專利名稱：用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是極化合成孔徑雷達(dá)圖像目標(biāo)分解、圖像分析的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
極化合成孔徑雷達(dá)是建立在傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)體制上的新型雷達(dá)，它的出現(xiàn)大大拓寬了合成孔徑雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域。極化合成孔徑雷達(dá)利用不同極化通道獲取復(fù)圖像來(lái)區(qū)分物體的細(xì)致結(jié)構(gòu)、目標(biāo)指向以及物質(zhì)組成等參數(shù)，這些信息在農(nóng)林、水文地理學(xué)、城市基本設(shè)施構(gòu)成、火山、地震學(xué)、考古學(xué)以及軍事偵察等領(lǐng)域具有無(wú)法估量的作用。
極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)最早應(yīng)用于二十世紀(jì)八十年代末，現(xiàn)在合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)已全面進(jìn)入全極化工作階段，隨著極化合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的推廣，人們所獲得的全極化數(shù)據(jù)也越來(lái)越豐富。如何對(duì)圖像做出快速而準(zhǔn)確的解譯，如何有效地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類或識(shí)別，已成為迫切需要解決的一個(gè)難題。如何對(duì)已有極化合成孔徑雷達(dá)圖像中的目標(biāo)特性進(jìn)行研究，如何從圖像數(shù)據(jù)中提取出符合應(yīng)用要求的目標(biāo)特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的分類與識(shí)別，已經(jīng)成為能否對(duì)圖像正確解譯的關(guān)鍵步驟。
對(duì)于極化雷達(dá)數(shù)據(jù)，每個(gè)分辨單元都可以用極化散射矩陣表示，其元素完整地描述了目標(biāo)的散射特性。因此，通過(guò)極化散射矩陣分解以獲得目標(biāo)極化散射特性就成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。極化合成孔徑雷達(dá)圖像目標(biāo)分解的主要目的是把極化散射矩陣或相干矩陣和協(xié)方差矩陣分解成代表不同散射類型的若干項(xiàng)之和，并且每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)一定的物理意義。極化目標(biāo)分解理論的突出優(yōu)點(diǎn)就是它們大都具有明確的物理解釋，因?yàn)槟繕?biāo)回波的極化信息可以反映目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)和物理特性，所以極化目標(biāo)分解理論可用于目標(biāo)分類或檢測(cè)。
目前已有的極化目標(biāo)分解可分為兩大類，基于極化散射矩陣的相干目標(biāo)分解，以及基于相干矩陣或協(xié)方差矩陣的部分相干目標(biāo)分解。
Pauli分解是最為經(jīng)典的相干目標(biāo)分解方法，將散射矩陣分解為奇次散射、偶次散射和與水平方向有45度傾角的偶次散射。這三種散射類型的基是相互正交的，但是它們代表的目標(biāo)特征不是相互獨(dú)立的，只能區(qū)分奇次散射和偶次散射兩種散射類型，這限制了它的實(shí)際應(yīng)用，因此常常用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。
SDH分解方法把對(duì)稱散射矩陣分解成并不相互正交但是代表一定特殊目標(biāo)特性的基。SDH分解是在圓極化基的基礎(chǔ)上將目標(biāo)分解為球、二面體和螺旋體三種成分。SDH分解作用于相干基下的單個(gè)像素，充分利用了極化合成孔徑雷達(dá)圖像內(nèi)在的相干特性，比較適用于高分辨率極化合成孔徑雷達(dá)圖像。
