多成像模式SAR图像的等效噪声的获取方法

多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法
技术领域
1.本公开涉及合成孔径雷达辐射校正技术领域，尤其涉及一种多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法。


背景技术：

2.合成孔径雷达具有全天时、全天候的工作能力，是一种重要的微波遥感手段；随着合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)的定量化应用越来越广泛，对其辐射精度要求越来越高。换句话说，sar图像能否反映真实物体的绝对归一化雷达散射截面(normalized radar cross section，nrcs)对sar定量化的应用起着至关重要的作用。对于海洋遥感等领域，由于场景回波弱，信噪比低，噪声成为影响定量化应用的重要因素，使得直接在sar图像得到的后向散射系数不能准确反映海面的散射特性。在sar系统中，噪声的主要来源为接收机的热噪声。
3.接收机热噪声经过成像处理器调制后直接附在sar图像上，导致在sar图像上直接获取的目标nrcs值不准确，尤其是地物目标后向散射弱的情况下。例如，海面交叉极化后向散射为弱散射，海面nrcs值沿距离向呈现出与系统热噪声功率相同的变化特性。而针对海洋参数(海面风场)的定量化反演，需要精确的nrcs信息，因此必须对图像进行去噪处理。图像去噪的前提是获得sar图像中噪声功率的强度。
4.目前，现有sar图像的等效噪声系数(noise equivalent sigma zero，nesz)的估计方案主要有以下三种方法：其一，通过对具有理想零后向散射的场景(如平静水面或平坦表面)进行测量得到。也是目前许多sar卫星nesz分析的主要方式。然而，这种方法需要极高质量的照射区域。其二，基于互易性，可以使用最小特征值估计(mee)和最大似然估计(mle)技术从交叉极化图像中推导出nesz。但该方法必须确保使用反射对称目标，即目标的hv和vh反射特性应相同。并且该方法只能计算全极化模式中交叉极化图像的nesz。其三，基于硬件测量的方法，目前sar载荷设计了噪声定标回路，只接收系统热噪声作为回波信号，后经与sar信号相同的地面成像处理系统，最终输出sar图像中的nesz。
5.然而，前两种方法都是通过sar图像来提取nesz，结果受sar图像质量的限制。并且即使在同波位的情况下，由于sar载荷成像参数、轨道以及照射区域高程等因素，sar图像的nesz也不相同，即从sar图像中估计得到的nesz并不适用于与其同波位的所有sar数据。第三种方法可以比较准确地获得sar图像的nesz，但是在实现过程中，需要对噪声定标信号采用与sar信号同样的成像处理流程，计算量大，时间成本高。


技术实现要素：

6.鉴于上述技术问题，本公开提供一种多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法，包括：计算噪声定标数据成像时刻的噪声功率；分别计算sar信号在多模式成像处理过程中的噪声增益，其中，多模式包括条带成像模式、聚束成像模式、滑动扫描成像模式；分别根据每一成像模式对应的噪声增益和噪声定标数据成像时刻的噪声功率计算每一模式的等效
噪声。
7.根据本公开的实施例，计算噪声内定标信号的噪声功率，具体包括：根据
8.p
n2
＝p
n1
·
mgc1/mgc29.计算噪声定标数据成像时刻的噪声功率p
n2
，其中，p
n1
为噪声定标数据的噪声功率，mgc1为噪声定标时使用的手动控制增益值，mgc2为噪声成像时使用的手动控制增益值。
10.根据本公开的实施例，计算sar信号在条带成像模式成像处理过程中的噪声增益包括：根据
[0011][0012]
计算sar信号在条带成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_strip
，其中，g
crg
为sar信号的距离向压缩增益，g
caz
为sar信号方位向压缩增益，g
wrg
为sar信号的距离加窗增益，g
waz
为sar信号的方位加窗增益，g
mgc
为雷达控制增益，g
lg
为接收机链路增益，g
aa
为传输衰减补偿增益，g
paz
为方位天线方向图补偿增益，g
prg
为距离天线方向图补偿增益，gn
wrg
为噪声的距离加窗增益，gn
waz
为噪声号的方位加窗增益。
[0013]
根据本公开的实施例，根据
[0014][0015]
计算sar信号的距离加窗增益g
wrg
，其中，win
rg
(i)为距离向窗函数，n
wr
为距离加窗部分长度；
[0016]
根据
[0017][0018]
计算噪声的距离加窗增益gn
wrg
，其中，nr为距离向长度。
[0019]
