标的RCS之间的关系式：
[0030] 其中，目标的雷达回波功率P#目标在SAR图像上的能量响应相对应，因此，辐射 外定标问题简化为K(足外的和Ks的估计问题，通过获取实验场的SAR图像数据和布设的已 知散射特性定标器来估计SAR系统传递函数&(/?，，的和系统常数Ks，获取成像目标真实雷 达后向散射系数〇 °值，由此实现SAR数据的辐射外定标。
[0031] 所述进行定标器图像能量的稳定估计是指：
[0032] 定标器图像能量即回波功率的估计要在待估定标器的周围选择大小不同的两个 处理窗口，即目标窗和背景窗：
[0033] a)目标窗即目标区，该区域要求包含待估定标器目标所有主旁瓣像素能量，目标 应置于一个大的均匀背景区域；
[0034]b)背景窗要求包含目标窗，且与目标窗之间的阴影区域为背景杂波区，背景杂波 应为同质均匀背景地物；
[0035] 设目标区的像素个数为Npu，背景杂波区的像素个数为Nu，由于对于数字图像数据， 能量即功率用求和来计算，这样目标区的能量Wpu为
[0037]式中：
[0038] apu--目标区内的像素能量值；
[0039] 同样，背景杂波区的能量Wu为
[0041]式中：
[0042] au--背景杂波区内的像素能量值；
[0043] 忽略系统噪声影响，那么待估定标器目标的能量Wp通过下式计算得到：
[0044] Wp=Wpu-ffu(Npu/Nu) (6)。
[0045] 所述进行定标器RCS的几何光学解算是指：
[0046] 正方形三面角反射器的RCS最大值为：
[0048] 其中，b为三面角反射器边长，X是雷达波长；
[0049] 当雷达波长小于角反射器尺寸时，采用几何光学模型根据观测几何关系估计RCS 值，定义两个观测角度，即方位角n，〇< n < n/2,和俯仰角巾，〇<巾< Ji/2,其中方 位角n定义为雷达视线方向在xoy平面的投影与ox之间的夹角，俯仰角<i>定义为雷达视 线方向与xoy平面之间的夹角，这两个角度由各个定标器与雷达观测方向之间的实际几何 关系决定，雷达入射角0可由下式计算：
[0051] 其中，H为载机平台飞行高度，&为SAR图像的初始斜距，Y为目标在图像中沿距 离向的偏移像素值，AY为图像距离向分辨率，arcos是反余弦函数；
[0052] 因此，弱布设定标器表现在任意几何关系下，通过几何光学的方法可计算出定标 器即正方形三面角反射器的RCS值 〇squme((i)，n):
[0054]其中，Cl，c2, c3为方位角和俯仰角的函数，分别定义如下：
[0056] 由知可知，当方位角n = 31/4,即45度；俯仰角參=tan-即35. 26度时， 达到RCS最大值。
[0057] 所述进行雷达系统传递函数的拟合与校正是指：
[0058] 假设在距离向上布设了 N个定标器，即正方形三面角反射器，那么第i个，
[0059] 1彡i彡N，定标器的系统传递函数为：
[0061] 〇squarM(4>，n)表示第i个定标器的RCS值，Wpi表示第i个定标器的目标能量估 值，n为方位角，巾为俯仰角；
[0062] 由于欠(兄％的是随距离向参数变化的函 数，利用多个定标器&(足史,的估值的曲 线拟合来获得，并通过下式校正原始SAR数据的系统传递函数，得到初步辐射定标SAR图像 数据，其图像能量为匕'：
[0064] 在得到初步辐射定标SAR图像数据基础上，再进行定标器图像能量的稳定估计和 定标器RCS的几何光学解算，同样获得多个定标器图像能量的估计Wp' i以及RCS的计算值， 由于初步辐射定标SAR图像数据在经过雷达系统传递函数的拟合与校正之后已消除了雷 达系统传递函数的影响，因此，此时得到的是各个定标器的系统常数K si:
[0066]系统常数&采用多个K 直估计的平均，最后，校正初步辐射校正SAR数据中的系 统常数&得到最终SAR辐射定标数据，即地物目标RCS值〇 °:
[0067]〇°=P ； /Ks (14)〇
[0068] 由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，在已知点目标雷达方程的基础 上，针对辐射外定标要获得雷达后向散射系数的需求，依据雷达系统参数的自身特性，重建 包含了变化系统传递函数和不变系统常数项的SAR辐射外定标方程，简化了辐射外定标的 应用过程，避免了机载SAR飞行很难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热 带雨林区域的困境；第二，通过SAR图像中定标器目标窗以及背景窗之间的能量计算实现 定标器图像能量的稳定、准确的估计，并且最终结果不受所选窗口大小、图像分辨率、系统 聚集程度的影响；第三，采用正方形三面角反射器作为已知散射特性的定标器，根据布设定 标器与雷达视线方向所呈的方位角和俯仰角，利用定标器的几何光学解而非理论最大值作 为其实际RCS值，不但避免了使用常规理论RCS最大值引起的实际估计误差，也弱化了机载 SAR情况下对定标器的布设要求；第四，在辐射外定标方程重建的基础上，利用连续两次定 标器图像能量估计和RCS几何光学解算步骤，通过距离向多个定标器样本采样，一方面采 用曲线拟合方法估算系统传递函数的变化曲线，一方面采用样本均值估计辐射外定标的系 统常数项，从而最终达到辐射外定标获取图像目标的真实RCS值的目的。