Cameron分解強(qiáng)調(diào)對(duì)稱目標(biāo)的重要性，將散射矩陣分解為一個(gè)最大對(duì)稱成分和一個(gè)最小對(duì)稱成分，最大對(duì)稱成分再進(jìn)行詳細(xì)分類，最后可以分解得到8種成分。由于這種方法假設(shè)目標(biāo)的散射是相干的，其分解是基于散射矩陣，在分解之前并不進(jìn)行目標(biāo)散射相干性的檢驗(yàn)，在非相干散射區(qū)域會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。
上述基于散射矩陣的相干目標(biāo)分解把數(shù)據(jù)全部對(duì)應(yīng)于某幾種特定的簡(jiǎn)單散射類型，只能用于確定性的純目標(biāo)的分解，也就是目標(biāo)的特性完全能用散射矩陣表示的目標(biāo)。然而在實(shí)際過(guò)程中，往往研究的是分布式目標(biāo)，需要考慮目標(biāo)的二階統(tǒng)計(jì)特性，只能用部分相干的目標(biāo)分解方法進(jìn)行分解。
部分相干的目標(biāo)分解同相干的目標(biāo)分解思想類似，是將協(xié)方差矩陣或相干矩陣分為幾個(gè)具有不同散射特性的成分的疊加。典型的部分相干目標(biāo)分解有Cloude特征值分解、Freeman分解以及四成分散射模型分解。
Cloude特征值分解方法是基于極化相干矩陣的特征值分解方法，將目標(biāo)相干矩陣使用特征值分解方法分解為三種相干矩陣的加權(quán)和，不同的特征值和它相應(yīng)的相干矩陣表示不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)。并由相干矩陣的特征值得到三個(gè)特征參量熵H、各向異性A和α角，它們都與特定的物理特性相聯(lián)系?？梢愿鶕?jù)H和α的取值將圖像劃分為9類(其中有效區(qū)域8個(gè))，再聯(lián)合A的取值，可以將圖像細(xì)分為16個(gè)類別。
Freeman分解將地物的散射情況分解為奇次散射、偶次散射和體散射，這種方法適用于分解P、L和C波段自然分布目標(biāo)區(qū)域的極化合成孔徑雷達(dá)圖像，已經(jīng)成功用于對(duì)稱情形時(shí)的極化合成孔徑雷達(dá)圖像的分解。
考慮到城鎮(zhèn)區(qū)域的非對(duì)稱反射情況，即和在Freeman分解的基礎(chǔ)上，增加螺旋散射類型，建立了四成分散射模型，從而將Freeman分解的適用范圍推廣到更一般的情況，可以分析具有城鎮(zhèn)區(qū)域或具有更復(fù)雜幾何散射結(jié)構(gòu)的區(qū)域。四成分分解模型將地物散射分解為奇次散射、偶次散射、體散射和螺旋散射，該方法能夠更好的應(yīng)用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的分析，對(duì)城鎮(zhèn)地區(qū)和自然地區(qū)都具有較好的描述。
然而，上述方法都只是考慮一部分地物類型的散射情況，未能全面的描述地物散射情況，因此只適用于特定類型地物情況的分析。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的目標(biāo)分解方法沒(méi)有全面考慮所有基本散射類型的不足，而提出的用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法。
本發(fā)明的步驟如下 步驟一輸入全極化合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)格式讀入全極化合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)； 步驟二對(duì)全極化合成孔徑雷達(dá)圖像進(jìn)行預(yù)處理，并求得其協(xié)方差矩陣； 步驟三將地物散射的協(xié)方差矩陣分解為基本的五種散射類型，其中五種散射類型分別為奇次散射、偶次散射、體散射、螺旋散射和線散射；并根據(jù)協(xié)方差矩陣對(duì)應(yīng)元素相等的關(guān)系，分別求出各個(gè)散射類型的加權(quán)系數(shù)； 步驟四根據(jù)加權(quán)系數(shù)求出各個(gè)散射類型的散射功率，得到各個(gè)散射類型的分解結(jié)果，完成多成分分解。
本方法為了更加細(xì)致準(zhǔn)確的描述自然場(chǎng)景以及城鎮(zhèn)建筑的散射特性，將奇次散射、偶次散射、體散射、螺旋散射和線散射作為基本的散射類型，將地物散射細(xì)分為這五種基本散射類型，該模型將協(xié)方差矩陣分解為這五種基本散射類型的加權(quán)和。本發(fā)明是用于機(jī)載和星載極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，它全面考慮了地物的各種散射特性，能夠更真實(shí)的反應(yīng)地物的散射情況，可以更準(zhǔn)確的描述極化合成孔徑雷達(dá)圖像中目標(biāo)的散射特性，為后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)和分類提供更準(zhǔn)確的信息。