根据本公开的实施例，根据
[0020][0021]
计算sar信号的方位加窗增益g
waz
，其中，win
az
(i)为方位向窗函数，n
wa
为方位加窗部分长度；
[0022]
根据
[0023][0024]
计算噪声号的方位加窗增益gn
waz
，其中，g
paz
(i))为方位天线方向图校正函数，na为方位向长度。
[0025]
根据本公开的实施例，计算sar信号在聚束成像模式成像处理过程中的噪声增益包括：根据
[0026]gnoise_spot
＝g
noise_strip
·gderamp
[0027]
计算sar信号在聚束成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_spot
，其中，g
noise_strip
为sar信号在条带成像模式成像处理过程中的噪声增益，g
deramp
为sar信号经deramp处理产生的噪声增益。
[0028]
根据本公开的实施例，根据
[0029]gderamp
＝n/
[0030]
计算g
deramp
，n为deramp处理过程中sar信号补零前方位向点数，m为deramp处理过程中sar信号补零后方位向点数。
[0031]
根据本公开的实施例，计算sar信号在滑动扫描成像模式成像处理过程中的噪声增益包括：根据
[0032]gnoise_top
＝g
noise_strip
·gazpre
·gspecan
[0033]
计算sar信号在滑动扫描成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_top
，其中，g
noise_strip
为sar信号在条带成像模式成像处理过程中的噪声增益，g
azpre
为方位预滤波增益，g
specan
为方位频谱分析增益。
[0034]
根据本公开的实施例，将sar信号和噪声经方位预滤波后能量降低的倍数确定为g
azpre
；根据
[0035]gspecan
＝prf/((pulse_num/prf)
·krot
+prf)
[0036]
计算g
specan
，其中，prf为雷达工作时的脉冲重复频率，pulse_num为方位脉冲个数，k
rot
为滑动扫描成像目标回波多普勒中心随方位时间的变化率。
[0037]
根据本公开的实施例，分别根据每一成像模式对应的噪声增益和噪声定标数据成像时刻的噪声功率计算每一模式的等效噪声，具体包括：根据
[0038]
p
n3
＝p
n2
·gnoise
[0039]
计算每一模式对应的sar图像等效噪声系数p
n3
，g
noise
为各模式成像处理过程中的噪声增益。
[0040]
根据本公开实施例提供的多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法，至少能够实现以下技术效果：
[0041]
通过计算sar信号在各模式成像处理过程中的噪声增益，可以直接在sar信号成像处理和辐射校正过程中直接获得nesz，避免了利用sar图像估计噪声功率对sar图像的依赖，极大地减小计算量并缩短了时间成本。
[0042]
进一步地，由于噪声增益的计算与sar成像模式密切相关，避免了在相同波位，即同一视角的情况下，sar载荷成像参数、轨道以及照射区域高程等因素引起的噪声功率的差异。
[0043]
更进一步地，该方法可以实时获得各种成像模式，各种极化方式sar图像的噪声功率沿距离向的变化。
附图说明
[0044]
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0045]
图1示意性示出了根据本公开实施例的多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法图。
[0046]
图2示意性示出了根据本公开实施例的sar信号传播过程图。
[0047]
图3示意性示出了根据本公开实施例的加权窗函数曲线图。
[0048]
图4示意性示出了根据本公开实施例的条带成像模式下采用一组gf-3标准条带模式成像参数对功率为0db的白噪声输出功率与理论计算值的比较曲线图。
[0049]
图5示意性示出了根据本公开实施例的聚束成像模式下采用一组gf-3聚束模式成像参数对功率为0db的白噪声输出功率与理论计算值的比较曲线图。
[0050]
图6示意性示出了根据本公开实施例的滑动扫描成像模式下采用一组gf-302星滑动扫描成像模式成像参数对功率为0db的白噪声输出功率与理论计算值的比较曲线图。
具体实施方式
[0051]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0052]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0053]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