【附图说明】
[0069]图1为本发明的方法流程图；
[0070] 图2为本发明定标器图像能量估计示意图；
[0071] 图3为本发明正方形三面角反射器的雷达几何关系图；
[0072] 图4为本发明实施例一原始SAR图像；
[0073]图5为本发明实施例一系统传递函数的曲线拟合估计；
[0074] 图6为本发明实施例一系统传递函数校正后的SAR图像；
[0075] 图7为本发明实施例一用于辐射精度验证的定标器图像；
[0076] 图8为本发明实施例一的典型地物RCS值的图表；
[0077] 图9为本发明实施例二原始SAR图像；
[0078] 图10为本发明实施例二系统传递函数的曲线拟合估计；
[0079] 图11为本发明实施例二系统传递函数校正后的SAR图像； 图12为本发明实施例二用于辐射精度验证的定标器图像； 图13为本发明实施例二的典型地物RCS值的图表。
【具体实施方式】
[0080] 一种基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，包括：获得定标场原 始SAR图像数据；在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程；进行定标器图像能量 的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初 步辐射定标SAR图像数据；进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算； 对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据，如图1所示。
[0081] 所述定标场原始SAR图像数据是通过机载SAR雷达平台对地面定标场场景成像的 结果，定标场选择平坦开阔的场景，其大小大于等于SAR成像幅宽；然后在定标场中沿距离 向即垂直于载机飞行方向上均匀布设多个正方形三面角反射器，避开高塔桥梁房屋和电子 力线的具有强散射能力的人工目标；接着，通过SAR雷达载机平台匀速直线飞行，并保持其 飞行航线与定标角反射器的指向垂直，SAR雷达波束侧视扫过地面定标场成像，最终获得含 角反射器目标的定标场原始SAR图像数据。
[0082] 所述点目标雷达方程的基本公式如下：
[0083]
[0084]式中：
[0085] Ps--目标的雷达回波功率；
[0086] Pt--雷达的发射功率；
[0087] Gr--接收增益；
[0088]G{(p)--双程天线方向图增益；
[0089]9--天线俯仰角，度；
[0090] A--雷达波长，m ;
[0091] 〇°--目标的雷达后向散射系数（RCS);
[0092] c--电磁波真空速度，m/s;
[0093]tp--脉冲宽度，s;
[0094] R--目标的斜距距尚，m ;
[0095]La--雷达的天线长度，m ;
[0096] 0--目标的雷达入射角，度；
[0097] 对于SAR辐射外定标，其目的是建立SAR图像中像元能量值与绝对的雷达后向散 射系数之间的一一对应关系，因此，重新定义两个参数，即雷达系统传递函数&的和 雷达系统常数项K s:
[0099]其中，斜距R、入射角0是与特定目标有关的已知变量，G(妁是雷达天线方向图， 除R、0和G(妁外的所有其它参数即为雷达系统常数项
得到辐射外定标 方程，即目标在SAR图像中的能量值与目标的RCS之间的关系式：
[0101] 其中，目标的雷达回波功率P#目标在SAR图像上的能量响应相对应，因此，辐射 外定标问题简化为的估计问题，通过获取实验场的SAR图像数据和布设的已 知散射特性定标器来估计SAR系统传递函数&(兄％的和系统常数K s，获取成像目标真实雷 达后向散射系数〇 °值，由此实现SAR数据的辐射外定标。
[0102] 所述进行定标器图像能量的稳定估计是指：
[0103] 定标器图像能量即回波功率的估计要在待估定标器的周围选择大小不同的两个 处理窗口，即目标窗和背景窗：
[0104] a)目标窗即目标区，该区域要求包含待估定标器目标所有主旁瓣像素能量，目标 应置于一个大的均匀背景区域；
