機載SAR系統(tǒng)極化定標(biāo)方法的優(yōu)化研究

廖 露

四川省測繪地理信息局測繪應(yīng)急保障中心，四川 成都 610081

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機載SAR系統(tǒng)極化定標(biāo)方法的優(yōu)化研究

廖 露

四川省測繪地理信息局測繪應(yīng)急保障中心，四川 成都 610081

全極化合成孔徑雷達(dá)技術(shù)能夠通過獲取地物在不同極化狀態(tài)下的散射回波信號，在地理國情監(jiān)測、環(huán)境變化研究方面有著廣泛的應(yīng)用。相較于星載SAR，機載SAR系統(tǒng)由于既可以獨立執(zhí)行對地觀測任務(wù)，又可以作為星載SAR系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)和實驗平臺，在極化SAR研究中有著重要的作用。但天線系統(tǒng)所固有的缺陷和不足，降低了極化SAR數(shù)據(jù)質(zhì)量，干擾了信息的準(zhǔn)確獲取。這讓極化定標(biāo)的研究顯得十分重要。針對極化畸變現(xiàn)象，科研人員早已開展了大量的研究工作。相較于早期研究，目前的極化研究要求更加穩(wěn)定和精確的極化定標(biāo)方法。一個完整的極化定標(biāo)方法包括定標(biāo)體使用方案和參數(shù)求解算法。對極化定標(biāo)方法的優(yōu)化研究，大致分為兩個方向：一是細(xì)化定標(biāo)體及其所含先驗信息；二是優(yōu)化參數(shù)求解的穩(wěn)定性和精確性。本文對這兩個方向進行深入研究。研究內(nèi)容包括以下幾個方面：

(1) 在實際的極化測量中，很多分布式目標(biāo)往往由于非單站條件、法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、非線性媒介作用等原因，不再滿足互易性原理。而對定標(biāo)體互易性的判別，尤其是對極化畸變干擾下目標(biāo)互易性的判別缺乏足夠的研究。針對此問題，提出了一種互易性先行檢驗并據(jù)此選擇定標(biāo)樣本的優(yōu)化方法。理論推導(dǎo)出極化畸變干擾情況下互易夾角的表達(dá)方式和單調(diào)性特點。采用統(tǒng)計趨小，樣本趨優(yōu)的準(zhǔn)則，參考部分樣本的互易夾角值，先行對互易性作出判別。經(jīng)過對初次判別的樣本進行合理滑動窗口下的相干性檢驗，最終選定用以定標(biāo)的互易目標(biāo)。隨后通過分析PauliRGB影像上的弱散射地物、極化特征響應(yīng)圖的扭曲變形、互易夾角定標(biāo)前后的變化，驗證了方法優(yōu)化的有效性和可靠性。從交叉極化項能量、聚類中心的變化到精度統(tǒng)計分析，均表明了目標(biāo)互易性在對地物進行非監(jiān)督分類時的重要性。

(2) 針對實際測量中受到地形坡度、飛行姿態(tài)影響的定標(biāo)體極化方位角偏移現(xiàn)象，以及針對受此影響下極化測量值不再滿足反射對稱性的情況，提出了一種顧及地形條件、以數(shù)據(jù)融合方法求取先驗反射非對稱信息，并最終引入極化定標(biāo)的優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法首先利用數(shù)據(jù)融合的方法求得反射非對稱信息，再在此基礎(chǔ)上構(gòu)建極化定標(biāo)模型。在構(gòu)建定標(biāo)模型時，將幾個關(guān)鍵方程式進行假設(shè)，建立相關(guān)的非線性方程組。隨后，簡化方程組并將其分解為兩個部分進行優(yōu)化求解。其中可以簡化串?dāng)_求解的非線性方程組部分，以此將其作為一種線性優(yōu)化的數(shù)學(xué)表達(dá)。采用該優(yōu)化方法與不同方法進行對比分析，證明了方法的優(yōu)越性。在角反射器極化特征響應(yīng)、分布式目標(biāo)噪聲評價等方面，證明了該優(yōu)化方法的有效性。最終通過對不同時間、不同地區(qū)進行定標(biāo)實驗，也證明了該方法的有效性和應(yīng)用潛力。

(3) 現(xiàn)有極化定標(biāo)參數(shù)求解算法存在不穩(wěn)定性和低精確性的問題。針對這些問題，提出了在欠定、正定和超定情況下構(gòu)建有界約束條件的定標(biāo)方程組，再利用常用的幾種數(shù)學(xué)優(yōu)化算法，建立了相應(yīng)的定標(biāo)優(yōu)化算法。在明確了定標(biāo)體與方程組的關(guān)系后，給出優(yōu)化的基本原則是盡量避免除式為0的方程式。提出了一種穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性均很優(yōu)良的極化定標(biāo)優(yōu)化算法。該算法基于Levenberg-Marquardt算法，它在解決欠定、正定和超定問題時的特點都有具體的實踐意義。利用LM優(yōu)化算法，可以將點目標(biāo)定標(biāo)需要的至少三個角反射器減少為兩個。利用分布式目標(biāo)定標(biāo)的精度雖然不如點目標(biāo)精度高，但仍然保證了算法的穩(wěn)定性和一定程度的準(zhǔn)確性。外場的定標(biāo)實驗，也證明了一個三面角加一個45°二面角使用LM優(yōu)化算法定標(biāo)的有效性。該優(yōu)化算法的精度，明顯優(yōu)于利用3個角反射器的Whitt方法。

Author：LIAO Lu(1983—)，male，received his doctoral degree from Wuhan University on December 2015，majors in SAR image processing and information extraction.

E-mail：liaoluwhu@163.com

Optimization Research on Airborne SAR Polarimetric Calibration Methods

LIAO Lu

Emergency Surveying and Mapping Center of Sichuan Bureau of Surveying,Mapping and Geoinformation,Chengdu 610081,China

廖露.機載SAR系統(tǒng)極化定標(biāo)方法的優(yōu)化研究[J].測繪學(xué)報，2017,46(6)：804.

10.11947/j.AGCS.2017.20170135.LIAO Lu.Optimization Research on Airborne SAR Polarimetric Calibration Methods[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(6):804.DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170135.

P237

D

1001-1595(2017)06-0804-01

國家自然科學(xué)基金(60890074；61371199)；測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(201412002)

2017-03-23

廖 露(1983—)，男，2015年12月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：李平湘教授)，研究方向為SAR圖像處理與信息提取。