[0054]
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
[0055]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本公开中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本公开的限制。
[0056]
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一
个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0057]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0058]
针对现有技术的不足，本公开实施例提供一种多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法，针对sar成像模式，条带成像模式，聚束模式，滑动扫描成像模式，在成像过程中直接输出系统nesz，不需要对噪声定标信号单独地进行成像处理。只要能够准确表征整个sar成像过程的噪声增益，再结合噪声定标获取的噪声功率，就可以得到叠加在sar图像上的nesz，以满足海洋参数反演等需求的要求。下面结合具体的实施例进行详细介绍。
[0059]
图1示意性示出了根据本公开实施例的多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法图。
[0060]
如图1所示，该多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法例如可以包括操作s101～操作s103。
[0061]
在操作s101，计算噪声定标数据成像时刻的噪声功率。
[0062]
在本公开实施例中，可以通过统计sar原始数据中内定标数据中噪声定标数据的方差，得到噪声功率，需要注意噪声定标与成像过程中使用的mgc(手动增益控制)的不一致，计算成像时刻的噪声功率还需要考虑mgc的不同。设噪声定标数据的噪声功率为p
n1
，噪声定标时使用的手动控制增益值为mgc1，噪声成像定标时使用的手动控制增益值为mgc2，则可以根据
[0063]
p
n2
＝p
n1
·
mgc1/mgc2[0064]
计算噪声定标数据成像时刻的噪声功率p
n2
。
[0065]
在操作s102，分别计算sar信号在多模式成像处理过程中的噪声增益，其中，多模式包括条带成像模式、聚束成像模式、滑动扫描成像模式。
[0066]
在sar成像处理和辐射校正过程中，不仅对sar回波信号进行了校正处理，同时对热噪声信号也进行了同样的处理。因此，可以根据sar数据地面处理系统成像和辐射校正处理过程对噪声增益进行计算。本公开实施例结合sar成像处理和辐射校正过程，提供了sar成像处理过程中噪声增益的理论计算方法。
[0067]
图2示意性示出了根据本公开实施例的sar信号传播过程图。
[0068]
如图2所示，sar地面处理系统辐射校正处理主要考虑天线与传播过程增益、接收机增益、成像处理器增益等方面。并且在成像处理过程中，距离压缩、距离向加窗处理、方位压缩、方位向加窗处理、方位天线方向图校正以及距离向天线方向图校正都会对sar信号和噪声产生额外的增益。需要注意的是在sar数据辐射校正处理过程中，噪声信号的增益在加窗增益环节有别于sar回波信号，即窗函数对信号和噪声增益是有所区别的。
[0069]
在本公开一实施例中，针对条带成像模式，可以根据
[0070]
[0071]
计算sar信号在条带成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_strip
，其中，g
crg
为sar信号的距离向压缩增益，g
caz
为sar信号方位向压缩增益，g
wrg
为sar信号的距离加窗增益，g
waz
为sar信号的方位加窗增益，g
mgc
为雷达控制增益，g
lg
为接收机链路增益，g
aa
为传输衰减补偿增益，g
paz
为方位天线方向图补偿增益，g
prg
为距离天线方向图补偿增益，gn
wrg
为噪声的距离加窗增益，gn
waz
为噪声号的方位加窗增益。
[0072]
下面对各增益进行进一步说明，具体如下：
[0073]
sar信号的距离向压缩增益g
crg
：
[0074]
对于sar信号而言，主要为匹配滤波增益。而对于噪声信号而言，并没有实际物理意义。在辐射校正过程中，由于成像算法补偿了距离向压缩增益g
crg
，因此，针对噪声增益计算需要除去g
crg
。
[0075]
sar信号方位向压缩增益g
caz
：
[0076]
与sar信号的距离向压缩增益g
crg