[0105] b)背景窗要求包含目标窗，且与目标窗之间的阴影区域为背景杂波区，背景杂波 应为同质均匀背景地物；
[0106] 设目标区的像素个数为Npu，背景杂波区的像素个数为Nu，由于对于数字图像数据， 能量即功率用求和来计算，这样目标区的能量Wpu为
(4)
[0108]式中：
[0109] apu--目标区内的像素能量值；
[0110] 同样，背景杂波区的能量Wu为
[0112] 式中：
[0113] au一一背景杂波区内的像素能量值；
[0114] 忽略系统噪声影响，那么待估定标器目标的能量\通过下式计算得到：
[0115] Wp=Wpu-Wu(Npu/Nu) (6)。
[0116]所述进行定标器RCS的几何光学解算是指：
[0117] 正方形三面角反射器的RCS最大值为：
[0119] 其中，b为三面角反射器边长，X是雷达波长；
[0120] 当雷达波长小于角反射器尺寸时，采用几何光学模型根据观测几何关系估计RCS 值，定义两个观测角度，即方位角n，〇< n < n/2,和俯仰角巾，〇<巾< Ji/2,其中方 位角n定义为雷达视线方向在xoy平面的投影与ox之间的夹角，俯仰角<i>定义为雷达视 线方向与xoy平面之间的夹角，这两个角度由各个定标器与雷达观测方向之间的实际几何 关系决定，雷达入射角0可由下式计算：
[0122] 其中，H为载机平台飞行高度，&为SAR图像的初始斜距，Y为目标在图像中沿距 离向的偏移像素值，AY为图像距离向分辨率，arcos是反余弦函数；
[0123] 因此，弱布设定标器表现在任意几何关系下，通过几何光学的方法可计算出定标 器即正方形三面角反射器的RCS值 〇squme((i)，n):
[0125]其中，Cl，c2, c3为方 位角和俯仰角的函数，分别定义如下：
[0127] 由知可知，当方位角n = 31 4,即45度；俯仰角
，即35. 26度时， 达到RCS最大值。
[0128] 所述进行雷达系统传递函数的拟合与校正是指：
[0129] 假设在距离向上布设了 N个定标器，即正方形三面角反射器，那么第i个，
[0130] 1彡i彡N，定标器的系统传递函数为：
[0132] 〇_^(巾，q)表示第i个定标器的RCS值，Wpi表示第i个定标器的目标能量估 值，n为方位角，巾为俯仰角；
[0133] 由于[(足％的是随距离向参数变化的函数，利用多个定标器的估值的曲 线拟合来获得，并通过下式校正原始SAR数据的系统传递函数，得到初步辐射定标SAR图像 数据，其图像能量为匕'：
[0135] 在得到初步辐射定标SAR图像数据基础上，再进行定标器图像能量的稳定估计和 定标器RCS的几何光学解算，同样获得多个定标器图像能量的估计Wp' i以及RCS的计算值， 由于初步辐射定标SAR图像数据在经过雷达系统传递函数的拟合与校正之后已消除了雷 达系统传递函数的影响，因此，此时得到的是各个定标器的系统常数K si:
[0137] 系统常数&采用多个K 直估计的平均，最后，校正初步辐射校正SAR数据中的系 统常数&得到最终SAR辐射定标数据，即地物目标RCS值〇 °:
[0138] 〇〇=Ps'/Ks (14)。
[0139] 由于本发明采用的是无源角反射器作为SAR辐射定标器，因此需要事先将一定数 量经过精确标定的标准正方形三面角反射器沿距离向，即垂直飞行方向均匀排列于定标场 中，角反射器的一般性要求为：
[0140] 平板曲度 彡0.006m 表面不规则性 s￡0. 003m 校直误差 优于0.2° 旋转角误差 优于0.1° 俯仰角误差 优于0.1° 边长误差 优于0. 001m
[0141] 各个正方形三面角反射器采用相同弱条件布设方式，无需针对每个角反射器调 整，具体布设方式为：参照图3将反射器的底面正方形的对角线指向与已知的SAR飞行航线 方向垂直，且底面正方形平面与地面保持平行，即45度方位角，俯仰角为各个角反射器位 置的实际雷达入射角。然后，通过SAR载机平台飞行将雷达照射波束扫过定标场和成像处 理得到的SAR图像中所有标准反射器目标，最后实现SAR图像辐射外定标处理。
[0142] 下面结合图1至图13对本发明作进一步说明。
[0143] 实施例一
[0144] C波段陆上有人机SAR数据
[0145] 采用国内中国电科38所有人机SAR的陆上试验飞行在某地定标场获得的C波段 机载SAR图像，图4为该定标场的原始HH极化通道的SAR图像，图像大小为3480像素*2270 像素，载机飞行高度为2050m，图像初始斜距为2950m，图像距离向分辨率为0. 75m，图像方 位向分辨率为1.0m。由于系统传递函数外的的存在，原始SAR图像表现出明显的明 暗变化，即图像上部的亮度偏亮，图像底部的亮度则偏暗。