圖1是全極化合成孔徑雷達(dá)圖像HH通道的幅度圖像；圖2是本發(fā)明方法的流程圖；圖3是本發(fā)明的方法得到的奇次散射、偶次散射和體散射三種散射類型的偽彩色合成圖。

具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟如下 步驟一輸入全極化合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)格式讀入全極化合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)； 步驟二對(duì)全極化合成孔徑雷達(dá)圖像進(jìn)行預(yù)處理，并求得其協(xié)方差矩陣； 步驟三將地物散射的協(xié)方差矩陣分解為基本的五種散射類型，其中五種散射類型分別為奇次散射、偶次散射、體散射、螺旋散射和線散射；并根據(jù)協(xié)方差矩陣對(duì)應(yīng)元素相等的關(guān)系，分別求出各個(gè)散射類型的加權(quán)系數(shù)； 步驟四根據(jù)加權(quán)系數(shù)求出各個(gè)散射類型的散射功率，得到各個(gè)散射類型的分解結(jié)果，完成多成分分解。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于步驟三將地物散射細(xì)分為五種基本散射類型，是通過(guò)將奇次散射、偶次散射、體散射、螺旋散射和線散射作為基本散射類型構(gòu)建的模型，該模型將協(xié)方差矩陣分解為這五種基本散射類型的加權(quán)和，即 [C]＝fs[Cs]+fd[Cd]+fv[Cv]+fh[Ch]+fw[Cw](1) 其中，fs，fd，fv，fh和fw分別表示各個(gè)散射類型的加權(quán)系數(shù)，[Cs]，[Cd]，[Cv]，[Ch]和[Cw]表示各個(gè)散射類型的基本協(xié)方差矩陣，其中[Ch]和[Cw]是根據(jù)人造目標(biāo)在極化圖像中的非對(duì)稱性而加入的。
極化合成孔徑雷達(dá)的散射協(xié)方差矩陣[C]定義為 根據(jù)協(xié)方差矩陣的定義，使得式(1)左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)項(xiàng)相等，得 (3) 從(3)(e)和(f)中求得線散射和螺旋散射的系數(shù)fw和fh為 然后將(4)和(5)帶入(3)(d)中可以得到體散射系數(shù)fv 對(duì)于剩下的未知參數(shù)，采用以下的假設(shè)， 如果則α＝-1 如果則β＝1 從(3)(a)-(c)中可以求得剩余的參數(shù)，并進(jìn)而求得各個(gè)散射類型的散射功率Ps，Pd，Pv，Ph和Pw， Ps＝fs(1+|β|2) Pd＝fd(1+|α|2) Pv＝8fv/3 (7) Ph＝fh Pw＝fw(1+|γ|2+2|ρ|2) P＝Ps+Pd+Pv+Ph+Pw 公式(1)-(7)就構(gòu)成了多成分散射模型的基本表達(dá)形式。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同點(diǎn)在于奇次散射主要是由單次散射、三次散射和一階布拉格散射三種情況組成，散射矩陣為 這里β是表示HH后向散射與VV后向散射的比值，在一階布拉格的情況下，β可以表示成 其中，θ和ε分別表示入射角和表面電介質(zhì)常數(shù)； 由[Ss]做等價(jià)矢量變換得到

進(jìn)而得到奇次散射的協(xié)方差矩陣[Cs] 其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同點(diǎn)在于偶次散射主要是由電磁波經(jīng)二面角結(jié)構(gòu)得到的，比如建筑物的墻體與地面，以及樹(shù)干和地面形成的二面角結(jié)構(gòu)。
在通常情況下，要求墻體與雷達(dá)的距離向是垂直的，這樣就保證了偶次散射中不會(huì)出現(xiàn)交叉極化項(xiàng)，此時(shí)偶次散射表示為 這里的α是類似于β的系數(shù)，α被定義為 其中R⊥h和R⊥v分別表示地表的水平和垂直菲涅耳系數(shù)，R‖h和R‖v表示豎直墻體的菲涅耳系數(shù)，γh和γv分別為水平極化和垂直極化電磁波的相位衰減。在入射目標(biāo)是二面角散射器的時(shí)候，α的實(shí)部是負(fù)數(shù)。