类似，针对噪声增益计算需要除去g
crg
。
[0077]
sar信号的距离加窗增益g
wrg
：
[0078]
距离向回波信号其频谱近似为矩形，匹配滤波器的频谱也为矩形，因此距离窗函数的增益可以直接计算。
[0079]
图3示意性示出了根据本公开实施例的加权窗函数曲线图。
[0080]
如图3所示，对信号来说，可以根据
[0081][0082]
计算sar信号的距离加窗增益g
wrg
，其中，win
rg
(i)为距离向窗函数，n
wr
为距离加窗部分长度。
[0083]
由于距离窗函数截断，信号与噪声同样损失了窗函数之外的频谱能量，但是在距离压缩增益补偿过程中已经考虑了信号损失。因为距离压缩增益是针对sar回波信号来讲的，并没有对噪声功率产生增益。对于噪声而言需要考虑加窗后的能量损失。
[0084]
因此，可以根据
[0085][0086]
计算噪声的距离加窗增益gn
wrg
，其中，nr为距离向长度。也即噪声增益理论计算需要减去sar信号距离窗增益，加上噪声距离窗增益。
[0087]
sar信号的方位加窗增益g
waz
：
[0088]
对于sar信号来讲，可以根据
[0089][0090]
计算sar信号的方位加窗增益g
waz
，其中，win
az
(i)为方位向窗函数，n
wa
为方位加窗
部分长度。
[0091]
但是对于噪声而言，进行方位天线方向图调制补偿后，频谱形状不再为矩形，因此方位向窗函数增益计算要考虑天线方向图的影响，将天线方向图校正系数也看作窗函数，将两者相互结合，计算如距离窗增益即可。
[0092]
因此，可以根据
[0093][0094]
计算噪声号的方位加窗增益gn
waz
，其中，g
paz
(i))为方位天线方向图校正函数，na为方位向长度。也即噪声增益理论计算需要减去sar信号方位窗增益，加上噪声方位窗增益。
[0095]
距离天线方向图补偿增益g
prg
：
[0096]
天线方向图增益是指发射及接收天线对信号的绝对增益以及方向图随方位角变化，距离向天线方向图相当于进行了距离向加窗。因此，在辐射校正的过程中需要消除由此产生的回波能量失真，但对于噪声而言是额外的增加了距离天线方向图补偿增益。因此，距离天线方向图补偿增益g
prg
可以为距离向天线方向图的倒数。
[0097]
方位天线方向图补偿增益g
paz
：
[0098]
方位向天线方向图相当于对电磁波进行了方位向加窗，方位天线方向图补偿增益g
paz
可以为方位向天线方向图的倒数。
[0099]
多视处理：
[0100]
一般采用多视处理(multiple-look processing)的方法降低斑点噪声。在方位向以及距离向上降低处理器带宽，将频谱分割成若干段分别成像，然后进行非相干叠加。因此对于系统噪声信号而言，由于多视处理，噪声增益的计算也会随之改变，主要体现在窗函数增益方面。
[0101]
在距离向进行多视处理对窗函数增益不会引起额外的增益。
[0102]
由于噪声方位向受到方位向方向图调制，方位多视处理后，每段方位向频谱并不一致。因此，需要进行叠加后平均处理，即：
[0103][0104]
雷达控制增益g
mgc
：
[0105]
雷达控制增益是提高雷达接收机动态范围的主要手段，能够较好地防止因信号动态范围过大引起地引起的接收或截止。对于sar信号辐射校正以及噪声增益计算都需要补偿mgc增益。
[0106]
接收机链路增益g
lg
：
[0107]
接收机链路增益是由回波信号tr组件到模数转换器之间的增益。对于sar信号辐射校正以及噪声增益计算都需要补偿链路增益g
lg
。
[0108]
传输衰减补偿增益g
aa
：
[0109]
传输衰减是指雷达发射电磁波与回波经过大气层传播后其功率发生衰减。对于sar信号辐射校正，需要补偿信号能量传输衰减以对噪声信号产生额外的增益。
[0110]
在本公开一实施例中，针对聚束成像模式，可以根据
[0111]gnoise_spot
＝g
noise_strip
·gderamp
[0112]
计算sar信号在聚束成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_spot
，其中，g
noise_strip
为sar信号在条带成像模式成像处理过程中的噪声增益，g
deramp
为sar信号经deramp处理产生的噪声增益。
[0113]
下面对各增益进行进一步说明，具体如下：
[0114]
sar信号经deramp处理产生的噪声增益g
deramp
：
[0115]
与条带成像算法不同的是，需要线性调频变标(cs)之前进行deramp处理来消除频谱混叠现象。因此，需要在条带模式的基础上增加deramp处理增益。在deramp处理过程中，为了满足nyquist采样定律，在fft之前需要补零，会导致信号平均功率衰减n/m倍，其中，n为补零前方位向点数、m为补零后方位向点数。
