一种人工地物和自然地物交叉辐射定标与验证方法与流程

1.本发明属于星载合成孔径雷达数据处理领域，涉及我国高分三号卫星定标 试验中人工地物和自然地物交叉辐射定标与验证技术。


背景技术：

2.高分三号(gf-3)卫星是一颗具备高分辨率成像能力的1米分辨率c频段 多极化合成孔径雷达(sar)成像卫星，是高分专项(民用)中唯一的相控阵 雷达成像卫星，也是我国首颗c频段多极化高分辨率微波遥感卫星。gf-3卫 星是太阳同步回归冻结轨道运行的微波遥感卫星，能够全天候实现全球海洋和 陆地信息的监视监测，并通过左右姿态机动扩大对地观测范围和提升快速响应 能力，其获取的c频段多极化微波遥感信息可以用于海洋、减灾、水利及气象 等多个领域，服务于我国海洋、减灾、水利及气象等多个行业及业务部门，是 我国实施海洋开发、陆地环境资源监测和防灾减灾的重要技术支撑。
3.gf-3卫星的多方向、多领域应用意味着传统定性遥感难以满足其高精度成 像需求，且卫星sar系统在信号流程处理中存在诸多增益误差，使得生产的 sar图像无法准确反映实际地物的回波特性，直接影响sar高分辨率图像获 取，因此必须通过对sar进行定标处理来补偿各种误差，如在轨误差、传播误 差和外定标误差等，以实现对地定量观测，从而提高卫星成像的稳定性，定量 化遥感技术已经逐渐成为优化星载合成孔径雷达系统性能的重要手段。
4.星载sar辐射定标技术是实现定量遥感的关键步骤，辐射定标分为内定标 和外定标，其中辐射内定标主要通过sar系统内部设备测量天线tr通道幅相 特性和系统参考函数来标定雷达系统性能，辐射外定标则是通过外场试验中采 用角反射器或有源定标器反射信号进行标定。在星载sar辐射定标处理领域， 我国相对国外的发展较晚，特别是针对外场辐射定标试验，国内研究大多局限 于辐射定标仿真验证，缺少利用实测数据进行定标处理的分析，并且缺少利用 人工地物和自然地物进行交叉辐射定标技术的研究，因此细化采用卫星实测数 据进行人工地物和自然地物交叉辐射定标相关技术的流程，深入分析sar定标 精度检验和验证方法，对获取高辐射精度的sar图像产品具有重要研究意义。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对上述现有辐射定标 数据处理面临的问题，提出一种人工地物和自然地物交叉辐射定标与验证方法， 并给出利用角反射器等人工地物测量雷达系统总体传递函数(定标常数)的方 法和结果，以及利用实测同波位亚马逊热带雨林自然地物数据验证结果。
6.本发明的技术方案是：一种人工地物和自然地物交叉辐射定标与验证方法， 步骤如下：
7.(1)在外场定标试验中对有源定标器进行雷达截面积校准，测量有源定标 器的标称rcs测量值σ；
8.(2)将精确标定的有源定标器和已知标称值rcs的三面角反射器布设在 测绘带内，获取gf-3卫星过顶后的定标场原始数据；
9.(3)对定标场原始数据进行成像处理得到level1a级单视复数sar图 像，然后进行精密辐射校正，在sar图像中标定各人工地物定标器的位置，并 提取点目标响应能量和计算绝对辐射定标常数；计算其均值以均值作为 本景图像定标常数；
10.(4)基于人工地物计算得到的绝对辐射定标常数，使用同模式同波位的热 带雨林自然地物数据进行后向散射系数测量来检验绝对辐射精度。
11.所述步骤(1)的具体过程为：首先利用有源定标器的发射天线发射固定载 频的脉冲信号，并由接收天线接收反射回来的信号，该信号经过延时放大后再 由发射天线发射，并进行回波信号取样记录，然后利用两次回波信号的功率差 值δp和雷达截面积rcs的固定关系，即可完成有源定标器标称rcs测量。
12.所述两次回波信号的功率差值δp和雷达截面积rcs的固定关系为：
[0013][0014]
其中：σ为有源定标器的标称rcs测量值；
[0015]
r为标准反射器到有源定标器的距离；
[0016]
σ
ref
为标准反射器的雷达截面积。
[0017]
所述步骤(2)的具体过程为：首先在中国鄂托克旗sar定标场测绘带内 布设经过标称rcs值测量的有源定标器和已知标称值的三面角反射器，然后 按照定标场经纬坐标进行卫星成像任务规划安排，生成指令并上注，获取卫星 过顶的定标场原始数据。
[0018]
所述步骤(3)的具体过程为：为测量人工地物定标器绝对辐射定标常数， 首先对获取的定标场原始数据进行处理得到单视复数sar图像，并在图像中标 定各人工地物定标器的点目标位置，提取点目标响应能量，并计算每个点目标 的定标常数，之后对所有点目标的定标常数进行取平均处理，得到绝对辐射定 标常数。
[0019]
所述每个点目标的定标常数