由[Sd]得到等價(jià)的

矢量然后可求得相應(yīng)的偶次散射協(xié)方差矩陣[Cd] 其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同點(diǎn)在于對(duì)于體散射模型，設(shè)定雷達(dá)回波是從空間隨機(jī)方向分布的冠層偶極子層反射回來(lái)的，偶極子的散射矩陣為
這種模型的典型代表是由大量枝葉組成的植被區(qū)域，體散射中交叉極化通道回波較強(qiáng)。通過(guò)一些簡(jiǎn)化的假設(shè)，可以得到體散射類型的二階統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其協(xié)方差矩陣為 其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同點(diǎn)在于螺旋散射由螺旋體以及建筑物中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀引起的，是人造建筑物所特有的散射類型。具有螺旋散射特性的目標(biāo)可以將線性極化的電磁波轉(zhuǎn)換為圓極化的電磁波，因此螺旋體是圓極化的來(lái)源。對(duì)于右手螺旋體，其散射矩陣表示及對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣為 對(duì)于左手螺旋體，其散射矩陣及對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣為 其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二不同點(diǎn)在于城鎮(zhèn)地區(qū)人造目標(biāo)大都具有非對(duì)稱的散射特性，來(lái)自于建筑物的后向散射可以被分解成同極化響應(yīng)和交叉極化響應(yīng)兩種情況。線散射是城鎮(zhèn)地區(qū)特有的一種散射類型，與交叉極化響應(yīng)有一定的關(guān)系，線散射的通用散射矩陣表示為 其中，γ和ρ分別表示HH極化和HV極化與VV極化的后向散射系數(shù)的比值， 由[Sw]得到等價(jià)的

矢量然后求得相應(yīng)的線散射協(xié)方差矩陣[Cw]為 其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
權(quán)利要求
1、用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，其特征在于它的步驟如下
步驟一輸入全極化合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)格式讀入全極化合成孔徑雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)；
步驟二對(duì)全極化合成孔徑雷達(dá)圖像進(jìn)行預(yù)處理，并求得其協(xié)方差矩陣；
步驟三將地物散射的協(xié)方差矩陣分解為基本的五種散射類型，其中五種散射類型分別為奇次散射、偶次散射、體散射、螺旋散射和線散射；并根據(jù)協(xié)方差矩陣對(duì)應(yīng)元素相等的關(guān)系，分別求出各個(gè)散射類型的加權(quán)系數(shù)；
步驟四根據(jù)加權(quán)系數(shù)求出各個(gè)散射類型的散射功率，得到各個(gè)散射類型的分解結(jié)果，完成多成分分解。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，其特征在于步驟三將地物散射細(xì)分為五種基本散射類型，是通過(guò)將奇次散射、偶次散射、體散射、螺旋散射和線散射作為基本散射類型構(gòu)建的模型，該模型將協(xié)方差矩陣分解為這五種基本散射類型的加權(quán)和，即
[C]＝fs[Cs]+fd[Cd]+fv[Cv]+fh[Ch]+fw[Cw](1)
其中，fs，fd，fv，fh和fw分別表示各個(gè)散射類型的加權(quán)系數(shù)，[Cs]，[Cd]，[Cv]，[Ch]和[Cw]表示各個(gè)散射類型的基本協(xié)方差矩陣，其中[Ch]和[Cw]是根據(jù)人造目標(biāo)在極化圖像中的非對(duì)稱性而加入的。
極化合成孔徑雷達(dá)的散射協(xié)方差矩陣[C]定義為
根據(jù)協(xié)方差矩陣的定義，使得式(1)左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)項(xiàng)相等，得
