基于弱布设角反射器的机载sar辐射外定标处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机载合成孔径雷达SAR数据处理技术领域，尤其是一种基于弱布设角 反射器的机载SAR辐射外定标处理方法。
【背景技术】
[0002] SAR辐射定标的目的就是在获得的SAR图像中，建立每个图像像元强度值与目标 真实后向散射系数的正确对应关系，使得SAR图像强度与被观测目标的物理参数准确关 联，有利于SAR数据的定量应用。按照定标过程中是否需要借助SAR系统外部的定标参照 目标，SAR辐射定标一般可以分为内定标和外定标，辐射外定标优于内定标之处在于它是直 接测量端到端的系统性能，能够测量出那些很难进行测量的系统参数，如天线方向图、波束 中心增益和角度以及信号传播效应等。外定标中采用的定标目标分为点目标和分布目标 两类。相对于摆放背景区域，点目标要求具有相当大的并且事先已知的雷达散射截面，常见 的有角反射器，雷达转发器等，目前角反射器一般采用最大RCS值作为已知值，因此需要根 据载机平台飞行路线和雷达入射角来调整每个角反射器方位角和俯仰角，然而，由于距离 向上雷达入射角的变化以及机载SAR平台飞行的不稳定性，实际想达到精确调整的目的是 很困难的；同时，由于SAR系统聚焦程度以及图像分辨率的不同，点目标在SAR图像上并非 表现为单个强像素点，而往往表现为多个强像素点的集合，因此带来了点目标像素峰值与 实际点目标图像能量之间的差异性影响定标精度。而分布目标一般应具有后向散射稳定 的、时不变的、各向同性的性质，如热带雨林，大片的均匀草地等，相对于星载SAR，由于机载 SAR飞行范围有限，一般难以获得热带雨林这类已知散射特性稳定的大范围分布目标，而采 用其它稳定性未知的草地、植被等分布目标会降低SAR辐射外定标的精度。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种简化辐射外定标的应用过程，避免了机载SAR飞行很 难获得类似星载SAR辐射定标常用的大范围同质稳定热带雨林区域的困境，解决了常规方 法为了满足定标器最大RCS值带来的严格布设的难题，从而大大增强了对SAR数据进行辐 射外定标处理的适用性和鲁棒性的基于弱布设角反射器的机载SAR辐射外定标处理方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于弱布设角反射器的机载 SAR辐射外定标处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0005] (1)获得定标场原始SAR图像数据；
[0006] (2)在点目标雷达方程的基础上，重建辐射外定标方程；
[0007] (3)进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；
[0008] (4)进行雷达系统传递函数的拟合与校正，得到初步辐射定标SAR图像数据；
[0009] (5)进行定标器图像能量的稳定估计和定标器RCS的几何光学解算；
[0010] (6)对系统常数项进行估算，生成定标数据，得到最终辐射定标SAR图像数据。所 述定标场原始SAR图像数据是通过机载SAR雷达平台对地面定标场场景成像的结果，定标 场选择平坦开阔的场景，其大小大于等于SAR成像幅宽；然后在定标场中沿距离向即垂直 于载机飞行方向上均匀布设多个正方形三面角反射器，避开高塔桥梁房屋和电子力线的具 有强散射能力的人工目标；接着，通过SAR雷达载机平台匀速直线飞行，并保持其飞行航线 与定标角反射器的指向垂直，SAR雷达波束侧视扫过地面定标场成像，最终获得含角反射器 目标的定标场原始SAR图像数据。
[0011] 所述点目标雷达方程的基本公式如下：
[0013] 式中：
[0014] Ps--目标的雷达回波功率；
[0015] Pt--雷达的发射功率；
[0016] Gr--接收增益；
[0017] G{(p)--双程天线方向图增益；
