合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法

1.本发明涉及空间对地观测领域，特别涉及一种合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法。


背景技术：

2.合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)是一种新型的空间对地观测技术，具有全天候、全球覆盖、高时空分辨率、高精度和自动化处理等独特优势。安装在地面的雷达角反射器(corner reflector，cr)是最为理想的脉冲响应目标，在sar影像中表现为一个亮点，可较为容易地被识别出来，已被广泛应用于sar影像定标和地表形变监测中。
3.cr的后向散射特性可用雷达横截面积(radar cross section，rcs)和信杂比(signal to clutter ratio，scr)两个指标来评估。rcs值反映了cr在sar影像中的反射强度大小，scr值则反映了cr在sar影像中的明亮程度，其值大小取决于自身反射能量大小和背景反射能量大小。scr值的大小可在一定程度上预估点目标干涉相位变化的稳定性及绝对定位精度的高低，scr值越高，获得高精度定位结果的可能性也越大。目前常用的估算rcs值和scr值的方法可分为两类：一类是根据空间信息进行估算，即选取cr信号邻近像素进行计算，第二类是根据cr反射强度时间序列的统计量进行估算。其中，第一类方法更适用于高分辨率影像和大型cr，此时cr信号在sar影像中可呈现明显的十字型，可较为容易地区分cr反射能量和背景反射能量；第二类方法则适用于复杂环境、存在其它强反射点散射体、小尺寸cr、中低分辨率sar影像等情况。比如中等分辨率的sentinel-1iw sar影像，较低的空间分辨率使得邻近像素中易包含非角反射器的其他点目标强反射干扰。此时采用第二类方法可获取更加接近真实情况的估计结果。
4.综合两种不同的算法可知，rcs值和scr值无偏估计的关键在于如何得到较为符合实际情况的背景反射强度和cr反射强度。空间法成立的前提条件是假设区域内散射环境是相似的，若存在其他强反射目标的污染，则无法估算出真实的环境反射强度；时序法成立的前提条件是背景反射强度在时间序列上是稳定的，但是该方法的统计量只用到了单个像素(强度峰值)，而由于雷达采集信号的带宽是有限的，采用sinc函数转为时域信号时会产生旁瓣，因此在sar影像中cr的反射信号通常分布在其邻近的若干像素内，只采用单个像素无法反映cr的真实反射强度，计算得到的rcs值偏小。