[0020]
ε
p
：点目标能量响应，对应式中的pd；
[0021]
σ
ref
：参考点目标雷达截面积；
[0022]rt
：点目标斜距；
[0023]
θ
t
：点目标入射角；
[0024]
r0：参考斜距；
[0025]
p
t0
：发射功率；
[0026]
g2(θn,φn)：单程天线方向图；
[0027]get
：系统增益；
[0028]
p
tt
：参考发射功率；
[0029]
θ0：参考入射角；
[0030]
方位角；
[0031]
参考方位角。
[0032]
所述步骤(4)的具体过程为：首先选取和定标场数据同模式同波位的热带 雨林自然地物数据，并基于定标常数值反推计算自然地物的后向散射系数，与 国际公认c波段雨林后向散射系数值取差值，即获得绝对辐射精度值，验证定 标常数测量值的准确性。
[0033]
所述绝对辐射精度值小于1db为验证准确性成功。
[0034]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0035]
(1)本发明采用gf-3卫星最新内蒙古鄂托克旗外场定标试验的原始回波 数据，运用gf-3地面处理系统进行成像和产品生产，得到level1a级单视 复数sar图像，相较现有辐射定标研究而言，利用卫星实际过顶测量数据可实 现对gf-3卫星部分波位定标结果的周期性更新与验证，从而定量化监测gf-3 卫星在轨运行的性能状态和稳定性。
[0036]
(2)本发明同时使用角反射器和有源定标器两种定标器测量绝对辐射定标 常数，以进行相互参考和验证，并进一步采用gf-3卫星近期亚马逊热带雨林 同波位成像数据，通过测量其后向散射系数来辅佐验证定标常数。因此本发明 同时基于人工地物(角反射器和有源定标器)和自然地物(亚马逊热带雨林) 进行交叉定标和验证，有效增加了绝对辐射定标常数测量值的准确性。
附图说明
[0037]
图1为雷达截面积校准的工作原理示意图。
[0038]
图2为定标设备布设的示意图。
[0039]
图3为绝对定标常数测量流程图。
[0040]
图4为sar图像中标定各人工地物定标器的位置示意图。
[0041]
图5为有源定标器和角反射器在不同波位下hh模式的定标常数均值柱状 图。
[0042]
图6为目标分布示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明的实施方式做详细说明：
[0044]
步骤1，在外场定标试验中对有源定标器进行雷达截面积校准，测量有源 定标器的标称rcs。
[0045]
雷达截面积校准的工作原理如图1所示。有源定标器校准系统的雷达截面 积校准是确保有源定标器rcs精度的重要设备，主要为有源定标器提供精确 已知的雷达截面积参考值，测量有源定标器的标称rcs。有源定标器进行rcs 校准时，有源定标器的发射天线发射一个由内部信号发生器产生的固定载频的 脉冲信号，并由接收天线接收经标准反射器反射回来的信号，反射信号经过有 源定标器转发路径延时放大后，再由发射天线发射，同时由内部的检波记录系 统对回波信号进行取样记录。则相邻两次记录的回波信号功率的差值有如下关 系：
[0046][0047]
其中：σ为有源定标器的标称rcs测量值；
[0048]
r为标准反射器到有源定标器的距离；
[0049]
σ
ref
为标准反射器的雷达截面积。
[0050]
上式表明σ
ref
、r确定后，有源定标器的雷达截面积由相邻两次回波信号功 率的差δp决定。设有源定标器内部的增益校准电路检测信号源功率为p0和发射 终端耦合的脉冲信号功率p1，其差值δp＝p1/p0作为有源定标器实际工作时增益 校准电路控制转发通道增益的参考值，以保持自定标确定的有源定标器雷达截 面积σ的稳定性。
[0051]
步骤2，将精确标定的有源定标器和已知标称值rcs的三面角反射器布设 在测绘带内，获取gf-3卫星过顶后的定标场原始数据。
[0052]
参加本次gf-3卫星外场测试的定标设备包括：9台c波段有源定标器和 8台角反射器。根据定标设备的主要用途和外场定标的测试需求，开展绝对辐 射定标常数的测量。定标设备布设的示意图如图2所示。
[0053]
步骤3，对定标场原始数据进行成像处理得到level1a级单视复数sar 图像，然后进行精密辐射校正，在sar图像中标定各人工地物定标器的位置， 并提取点目标响应能量和计算绝对辐射定标常数。
[0054]
