基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法
阅读说明：本技术 基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法 (Synthetic aperture radar on-orbit rapid calibration method based on natural uniform target ) 是由 易明宽 李传荣 马灵玲 王新鸿 汪琪 王宁 赵永光 唐伶俐 郑青川 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：一种基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法,该方法包括：对需定标合成孔径雷达的未校正图像进行单元格划分；对未校正图像剔除不均匀区域单元格；之后对未校正图像的所有方位条带数据进行平均,再对距离条带拟合,求得天线增益G并对未校正图像进行相对校正得到相对校正图像；使用已校正图像作为基准图像,基于基准图像和未校正图像特征点,对两幅图像进行配准；根据处理后的基准图像和相对校正图像计算绝对定标参数解,求得绝对定标系数与偏移系数。本发明基于已定标合成孔径雷达基准图像和相对校正图像中分布式均匀目标,对在轨合成孔径雷达进行快速定标,省略了摆放人工参考设备的流程,减少了耗费的人力物力,加快定标实验进程。(An on-orbit fast calibration method of a synthetic aperture radar based on a natural uniform target comprises the following steps: dividing cells of an uncorrected image of the synthetic aperture radar to be calibrated; removing uneven area cells from the uncorrected image; averaging all azimuth strip data of the uncorrected image, fitting distance strips, obtaining antenna gain G, and performing relative correction on the uncorrected image to obtain a relative corrected image; using the corrected image as a reference image, and registering the two images based on the reference image and the characteristic points of the uncorrected image; and calculating an absolute calibration parameter solution according to the processed reference image and the relative correction image to obtain an absolute calibration coefficient and an offset coefficient. The method is based on the calibrated synthetic aperture radar reference image and the distributed uniform targets in the relative correction image, the on-orbit synthetic aperture radar is quickly calibrated, the process of placing manual reference equipment is omitted, the consumed manpower and material resources are reduced, and the calibration experiment process is accelerated.)
技术领域
本发明涉及雷达定标领域，尤其涉及一种基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法。
背景技术
交叉定标是辐射定标的一种方法，该方法使用已标定的高精度卫星数据对未标定的卫星进行定标。该技术在光学遥感上已有许多相关应用。现有的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)定标实验，需要结合卫星轨道数据计算对应定标参考设备摆放区域，然后在对应时间段内将参考设备摆放至对应区域，通常定标实验可控时间短。同时在定标实验中，如果错过照射时间，实验人员至少需要在一个卫星轨道运行周期后才可以再次对参考设备摆放区域进行成像。这样严格的时间限制会导致定标实验时效性不高。相对传统辐射定标方法，交叉定标方法直接使用已精确标定的卫星数据对未定标卫星进行定标。这样做可以省略参考设备摆放这一步骤，节省实验所需人力物力，节约定标实验所需时间，大大降低定标实验所需成本。
