[发明专利]一种星载极化SAR法拉第旋转效应校正平台的构建方法

摘要

本发明是一种星载极化SAR法拉第旋转效应校正平台的构建方法，它有八大步骤。步骤一：线性全极化SAR复图像数据格式化处理；步骤二：线性全极化SAR复图像数据内存空间分块处理；步骤三：SAR图像数据块的复协方差矩阵计算；步骤四：基于复协方差的虚部构造复数统计量；步骤五：计算复数统计量的相位角求得法拉第旋转角估计值Ω；步骤六：利用全球导航系统TEC数据求得无模糊的法拉第旋转角估计值Ω^F；步骤七：利用Ω^F对电离层法拉第旋转效应进行校正处理；步骤八：按照步骤三至步骤七对每一个复图像数据块进行法拉第旋转效应校正处理，直到全部完成校正处理。本发明圆满地解决了现有的法拉第旋转角估计方法中的角度模糊问题，具有广泛的实用价值和应用前景。

主权项

1、一种星载极化SAR法拉第旋转效应校正平台的构建方法，其特征在于：该方法具体操作步骤如下：步骤一：线性全极化SAR复图像数据格式化处理根据线性全极化SAR系统发射和接收信号的极化方式，定义其数据通道分别为HH通道、HV通道、VH通道和VV通道；其中，HH表示发射水平极化接收水平极化；HV表示发射水平极化接收垂直极化；VH表示发射垂直极化接收水平极化；VV表示发射垂直极化接收垂直极化；星载线性全极化SAR复图像数据通常包含4个数据文件，每一个数据文件存储线性全极化SAR的某一个通道的数据；每一个数据文件都包含M×N个复数据样本，每个复样本数据又用2个float型即4字节，浮点数分别表示其实部和虚部；其中，M表示数据文件包含的记录个数即行数，N表示每个记录包含复数据样本个数即列数；首先，在计算机中开辟M×N×4×8＝32MN字节的内存空间，用于存储星载线性全极化SAR的复图像数据；在该内存空间D_space中的数据描述如下式所示：其中，D_space的每个元素O_mn(m＝1，2，…M；n＝1，2，…N)是包含4个复数的复矢量，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)分别用于存储HH通道、HV通道、VH通道和VV通道极化SAR图像复数据，m和n分别表示数据位置对应的行号和列号；读取星载线性全极化SAR复图像数据文件，将4个极化通道的数据文件中相同位置(m，n)上的复数值按照式(2)定义的格式赋分别给内存空间D_space中复矢量O_mn的对应元素；最终，按照式(1)定义的形式完成星载线性全极化SAR复图像数据在计算机内存中的格式化处理；步骤二：线性全极化SAR复图像数据内存空间分块处理由于电离层总电子含量分布的高度不确定性，导致在星载SAR成像观测带内不同区域的法拉第旋转角存在较大差异；为了实现在整个星载SAR成像观测带内法拉第旋转角变化情况的准确估计，对步骤一中计算机内存空间D_space进行数据块划分处理，将其划分为若干包含M_s×N_s个复矢量O_kl的数据块D_block；其中，M_s表示数据块的行数，N_s表示数据块的列数，k＝1，2，…M_s，l＝1，2，…N_s分别表示复数据样本的行号和列号；为了保证后续步骤中数据统计分析处理的精度，数据块的样本点数不宜太少，典型取值至少为M_s＝N_s＝16，即保证每个数据块有M_s×N_s＝256个样本；然而，数据块的样本点数也不宜太大，将影响星载SAR成像观测带内法拉第旋转角变化规律的估计；通过分块处理，将内存空间D_space划分为M′×N′个数据块M′=int(MMs)N′=int(NNs)---(3)]]>其中，M′和N′分别两个方向上划分数据块的个数，int(·)表示求取临近的最小整数；每个数据块D_block在计算机内存中的存储格式如下式所示其中，D_block中的每个元素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；步骤三：计算线性全极化SAR图像数据块的复协方差矩阵针对步骤二所划分的每一个数据块D_block，通过统计分析的方法按照如下计算公式生成该数据块对应的复协方差矩阵CC=C11C12C13C14C21C22C23C24C31C32C33C34C41C42C43C44---(5)]]>其中，式中，E{·}表示求解数学