参加本次测试采用gf-3卫星精细条带1、精细条带2、全极化条带1、滑 动聚束、标准条带、超精细条带定标场数据，测试区域为内蒙古自治区鄂尔多 斯市鄂托克旗sar定标场。绝对辐射定标常数测量依靠地面提供精确已知雷达 截面积(或散射系数)的目标作为标准参考源来测量。在位于内蒙古的外定标 场地，根据所选的待测波位参数，卫星的精密轨道数据等，使用定标检校软件 分析波束覆盖情况，选取合适的布设地点并计算设备工作参数信息，由此布设 已知精确rcs的极化有源定标器并设置其工作参数，作为参考目标进行sar 系统传递函数，将经过精确标定的有源定标器和角反射器布设在测绘带内，雷 达过顶后对定标场原始数据进行成像处理，并在成像处理过程中进行精密的辐 射校正，图像上确定各定标器的图像位置，提取点目标响应能量和计算每个点 目标的定标常数，即绝对辐射定标常数的测量。
[0055]
绝对辐射定标常数测量原理如下。sar图像上点目标的实测雷达截面积σ
′ꢀ
可以表达如下式所示：
[0056][0057]
式中：
[0058]
去除噪声功率后图像像素功率值(db)
[0059]
点目标对应图像像元(i,j)dn值的平方
[0060]
系统噪声dn值的平方
[0061]
k：定标常数(db)
[0062]rn
：斜距(米)
[0063]
r0：参考斜距(米)
[0064]
p
t0
：发射功率(瓦)
[0065]
p
tn
：参考发射功率(瓦)
[0066]
θn：入射角(度)
[0067]
θ0：参考入射角(度)
[0068]
φn：方位角(度)
[0069]
φ0：参考方位角(度)
[0070]
g2(θn,φn)：单程天线方向图
[0071]gen
：系统增益
[0072]geo
：参考系统增益
[0073][0074]
式中，
[0075]
ε
p
：点目标能量响应，对应式中的pd[0076]
σ
ref
：参考点目标雷达截面积(db)
[0077]rt
：点目标斜距(米)
[0078]
θ
t
：点目标入射角(度)
[0079]
综上，绝对辐射定标常数测量流程图如图3所示，测量方案如下：
[0080]
(1)有源定标器或者角反射器提供精确的雷达截面积参考值σ
ref
；
[0081]
(2)对定标场数据进行成像和相对辐射校正；
[0082]
(3)从校正的定标场图像上测量有源定标器和角反射器的目标响应能量， 并计算定标常数ki，计算其均值以均值作为本景图像定标常数。
[0083]
按照上述测量绝对辐射定标常数的原理和方案，以精细条带2模式(wf6 波位，26918圈)为例，在sar图像中标定各人工地物定标器的位置如图4 所示，经过上述计算过程，得到各定标器的定标常数测量结果表如下所示。
[0084]
表1精细条带2模式(wf6波位)角反射器定标常数测量结果表
[0085][0086]
表2精细条带2模式(wf6波位)有源定标器定标常数测量结果表
[0087][0088]
由表1和表2可得精细条带2模式(wf6波位)角反射器和有源定标器定 标常数分别为26.6667和26.2593。依次类推得到6个模式，16个波位的绝对 辐射定标常数测量值，通过绘制有源定标器和角反射器在不同波位下hh模式 的定标常数均值柱状图，对比其相对测量误差，如图5所示。由柱状图对比可 知，基于角反射器和有源定标器的定标常数测量结果值非常接近或相当，可相 互参考或验证。
[0089]
步骤4，基于人工地物计算得到的绝对辐射定标常数，使用同模式同波位 的热带雨林自然地物数据进行后向散射系数测量来检验绝对辐射精度。
[0090]
以gf-3卫星精细条带2模式(wf6波位)level1a单视复数数据为例， 基于步骤2中角反射器和有源定标器两者定标常数均值26.463，选取相同的 wf6波位过亚马逊热带雨林的图像计算后向散射系数，目标分布如图6所示， 结果如下表3所示。
[0091]
表3精细条带2模式(wf6波位)热带雨林后向散射系数测量结果表
[0092][0093]
根据国际公认的结果，亚马逊热带雨林c波段后向散射系数为-6.4db，由 表3得出精细条带2模式(wf6波位)热带雨林后向散射系数为-6.3611db， 与国际公认的亚马逊热带雨林c波段后向散射系数差值为0.0389db，因此通 过人工地物和自然地物交叉定标成功验
证步骤2中定标常数计算值具有高准确 性。
[0094]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术 内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术 方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同 变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。