现有的比较节省人力物力的在轨相对辐射定标方法主要是岛田雅信于1995年使用的分布式目标的定标方法。图1为现有技术中基于分布式参考目标合成孔径雷达相对辐射定标流程图，该方法主要步骤如下：
S11，对需定标合成孔径雷达的未校正图像进行单元格划分：
根据图像计算距离向像素值Nrg的值的数量：
对应斜距R0处图像功率的斜率，其中PM(R)表示距离为R处的图像功率，R表示图像该点处目标距离天线相位中心的斜距。ρr为距离向分辨率，εG为天线方向图期望精度。
[]表示取整，Nmin为方位向最小采样数，Nraz为方位条带数，D为原图抽取间隔。
S12，对需定标合成孔径雷达的未校正图像进行一致性检验剔除不均匀区域单元格；
基于上述单元格参数使用卡方分布对图像进行一致性检验剔除不均匀区域单元格。
S13，对剔除掉不均匀区域单元格后的需定标合成孔径雷达的未校正图像的所有条带数据进行拟合；
对剔除掉了异常数据的均匀区域数据每个条带取平均数，然后以最大值作为参考值进行归一化，作为不同入射角下的天线方向图的增益大小G(θ)。
使用模型：
20log10G(θ)＝a(θ-θ0)2+b+c(θ-θ0)4
对所有条带数据进行拟合，其中θ表示对应像素点处的波束入射角度，θ0表示波束中心入射角，求得参数a，b，c。
S14，使用拟合得到的G(θ)天线方向图增益与已知的σ求得绝对定标系数；
最后使用拟合得到的G(θ)天线方向图增益与已知的σ求得绝对定标系数K：
σ为人工摆放的角反射器雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)值。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明主要解决现有的定标方法需要人工摆放RCS参考设备，定标处理流程时效性差，受卫星重访周期限制，在紧急情况下无法对合成孔径雷达进行快速定标的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法，包括：
对需定标合成孔径雷达的未校正图像进行单元格划分；
对需定标合成孔径雷达的未校正图像进行一致性检验剔除不均匀区域单元格；
对剔除不均匀区域单元格后的未校正图像的所有方位条带数据进行平均，然后对距离条带数据进行拟合，求得天线方向图增益G(θ)，使用天线方向图增益G(θ)对图像进行相对校正，得到需定标合成孔径雷达的相对校正图像；
使用已校正图像作为基准图像，基于基准图像和未校正图像中特征点，对基准图像和未校正图像进行配准处理；
根据配准后的基准图像和需定标合成孔径雷达的相对校正图像计算绝对定标参数解，求得绝对定标系数gain与偏移系数offset。
其中，对基准图像和未校正图像进行配准处理，包括：
选取基准图像和未校正图像上的地面控制点对两幅图像进行配准；
对基准图像进行缩放处理，使基准图像方位向分辨率与距离向分辨率与原图像一致。
其中，根据配准处理后的基准图像和需定标合成孔径雷达的相对校正图像计算绝对定标参数解，求得绝对定标系数gain与偏移系数offset，包括：
以处理后的基准图像的DN值作为需定标合成孔径雷达相对校正图像的目标区域的后向散射系数真值，在坐标(i，j)处两幅图像像素值之间的关系可以表示为：
DN1i，j＝gain·DN2i，j+offset
其中，DN1i，j为配准处理后的基准图像第i行第j列单元格处DN值，DN2i，j为需定标合成孔径雷达的未校正图像中第i行第j列单元格处经相对校正后图像DN值；
令
其中，N表示基准图像定标目标区域所有像素数目，则上式可以写为：
DN1＝DN2·G
使用最小二乘法解算绝对定标系数gain与偏移系数offset：
G＝(DN2 T·DN2)·DN2 T·DN1
(三)有益效果
1、本发明提供的基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法，通过使用分布式均匀目标(如亚马逊雨林、均匀草地、荒漠等)来进行相对校正处理，省略了摆放人工参考设备的流程，可以减少实验过程中所耗费的人力物力，加快外定标实验进程。
2、本发明提供的基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法，使用满足一定要求的同时、同俯仰角、同方位角已定标星载(或机载)载荷的已校正图像作为待定标载荷绝对定标参数解算的参考基准，省略了摆放人工参考设备的流程，加快外定标实验进程。
3、本发明提供的基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法，将基准图像的几何关系与分辨率转化至与待定标图像一致，对两幅图像进行平移配准，保证两者图像数值可以直接进行计算比较，保证了在轨快速定标的精确性。
附图说明
图1是现有技术中基于分布式参考目标合成孔径雷达相对辐射定标流程图；
图2是依照本发明实施例的基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标的方法流程图；
图3是依照本发明实施例的基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法中对基准图像和未校正图像进行配准处理的流程图。
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，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图2是依照本发明实施例的基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标的方法流程图，该方法包括以下步骤：