[0146] 首先建立起SAR图像能量与系统传递函数、系统常数以及目标RCS之间的辐射外 定标方程，然后在此方程基础上，参照图2在图4定标场中沿机场跑道方向即距离向上布设 的大量正方形三面角反射器的周围选取合适窗口进行各个定标器的
[0147]图像能量估计，表1给出各个角反射器的图像目标能量Wpi的估值。
[0148] 同时根据实际SAR成像几何关系计算相应各个定标器的。^_810(巾，q)值；已 知角反射器的边长b为0. 35m，方位角n为45度，俯仰角巾=90- 0，由式⑶和式（9) 可得到各个位置角反射器的RCS值，见表1 :
[0149] 表1实施例一的系统传递函数计算表
[0150]
[0151] 表2实施例一的系统常数计算表
[0154] 然后在距离向上通过多项式曲线拟合出系统传递函数当获得系统传 递函数的拟合曲线后，可将原始SAR图像进行系统传递函数的校正。
[0155] 图5是利用距离向上布设的定标器估计拟合得到的系统传递函数曲线。图6是原 始SAR图像经系统传递函数校正后的SAR图像，可以看出图4中底部的阴暗图像在图6中 呈现出了原有的地物细节，增强了后期地物解译的能力。
[0156] 接着，在图6中的初步校正SAR图像上进行定标器图像能量的稳定估计和定标器 RCS的几何光学解算，并估计系统常数，见表2,最终的系统常数K s采用表2中5个K si估值 的平均，即12. 4174dB。然后，对系统传递函数校正后的SAR图像进一步进行系统定标常数 Ks的校正，得到完成辐射外定标后的定标场SAR图像。图8给出了完成辐射外定标后定标 场中一些典型地物（如跑道、草地、植被、城区、农田）的RCS值与《各类地物雷达散射统计 手册》进行的对比，吻合各种典型地物的实测RCS值。《各类地物雷达散射统计手册》由美 国F. T. Ulaby和M. C. Dobson编著，全面描述了各种传感器参数下各类地物的"地杂波"测 量数据，在已有大量实测数据的基础上，对数据进行了严格反复的鉴别、剔除和校准并界定 精确度后编入本手册。因此，迄今为止这本手册被认为对已校准过的后向散射系数〇 °数 据是最全面的。
[0157] 最后，利用图7中停机坪处摆放的0. 4三角形三面体角反射器和0. 35m正方形 三面体角反射器进行了辐射精度验证，其辐射定标精度的均值为-0. 5349dB，均方差为 1. 1597dB，满足1. 5dB的辐射外定标要求。
[0158]
[0159]
[0160]
[0161]
[0162] 实施例二
[0163] C波段海上无人机SAR数据
[0164] 采用国内中国电科38所无人机SAR的海上实验飞行在某沿海定标场获得的C波 段机载SAR图像。海上飞行实验的思路是无人机先飞过临海的地面定标场，然后进入内 海进行成像飞行，对地面定标场进行外辐射定标处理获得的定标参数，再用于内海SAR数 据的外辐射定标，最后得到海洋SAR辐射外定标数据可用于海洋风速、风向以及波向、波 长、波高等信息的定量反演。图9为该定标场的原始HH极化通道的SAR图像，图像大小为 2900像素*1470像素，载机飞行高度为2941m，图像初始斜距为3627m，图像距离向分辨率为 0. 7495m，图像方位向分辨率为0. 6m。由于系统传递函数的存在，该原始SAR图像 同样表现出明显的明暗变化，即图像上部下部的亮度偏暗亮，图像中部的亮度偏亮。
[0165] 与实施例一一样，首先参照图2在定标场图像中沿距离向上布设的大量正方形三 面角反射器的周围选取合适窗口进行各个定标器的图像能量估计，同时根据实际SAR成像 几何关系计算相应各个定标器的RCS值，计算结果见表3。
[0166] 表3实施例二的系统传递函数计算表
[0168]
[0169] 表4实施例二的系统常数计算表
[0171] 然后在距离向上通过多项式曲线拟合出系统传递函数当获得系统传 递函数的拟合曲线后，再将原始SAR图像进行系统传递函数的校正。图10是利用 距离向上布设的定标器估计拟合得到的系统传递函数曲线。图11是原始SAR图像经系统 传递函数校正后的SAR图像，可以看出图9中上部下部的阴暗图像在图11中呈现出了原有 的地物细节。
[0172] 接着，在图11中的初步校正SAR图像上进行定标器图像能量的稳定估计和定标器 RCS的几何光学解算，并通估计系统常数，见表4,最终的系统常数K s采用表4中5个K si估 值的平均，即6. 9090dB。然后，对系统传递函数校正后的SAR图像进一步进行系统定标常数 Ks的校正，得到完成辐射外定标后的定标场SAR图像。
[0173] 在完成辐射外定标处理后，在成像定标场景选取了跑道和城区典型地物进行RCS 分析，其结果与《各类地物雷达散射统计手册》实测结果基本吻合，如图13所示。