(3)
從(3)(e)和(f)中求得線散射和螺旋散射的系數(shù)fw和fh為
然后將(4)和(5)帶入(3)(d)中可以得到體散射系數(shù)fv
對(duì)于剩下的未知參數(shù)，采用以下的假設(shè)，
如果則α＝-1
如果則β＝1
從(3)(a)-(c)中可以求得剩余的參數(shù)，并進(jìn)而求得各個(gè)散射類型的散射功率Ps，Pd，Pv，Ph和Pw，
Ps＝fs(1+|β|2)
Pd＝fd(1+|α|2)
Pv＝8fv/3
(7)
Ph＝fh
Pw＝fw(1+|γ|2+2|ρ|2)
P＝Ps+Pd+Pv+Ph+Pw
公式(1)-(7)就構(gòu)成了多成分散射模型的基本表達(dá)形式。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，其特征在于奇次散射是由單次散射、三次散射和一階布拉格散射三種情況組成，散射矩陣為
這里β是表示HH后向散射與VV后向散射的比值，在一階布拉格的情況下，β可以表示成
其中，θ和ε分別表示入射角和表面電介質(zhì)常數(shù)；
由[Ss]做等價(jià)矢量變換得到
，進(jìn)而得到奇次散射的協(xié)方差矩陣[Cs]
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，其特征在于偶次散射是由電磁波經(jīng)二面角結(jié)構(gòu)得到的，此時(shí)偶次散射表示為
這里的α是類似于β的系數(shù)，α被定義為
其中，R⊥h和R⊥v分別表示地表的水平和垂直菲涅耳系數(shù)，R||h和R||v表示豎直墻體的菲涅耳系數(shù)，γh和γv分別為水平極化和垂直極化電磁波的相位衰減。
由[Sd]得到等價(jià)的
矢量然后可求得相應(yīng)的偶次散射協(xié)方差矩陣[Cd]
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，其特征在于體散射類型，假定雷達(dá)回波是從空間隨機(jī)方向分布的冠層偶極子層反射回來(lái)的，偶極子的散射矩陣為
得到體散射的協(xié)方差矩陣為
6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，其特征在于螺旋散射，對(duì)于右手螺旋體，其散射矩陣及對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣為
對(duì)于左手螺旋體，其散射矩陣及對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣為
7、根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，其特征在于線散射的通用散射矩陣表示為
其中，γ和ρ分別表示HH極化和HV極化與VV極化的后向散射系數(shù)的比值，
由[Sw]得到等價(jià)的
矢量然后求得相應(yīng)的線散射協(xié)方差矩陣[Cw]為
全文摘要
用于極化合成孔徑雷達(dá)圖像的多成分分解方法，它涉及的是極化合成孔徑雷達(dá)圖像目標(biāo)分解、圖像分析的技術(shù)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有的目標(biāo)分解方法不能全面考慮所有基本散射類型的不足，它的步驟為對(duì)全極化合成孔徑雷達(dá)圖像進(jìn)行預(yù)處理，并得到其協(xié)方差矩陣；將地物散射的協(xié)方差矩陣分解為基本的五種散射類型，并根據(jù)協(xié)方差矩陣對(duì)應(yīng)元素相等的關(guān)系，分別求出各個(gè)散射類型的加權(quán)系數(shù)；根據(jù)加權(quán)系數(shù)求出各個(gè)散射類型的散射功率，得到各個(gè)散射類型的分解結(jié)果，完成多成分分解。它全面考慮了地物的散射特性，能夠更真實(shí)的反應(yīng)地物的散射情況，可以更準(zhǔn)確的描述極化合成孔徑雷達(dá)圖像中目標(biāo)的散射特性，為后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)和分類提供更準(zhǔn)確的信息。
文檔編號(hào)G01S13/90GK101344587SQ20081013693
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者斌 鄒, 張臘梅, 蔡紅軍, 張鈞萍, 曄 張 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)