S21，对需定标合成孔径雷达的未校正图像进行单元格划分；
S22，对需定标合成孔径雷达的未校正图像进行一致性检验剔除不均匀区域单元格；
基于参数Nrg和Naz使用卡方分布对未校正图像进行一致性检验剔除不均匀区域单元格。根据未校正图像计算距离向像素值Nrg的值的数量：
其中对应斜距R0处图像功率的斜率，PM(R)表示距离为R处的图像功率，R表示图像该点处目标距离天线相位中心的斜距。ρr为距离向分辨率，εG为天线方向图期望精度。
[]表示取整，Nmin为方位向最小采样数，Nraz为方位条带数，D为原图抽取间隔。
S23，对剔除不均匀区域单元格后的未校正图像的所有方位条带数据进行平均，然后对距离条带数据进行拟合，求得天线方向图增益G(θ)，使用天线方向图增益G(θ)对图像进行相对校正，得到需定标合成孔径雷达的相对校正图像；
对剔除不均匀区域单元格后的均匀区域数据每个条带取平均数，然后以最大值作为参考值进行归一化，作为不同入射角下的天线方向图的增益大小G(θ)。
2Olog10G(θ)＝a(θ-θ0)2+b+c(θ-θ0)4
其中θ表示对应像素点处的波束入射角度，θ0表示波束中心入射角，求得参数a，b，c。
然后使用拟合得到得天线方向图增益大小G(θ)对未校正图像进行相对校正，得到需定标合成孔径雷达的相对校正图像，校正公式如下：
DNrelativecalibrated为相对校正后的图像DN值，DNuncalibrated为未校正图像DN值。
本发明提出的基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法，S21～S23与背景技术中提到的分布式目标的定标方法流程中S11～S13一致，但是在经过相对校正之后，不再直接通过人工摆放角反射器获得RCS理论值来解算绝对定标参数，而是通过使用已经过辐射校正的配准图像来解算绝对定标参数。本发明使用已经过辐射校正的配准图像来解算绝对定标参数，需要对两幅图像进行配准处理，具体过程可如图3所示，图3是依照本发明实施例的基于自然均匀目标的合成孔径雷达在轨快速定标方法中对基准图像和未校正图像进行配准处理的流程图，对基准图像和未校正图像进行配准处理具体包括：
S24，使用同时、同俯仰角、同方位角已定标星载(或机载)载荷的已校正图像作为基准图像，基于局部图像中的特征点，对基准图像和未校正图像进行配准处理。
首先选取基准图像的分辨率应保证与待校准图像差距在5倍以内，即基准图像分辨率应在待校准图像分辨率的0.2倍到5倍之间。截取基准图像和未校正图像的地物均匀分布，地势平坦(如亚马逊森林、平原地区等)部分图像进行校正处理。截取的区域中的可对比单元格总数应保证在50以上。同时要求两幅成孔径雷达图像在波束中心线处的入射俯仰角度相同且在20°～80°之间，两者之间的误差不小于1°。方位角度相同，误差不小于1°，两幅图像照射时间应保证相差小于1天以防止时间去相关。
对基准图像和未校正图像进行配准处理分为两个步骤进行：
S241，选取基准图像和未校正图像的上的地面控制点对两幅图像进行配准；
选取基准图像和未校正图像的图像上n个明显的特征点，如拐角，边缘点等作为地面控制点。设基准图像n个地面控制点在基准图像上单元格坐标为(x21，y21)，(x22，y22)，……，(x2n，y2n)，在未校正图像中，基准图像控制点对应在需定标图像上单元格坐标为(x11，y11)，(x12，y12)，……，(x1n，y1n)：
两幅图像像素点的坐标位置关系可以表示为下式：
令则上式可以写为：
XY0＝XY·AB
使用前面选取的n个地面控制点使用最小二乘法求得配准系数：
AB＝(XYT·XY)-1·XYT·XY0
使用配准系数将基准图像所有坐标点配准至未校正图像：
XY0all＝XYall·AB
为基准图像未配准前所有像素点的坐标位置，为基准图像配准至未校正图像时对应像素点坐标位置，N表示基准图像定标目标区域所有像素数目。
S242，对基准图像进行缩放处理，使基准图像方位向分辨率与距离向分辨率与原图像一致；
对基准图像使用双线性插值算法或者三次卷积插值算法进行缩放处理，使基准图像方位向分辨率与距离向分辨率与原图像相一致。
方位向缩放倍数Da＝ρa/ρaref，距离向缩放倍数Dr＝ρr/ρrref，其中ρa为待校正合成孔径雷达图像方位向分辨率，ρaref为基准图像方位向分辨率，ρr为待校正SAR图像方位向分辨率，ρrref为参考图像方位向分辨率。
S25，根据配准处理后的基准图像和需定标合成孔径雷达相对校正图像计算绝对定标参数解，求得绝对定标系数gain与偏移系数offset；
经过上述配准、缩放插值两步处理后，以处理后的基准图像1的DN值(RCS值)作为相对校正图像(图像2)的图像目标区域的后向散射系数真值，单独考虑坐标(i，j)处两幅图像像素值之间的关系可以表示为：
DN1i，j＝gain·DN2i，j+offset
DN1i，j为图像1第i行第j列单元格处DN值(RCS值)。DN2i，j为图像2中第i行第j列单元格处经相对校正后图像DN值。
令N表示基准图像图像定标目标区域所有像素数目，则上式可以写为：
DN1＝DN2·G
使用最小二乘法解算绝对定标系数gain与偏移系数offset：
G＝(DN2 T·DN2)-1·DN2 T·DN1
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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