期望的函数，实际上也就是统计复数据样本的均值；上标符号*表示复数的共轭；矩阵C中的元素C_m′n′(m′＝1，2，3，4；n′＝1，2，3，4)表示星载SAR任意两个极化通道数据之间的统计协方差量；其中，除了C₁₁、C₂₂、C₃₃和C₄₄为实数标量以外，其他元素均为复数标量；步骤四：基于复协方差的虚部构造复数统计量假设符号Ω表示法拉第旋转角，符号ρ表示地物目标极化散射矩阵中同极化的互相关即复数标量，即ρ=E{SHH(k,l)·Svv*(k,l)}=1MsNs·Σk=1MsΣl=1NsSHH(k,l)·SVV*(k,l);]]>通过理论分析可知：Im(ρ)·cos(2Ω)=Im(C14)Im(ρ)·sin(2Ω)=Im(C13)+Im(C34)-Im(C12)-Im(C24)2---(7)]]>式中，Im(·)表示求复数虚部的函数；因此，可以利用步骤三求得的复协方差矩阵C中的复协方差C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₂₃和C₃₄的虚部，构造出新的复数统计量Z_XZX=Im(ρ)·ej2Ω=Im(C14)+j·Im(C13)+Im(C34)-Im(C12)-Im(C24)2---(8)]]>式中，j=-1;]]>根据式(8)，复数统计量Z_X的实部和虚部为Re(ZX)=Im(C14)Im(ZX)=Im(C13)+Im(C34)-Im(C12)-Im(C24)2---(9)]]>式中，Re(·)表示求复数实部的函数；步骤五：计算复数统计量的相位角求得法拉第旋转角估计值根据步骤四构建的复数统计量Z_X，直接利用求复数相位角的函数arg{·}，按照如下计算公式求得法拉第旋转角估计值Ω^=12arg{ZX}---(10)]]>由于函数arg{·}输出的角度范围为[-90°，90°]，因此基于式(10)估计法拉第旋转角具有180°的角度输出范围，是现有估计方法角度输出范围的2倍，在一定程度上缓解了法拉第旋转角估计的模糊问题，但在P波段等长波长雷达条件下仍存在角度估计模糊；根据式(10)求得的法拉第旋转角估计值与法拉第旋转角真实值Ω存在如下关系其中，k是自然数，如果Im(ρ)为负实数，即Im(ρ)＜0，则有arg{Im(ρ)}＝-180°，因此如果Im(ρ)≥0，则arg{Im(ρ)}＝0°，则有步骤六：利用全球导航系统TEC数据求得无模糊的法拉第旋转角估计值为了对步骤五中求得的法拉第旋转角估计值的角度模糊进行完全修正，本发明利用全球导航系统GNSS提供的电离层TEC观测数据，并结合IGRF10地磁计算模型，求得粗精度的法拉第旋转角估算值Ω^GNSS≈Kf02·(Bcosψ·secθ)·TEC---(12)]]>式中，表示采用全球导航系统GNSS提供的电离层TEC观测数据粗略估算出的法拉第旋转角，f0表示SAR系统的工作频率，单位为Hz；K是常数，且K＝2.365×10⁴，单位是A·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即天线波束指向方向的夹角；TEC表示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；Bcosψ·secθ的物理含义是表示地面400公里高度上的地球磁场因子；采用如下计算公式消除法拉第旋转角估计值的角度模糊，求得无模糊的法拉第旋转角估计值式中，表示经过角度解模糊处理后最终输出的无模糊法拉第旋转角估计值，表示采用式(10)求得的法拉第旋转角估计值，函数round{*}表示取最接近的整数值；步骤七：利用对电离层法拉第旋转效应进行校正处理利用步骤六估计出的法拉第旋转角代入下式实现对电离层法拉第旋转效应的校正处理，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，和分别表示经过校正处理后输出的HH通道、HV通道、VH通道和VV通道星载线性全极化SAR复图像数据；步骤八：按照步骤三至步骤七对每一个复图像数据块进行法拉第旋转效应的校正处理，直到全部完成对星载线性全极化SAR电离层法拉第旋转效应的校正处理；然后，输出经过法拉第旋转效应校正处理后的星载线性全极化SAR复图像数据。