技术实现要素：

5.本发明是为解决上述问题而进行的，目的在于提供一种合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法，本发明采用了如下技术方案：
6.本发明提供了一种合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1，采用多景未安装cr的sar影像，并利用所述cr的地理坐标反算其在影像中的像素位置；步骤s2，以反算的所述像素位置为中心，在未安装cr的强度影像中截取合适大小窗口的子块，并进行绝对校正，从而获取每个像素的后向散射强度值σ0；步骤s3，以
所述子块窗口的中心像素的所述后向散射强度值σ0的时间序列为参考样本，利用两样本的k-s假设检验法对所述子块窗口内的其余像素的时序样本进行检验；步骤s4，将通过检验的所述像素看作一个shp，计算所有的所述shp点的平均强度值e
shp
，从而估计所述背景反射强度；步骤s5，采用安装cr后的sar影像，以所述cr强度峰值所在像素为中心，选取预定尺寸的目标窗口，并扣除所述目标窗口的背景强度，从而获取所述cr真实的反射强度e
cr
；步骤s6，基于所述平均强度值e
shp
和所述反射强度e
cr
计算rcs值和scr值，并分析所述rcs值在时间上的稳定性，从而评估所述cr状态的稳定性，排除异常数据。
7.本发明提供的合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤s3是通过判断所述时序样本与所述参考样本是否来自于相同的分布，从而判断所述时序样本像素是否通过检验。
8.本发明提供的合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤s5中所述cr真实的反射强度e
cr
计算公式如下：
[0009][0010]
式中，n表示所述窗口包含的像素，为所述窗口像素的所述后向散射强度值，e
shp
为平均强度值。
[0011]
本发明提供的合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤s6中的rcs值以及scr值的计算公式如下：
[0012][0013][0014]
式中，ρ
rg
表示影像的方位向，ρ
az
表示距离向像素间隔，θ
loc
表示为局部入射角，所述异常数据包括所述cr积水、破损。
[0015]
发明作用与效果
[0016]
根据本发明的合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法，由于采用了未安装cr前的sar影像，排除了cr反射信号对真实背景强度估算的干扰，同时选取了采样窗口内统计分布相同的像素点，计算其平均值作为背景强度，可有效排除窗口内的异常像素。另外cr的反射能量通常会分布在周边若干个像素，本发明根据其空间分布选取合适的窗口估计cr反射强度，结果更符合实际情况。
附图说明
[0017]
图1是本发明实施例中合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法的流程示意图；
[0018]
图2是本发明实施例中角反射器rcs随时间变化示意图；
[0019]
图3是本发明实施例中角反射器rcs和scr值计算结果示意图。
具体实施方式
[0020]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法作具体阐述。
[0021]
《实施例》
[0022]
图1是本发明实施例中合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法的流程示意图。
[0023]
如图1所示，合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法主要包括如下步骤：
[0024]
步骤s1，采用未安装cr的sar影像，并利用所述cr的地理坐标反算其在影像中的像素位置。
[0025]
本实施例中采用未安装cr(上述的雷达角反射器)的sar影像，要求未安装cr的sar影像最好大于20景，并利用cr地理坐标反算在影像中的像素位置。sar影像包括强度影像。
[0026]
步骤s2，以反算的所述像素位置为中心，在未安装cr的sar影像(强度影像)中截取合适大小窗口的子块，并进行绝对校正，从而获取每个像素的后向散射强度值σ0。
[0027]
步骤s3，以所述子块窗口的中心像素的所述后向散射强度值σ0的时间序列为参考样本，利用两样本的k-s假设检验法对所述子块窗口内的其余像素的时序样本进行检验。
[0028]
本实施例中，将子块中心像素的σ0值时间序列作为参考样本，采用两样本的k-s假设检验法，判断窗口内其余像素的时序样本与参考样本是否来自于相同的分布，通过假设检验的像素可认定为一个shp；
[0029]
步骤s4，将通过检验的所述像素看作一个shp，计算所有的所述shp点的平均强度值e
shp
，从而估计所述背景反射强度；
[0030]
本实施例中，将计算的所有的shp点的平均强度值e
shp
近似为背景信号强度，同时统计所述shp点的数量，可将其作为后续计算得到的rcs值和scr值的一个可靠性指标，所述shp点的数量越多，计算得到的rcs值和scr值更接近真实情况。
[0031]
步骤s5，采用安装cr后的sar影像，以所述cr强度峰值所在像素为中心，选取预定尺寸的目标窗口，并扣除所述目标窗口的背景强度，从而获取所述cr真实的反射强度e
cr
。
[0032]
本实施例中，采用安装cr后的sar影像，以cr强度峰值所在像素为中心，选取合适大小的目标窗口，共包含n个像素，扣除窗口中的背景强度后获取cr真实的反射强度e
cr
，计算公式如下：
[0033][0034]
式中，n表示所述窗口包含的像素，为所述窗口像素的所述后向散射强度值，e
shp
为平均强度值。
[0035]
步骤s6，基于所述平均强度值e
shp
和所述反射强度e
cr
计算rcs值和scr值，并分析所述rcs值在时间上的稳定性，从而评估所述cr状态的稳定性，排除异常数据；
[0036]
本实施例中，rcs值和scr值的计算公式如下：
[0037]
[0038][0039]
式中，ρ
rg
表示影像的方位向，ρ
az
表示距离向像素间隔，θ
loc
表示为局部入射角，并分析rcs值在时间上的稳定性来评估角反射器状态的稳定性，排除存在异常的数据(如角反射器积水、或破损)。
[0040]
图2是本发明实施例中角反射器rcs随时间变化示意图；图3是本发明实施例中角反射器rcs和scr值计算结果示意图。
[0041]
如图2-3所示，本实施例利用布设在上海的5个直角边长1.2m的cr对设计的新方法进行测试和评估。cr的编号和安装时间分别为：dt(2020.7.27)、cx(2020.8.7)、b1(2020.9.7)、b2(2020.9.8)和b3(2020.9.10)。收集到覆盖5个cr的升轨sentinel-1a/b iw模式sar影像，其中未安装cr的影像共25景，时间跨度为2019年9月9日至2020年7月17日；安装cr后的影像共81景，时间跨度为2020年7月29日至2022年3月9日。根据cr在sar影像中的空间分布特征，采用7
×
7的采样窗口，如图2所示为采用新方法得到的cr在各景影像中的rcs值随时间的变化。由图2可知，5个角反射器的rcs在安装日期之后均明显增大，该值越大说明cr的反射能力越强。将图2中有问题的影像剔除后，得到了5组cr的平均rcs值和scr值，如图3所示。其中cx安装在停车场，其反射强度会受到偶尔停放的大型车辆的加强，对应的rcs值超过了理想状态下的数值(34.5db
·
m2)，同时其scr值也偏大。排除cx，dt安装于野外，其scr值相对最大，b1和b2安装于大桥引桥段，其scr值次之，b3安装于主桥叠合梁，其scr值最小，该结果符合实际情况。
[0042]
实施例作用与效果
[0043]
根据本发明的合成孔径雷达角反射器散射特性估计新方法，由于采用了未安装cr前的sar影像，排除了cr反射信号对真实背景强度估算的干扰，同时选取了采样窗口内统计分布相同的像素点，计算其平均值作为背景强度，可有效排除窗口内的异常像素。另外cr的反射能量通常会分布在周边若干个像素，本发明根据其空间分布选取合适的窗口估计cr反射强度，结果更符合实际情况。
[0044]
实施例中，利用上海的5个直角边长1.2m的cr对设计的新方法进行测试和评估，测试结果符合实际情况，证明本发明的新方法是有效且可靠的。
[0045]
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。