[0018] 9一一天线俯仰角，度；
[0019] A--雷达波长，m;
[0020] 〇 ° 目标的雷达后向散射系数（RCS);
[0021] c--电磁波真空速度，m/s;
[0022] xp--脉冲宽度，s;
[0023] R--目标的斜距距尚，m ;
[0024] La--雷达的天线长度，m ;
[0025] 0--目标的雷达入射角，度；
[0026] 对于SAR辐射外定标，其目的是建立SAR图像中像元能量值与绝对的雷达后向散 射系数之间的一一对应关系，因此，重新定义两个参数，即雷达系统传递函数&(兄％的和 雷达系统常数项K s:
[0028] 其中，斜距R、入射角0是与特定目标有关的已知变量，G(妁是雷达天线方向图， 除R、0和外的所有其它参数即为雷达系统常数项
得到辐射外定标 方程，即目标在SAR图像中的能量值与目标的RCS之间的关系式：
[0030] 其中，目标的雷达回波功率P#目标在SAR图像上的能量响应相对应，因此，辐射 外定标问题简化为K(足外的和Ks的估计问题，通过获取实验场的SAR图像数据和布设的已 知散射特性定标器来估计SAR系统传递函数&(/?，，的和系统常数Ks，获取成像目标真实雷 达后向散射系数〇 °值，由此实现SAR数据的辐射外定标。
[0031] 所述进行定标器图像能量的稳定估计是指：
[0032] 定标器图像能量即回波功率的估计要在待估定标器的周围选择大小不同的两个 处理窗口，即目标窗和背景窗：
[0033] a)目标窗即目标区，该区域要求包含待估定标器目标所有主旁瓣像素能量，目标 应置于一个大的均匀背景区域；
[0034]b)背景窗要求包含目标窗，且与目标窗之间的阴影区域为背景杂波区，背景杂波 应为同质均匀背景地物；
[0035] 设目标区的像素个数为Npu，背景杂波区的像素个数为Nu，由于对于数字图像数据， 能量即功率用求和来计算，这样目标区的能量Wpu为
[0037]式中：
[0038] apu--目标区内的像素能量值；
[0039] 同样，背景杂波区的能量Wu为
[0041]式中：
[0042] au--背景杂波区内的像素能量值；
[0043] 忽略系统噪声影响，那么待估定标器目标的能量Wp通过下式计算得到：
[0044] Wp=Wpu-ffu(Npu/Nu) (6)。
[0045] 所述进行定标器RCS的几何光学解算是指：
[0046] 正方形三面角反射器的RCS最大值为：
[0048] 其中，b为三面角反射器边长，X是雷达波长；
[0049] 当雷达波长小于角反射器尺寸时，采用几何光学模型根据观测几何关系估计RCS 值，定义两个观测角度，即方位角n，〇< n < n/2,和俯仰角巾，〇<巾< Ji/2,其中方 位角n定义为雷达视线方向在xoy平面的投影与ox之间的夹角，俯仰角<i>定义为雷达视 线方向与xoy平面之间的夹角，这两个角度由各个定标器与雷达观测方向之间的实际几何 关系决定，雷达入射角0可由下式计算：
[0051] 其中，H为载机平台飞行高度，&为SAR图像的初始斜距，Y为目标在图像中沿距 离向的偏移像素值，AY为图像距离向分辨率，arcos是反余弦函数；
[0052] 因此，弱布设定标器表现在任意几何关系下，通过几何光学的方法可计算出定标 器即正方形三面角反射器的RCS值 〇squme((i)，n):
[0054]其中，Cl，c2, c3为方位角和俯仰角的函数，分别定义如下：
[0056] 由知可知，当方位角n = 31/4,即45度；俯仰角參=tan-即35. 26度时， 达到RCS最大值。
[0057] 所述进行雷达系统传递函数的拟合与校正是指：
[0058] 假设在距离向上布设了 N个定标器，即正方形三面角反射器，那么第i个，
[0059] 1彡i彡N，定标器的系统传递函数为：
[0061] 〇squarM(4>，n)表示第i个定标器的RCS值，Wpi表示第i个定标器的目标能量估 值，n为方位角，巾为俯仰角；
[0062] 由于欠(兄％的是随距离向参数变化的函