机载SAR系统极化定标方法的优化研究

廖 露

四川省测绘地理信息局测绘应急保障中心，四川 成都 610081



机载SAR系统极化定标方法的优化研究

廖 露

四川省测绘地理信息局测绘应急保障中心，四川 成都 610081

全极化合成孔径雷达技术能够通过获取地物在不同极化状态下的散射回波信号，在地理国情监测、环境变化研究方面有着广泛的应用。相较于星载SAR，机载SAR系统由于既可以独立执行对地观测任务，又可以作为星载SAR系统研究的基础和实验平台，在极化SAR研究中有着重要的作用。但天线系统所固有的缺陷和不足，降低了极化SAR数据质量，干扰了信息的准确获取。这让极化定标的研究显得十分重要。针对极化畸变现象，科研人员早已开展了大量的研究工作。相较于早期研究，目前的极化研究要求更加稳定和精确的极化定标方法。一个完整的极化定标方法包括定标体使用方案和参数求解算法。对极化定标方法的优化研究，大致分为两个方向：一是细化定标体及其所含先验信息；二是优化参数求解的稳定性和精确性。本文对这两个方向进行深入研究。研究内容包括以下几个方面：

(1) 在实际的极化测量中，很多分布式目标往往由于非单站条件、法拉第旋转效应、非线性媒介作用等原因，不再满足互易性原理。而对定标体互易性的判别，尤其是对极化畸变干扰下目标互易性的判别缺乏足够的研究。针对此问题，提出了一种互易性先行检验并据此选择定标样本的优化方法。理论推导出极化畸变干扰情况下互易夹角的表达方式和单调性特点。采用统计趋小，样本趋优的准则，参考部分样本的互易夹角值，先行对互易性作出判别。经过对初次判别的样本进行合理滑动窗口下的相干性检验，最终选定用以定标的互易目标。随后通过分析PauliRGB影像上的弱散射地物、极化特征响应图的扭曲变形、互易夹角定标前后的变化，验证了方法优化的有效性和可靠性。从交叉极化项能量、聚类中心的变化到精度统计分析，均表明了目标互易性在对地物进行非监督分类时的重要性。

(2) 针对实际测量中受到地形坡度、飞行姿态影响的定标体极化方位角偏移现象，以及针对受此影响下极化测量值不再满足反射对称性的情况，提出了一种顾及地形条件、以数据融合方法求取先验反射非对称信息，并最终引入极化定标的优化方法。该优化方法首先利用数据融合的方法求得反射非对称信息，再在此基础上构建极化定标模型。在构建定标模型时，将几个关键方程式进行假设，建立相关的非线性方程组。随后，简化方程组并将其分解为两个部分进行优化求解。其中可以简化串扰求解的非线性方程组部分，以此将其作为一种线性优化的数学表达。采用该优化方法与不同方法进行对比分析，证明了方法的优越性。在角反射器极化特征响应、分布式目标噪声评价等方面，证明了该优化方法的有效性。最终通过对不同时间、不同地区进行定标实验，也证明了该方法的有效性和应用潜力。

(3) 现有极化定标参数求解算法存在不稳定性和低精确性的问题。针对这些问题，提出了在欠定、正定和超定情况下构建有界约束条件的定标方程组，再利用常用的几种数学优化算法，建立了相应的定标优化算法。在明确了定标体与方程组的关系后，给出优化的基本原则是尽量避免除式为0的方程式。提出了一种稳定性和准确性均很优良的极化定标优化算法。该算法基于Levenberg-Marquardt算法，它在解决欠定、正定和超定问题时的特点都有具体的实践意义。利用LM优化算法，可以将点目标定标需要的至少三个角反射器减少为两个。利用分布式目标定标的精度虽然不如点目标精度高，但仍然保证了算法的稳定性和一定程度的准确性。外场的定标实验，也证明了一个三面角加一个45°二面角使用LM优化算法定标的有效性。该优化算法的精度，明显优于利用3个角反射器的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.机载SAR系统极化定标方法的优化研究[J].测绘学报，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

国家自然科学基金(60890074；61371199)；测绘地理信息公益性行业科研专项(201412002)

2017-03-23

廖 露(1983—)，男，2015年12月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：李平湘教授)，研究方向为SAR图像处理与信息提取。