[0116]
因此，可以根据
[0117]gderamp
＝n/m
[0118]
计算g
deramp
，n为deramp处理过程中sar信号补零前方位向点数，m为deramp处理过程中sar信号补零后方位向点数。
[0119]
在本公开一实施例中，针对滑动扫描成像模式，可以根据
[0120]gnoise_top
＝g
noise_strip
·gazpre
·gspecan
[0121]
计算sar信号在滑动扫描成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_top
，其中，g
noise_strip
为sar信号在条带成像模式成像处理过程中的噪声增益，g
azpre
为方位预滤波增益，g
specan
为方位频谱分析增益。
[0122]
下面对各增益进行进一步说明，具体如下：
[0123]
方位预滤波增益g
azpre
：
[0124]
与条带成像不同，需要进行方位预滤波处理来消除频谱混叠现象，方位预滤波对信号和噪声进行了升采样操作，信号和噪声能量同样降低了m倍，则方位预滤波增益为g
azpre
＝m。
[0125]
方位频谱分析增益g
specan
：
[0126]
与条带成像不同，在cs成像后引入方位向频谱分析(specan)进行方位向像素间隔调整。方位specan操作本身不引入处理增益，但通过方位specan处理后，与条带模式不同，滑动扫描成像模式图像出现在多普勒频域。此时，图像由于其物理特性，分布在由天线扫描角确定的频谱范围内，而噪声则分布在整个频谱，因此，方位向specan操作给噪声带来了额外的处理增益：
[0127]gspecan
＝prf/((pulse_num/prf)
·krot
+prf)
[0128]
其中，prf为雷达工作时的脉冲重复频率，pulse_num为方位脉冲个数，k
rot
为滑动扫描成像目标回波多普勒中心随方位时间的变化率。
[0129]
在操作s103，分别根据每一成像模式对应的噪声增益和噪声定标数据成像时刻的噪声功率计算每一模式的等效噪声。
[0130]
在本公开一实施例中，根据
[0131]
p
n3
＝p
n2
·gnoise
[0132]
计算每一模式对应的sar图像等效噪声系数p
n3
，g
noise
为各模式成像处理过程中的噪声增益，包括sar信号在条带成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_strip
，sar信号在聚束成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_spot
以及sar信号在滑动扫描成像模式成像处理过程中的噪声增益g
noise_top
。
[0133]
为了验证本公开实施例方法的正确性，本公实施例还通过gf-3号sar数据验证本发明方法的正确性。高斯白噪声作为输入，经过gf-3地面成像算法得到噪声沿距离向变化曲线，并与理论计算值进行比较。结果如下：
[0134]
条带成像模式：
[0135]
图4示意性示出了根据本公开实施例的条带成像模式下采用一组gf-3标准条带模式成像参数对功率为0db的白噪声输出功率与理论计算值的比较曲线图。
[0136]
如图4所示，上图为单视情况，下图为距离3视方位2视处理的结果。基于图4可以很明显看到计算值与实际输出值对应的曲线重合，表明计算值与实际输出值一致。
[0137]
聚束成像模式：
[0138]
图5示意性示出了根据本公开实施例的聚束成像模式下采用一组gf-3聚束模式成像参数对功率为0db的白噪声输出功率与理论计算值的比较曲线图。
[0139]
如图5所示，可以很明显看到计算值与实际输出值对应的曲线重合，表明计算值与实际输出值一致。
[0140]
滑动扫描成像模式：
[0141]
图6示意性示出了根据本公开实施例的滑动扫描成像模式下采用一组gf-302星滑动扫描成像参数对功率为0db的白噪声输出功率与理论计算值的比较曲线图。
[0142]
如图6所示，可以很明显看到计算值与实际输出值对应的曲线重合，表明计算值与实际输出值一致。
[0143]
综上所述，本公开实施例提供的多成像模式sar图像的等效噪声的获取方法，通过计算sar信号在各模式成像处理过程中的噪声增益，可以直接在sar信号成像处理和辐射校正过程中直接获得nesz，避免了利用sar图像估计噪声功率对sar图像的依赖，极大地减小计算量并缩短了时间成本。并且，由于噪声增益的计算与sar成像模式密切相关，避免了在相同波位，即同一视角的情况下，sar载荷成像参数、轨道以及照射区域高程等因素引起的噪声功率的差异。此外，该方法可以实时获得各种成像模式，各种极化方式sar图像的噪声功率沿距离向的变化。
[0144]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。