[0174]
[0175] 最后，利用图12中其它位置摆放的多个正方形三面体角反射器进行了辐射精度 验证，得到的各定标精度分别为-〇? 9407dB，-2. 2676dB，0. 1546d B，-l. 2984dB，0. 0899dB，-0 .4644dB，-0. 6292dB，-0. 6219dB，-0. 5536dB，其定标精度标准差为0. 9dB。在保证海洋成像中 系统稳定性的条件下，满足利用经典物理参数模型反演海洋风速、风向、波浪信息的1. OdB 辐射定标精度。
[0176] 综上所述，本发明在已知点目标雷达方程的基础上，针对辐射外定标要获得雷达 后向散射系数的需求，依据雷达系统参数的自身特性，重建包含了变化系统传递函数和不 变系统常数项的SAR辐射外定标方程，简化了辐射外定标的应用过程，避免了机载SAR飞行 很难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热带雨林区域的困境，同时利用角 反射器的几何光学模型解，解决了常规方法为了满足定标器最大RCS值带来的严格布设的 难题，从而大大增强了对SAR数据进行辐射外定标处理的适用性和鲁棒性。
【主权项】
1. 一种基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，该方法包括下列顺序的 步骤： (1) 获得定标场原始SAR图像数据； (2) 在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程； (3) 进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算； (4) 进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初步辐射定标SAR图像数据； (5) 进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算； (6) 对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据。2. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述定标场原始SAR图像数据是通过机载SAR雷达平台对地面定标场场景成像的 结果，定标场选择平坦开阔的场景，其大小大于等于SAR成像幅宽；然后在定标场中沿距离 向即垂直于载机飞行方向上均匀布设多个正方形三面角反射器，避开高塔桥梁房屋和电子 力线的具有强散射能力的人工目标；接着，通过SAR雷达载机平台匀速直线飞行，并保持其 飞行航线与定标角反射器的指向垂直，SAR雷达波束侧视扫过地面定标场成像，最终获得含 角反射器目标的定标场原始SAR图像数据。3. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述点目标雷达方程的基本公式如下：(1) 式中： Ps-目标的雷达回波功率； Pt-雷达的发射功率； Gr--接收增益； (7(纠 一一双程天线方向图增益；tP-天线俯仰角，度； λ--雷达波长，m ; σ°一一目标的雷达后向散射系数（RCS); c--电磁波真空速度，m/s ; τ ρ--脉冲宽度，s ; R一一目标的斜距距离，m; La--雷达的天线长度，m ; Θ 目标的雷达入射角，度； 对于SAR辐射外定标，其目的是建立SAR图像中像元能量值与绝对的雷达后向散射系 数之间的一一对应关系，因此，重新定义两个参数，即雷达系统传递函数&奶和雷达 系统常数项Ks:⑵ 其中，斜距R、入射角Θ是与特定目标有关的已知变量，G(妁是雷达天线方向图，除R、 Θ和G(妁外的所有其它参数即为雷达系统常数项：：得到辐射外定标方 程，即目标在SAR图像中的能量值与目标的RCS之间的关系式：(3) 其中，目标的雷达回波功率P#目标在SAR图像上的能量响应相对应，因此，辐射外定 标问题简化为&(反外的和Ks的估计问题，通过获取实验场的SAR图像数据和布设的已知散 射特性定标器来估计SAR系统传递函数夂(/?，队的和系统常数Ks，获取成像目标真实雷达后 向散射系数〇°值，由此实现SAR数据的辐射外定标。4. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述进行定标器图像能量的稳定估计是指： 定标器图像能量即回波功率的估计要在待估定标器的周围选择大小不同的两个处理 窗口，即目标窗和背景窗： a) 目标窗即目标区，该区域要求包含待估定标器目标所有主旁瓣像素能量，目标应置 于一个大的均匀背景区域； b) 背景窗要求包含目标窗，且与目标窗之间的阴影区域为背景杂波区，背景杂波应为 同质均匀背景地物； 设目标区的像素个数为Npu，背景杂波区的像素个数为Nu，由于对于数字图像数据，能量 即功率用求和来计算，这样目标区的能量Wpu为(4) 式中： apu--目标区内的像素能量值； 同样，背景杂波区的能量Wu为(5) 式中： au一一背景杂波区内的像素能量值； 忽略系统噪声影响，那么待估定标器目标的能量Wp通过下式计算得到： WP=WPU-WU(NPU/NU) (6)。5. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述进行定标器RCS的几何光学解算是指： 正方形三面角反射器的RCS最大值为：(7) 其中，b为三面角反射器边长，λ是雷达波长； 当雷达波长小于角反射器尺寸时，采用几何光学模型根据观测几何关系估计RCS值， 定义两个观测角度，即方位角η，〇< η < π/2,和俯仰角Φ，0< Φ < π/2,其中方位角 η定义为雷达视线方向在x〇y平面的投影与οχ之间的夹角，俯仰角Φ定义为雷达视线方 向与xoy平面之间的夹角，这两个角度由各个定标器与雷达观测方向之间的实际几何关系 决定，雷达入射角Θ可由下式计算：其中，H为载机平台飞行高度，Rtl为SAR图像的初始斜距，Y为目标在图像中沿距离向 的偏移像素值，Δ Y为图像距离向分辨率，arcos是反余弦函数； 因此，弱布设定标器表现在任意几何关系下，通过几何光学的方法可计算出定标器即 正方形三面角反射器的RCS值σ squme ( φ，q ):其中，C1, (?, q为方位角和俯仰角的函数，分别定义如下：由知可知，当方位角η = π/4,即45度；俯仰角# = 1&!^(1/71\即35. 26度时，达到 RCS最大值。6. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：所述进行雷达系统传递函数的拟合与校正是指： 假设在距离向上布设了 N个定标器，即正方形三面角反射器，那么第i个， I < i < N，定标器的系统传递函数为：η)表示第i个定标器的RCS值，Wpi表示第i个定标器的目标能量估值， η为方位角，Φ为俯仰角； 由于f(i?,外的是随距离向参数变化的函数，利用多个定标器&(足供，)估值的曲线拟 合来获得，并通过下式校正原始SAR数据的系统传递函数，得到初步辐射定标SAR图像数 据，其图像能量为P' s:7. 根据权利要求1所述的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，其特 征在于：在得到初步辐射定标SAR图像数据基础上，再进行定标器图像能量的稳定估计和 定标器RCS的几何光学解算，同样获得多个定标器图像能量的估计W' pi以及RCS的计算 值，由于初步辐射定标SAR图像数据在经过雷达系统传递函数的拟合与校正之后已消除了 雷达系统传递函数的影响，因此，此时得到的是各个定标器的系统常数Ksi:系统常数&采用多个K J直估计的平均，最后，校正初步辐射校正SAR数据中的系统常 数心得到最终SAR辐射定标数据，即地物目标RCS值σ O0=PrS/Ks (14)。
【专利摘要】本发明涉及一种基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法，包括：获得定标场原始SAR图像数据；在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程；进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初步辐射定标SAR图像数据；进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据。在点目标雷达方程的基础上，依据雷达系统参数的自身特性，重建包含了变化系统传递函数和不变系统常数项的SAR辐射外定标方程，简化了辐射外定标的应用过程，避免了机载SAR飞行很难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热带雨林区域的困境。
【IPC分类】G01S7/40, G01S13/90
【公开号】CN104898100
【申请号】CN201510219899
【发明人】陈曦, 吴涛, 陶利, 钟雪莲, 王立刚
【申请人】中国电子科技集团公司第三十八研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月30日
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