一种适用于舰船目标散射特性的四分量分解方法

1.本发明涉及合成孔径雷达目标检测识别技术领域，更具体地说，特别涉及一种适用于舰船目标散射特性的四分量分解方法。


背景技术：

2.合成孔径雷达(sar)以其全天时、全天候、持续观测的独特优势，被广泛应用于军事和民用领域。sar的后向散射信息中包含丰富的极化信息，可以反应目标的几何结构和物理特性，能够完全表征目标的散射特性。在polsar数据目标信息提取中，目标分解是一种常用且非常有效方法，它将目标散射的平均机制表示为独立散射机制的和，以便将每个分辨率单元和对应的物理散射机制关联起来，从而分离目标极化特征中的散射机制，以达到分类和识别的目的。分解方法包括基于散射矩阵，基于kennaugh矩阵，以及基于协方差或相干矩阵的分解。其中，基于协方差或者相干矩阵的分解使用得最为广泛，这类分解方法通常假设散射目标中存在某种散射体，根据不同的散射体分解出不同的散射模型。
3.海上目标探测是对地观测研究中的一个重要课题，各种舰船检测算法层出不穷。然而，将基于模型的散射特性分解算法应用到舰船却少有人研究，并且现有的基于模型的极化分解算法重点关注的是陆地植被和城市区域，鲜有基于模型的极化分解算法是针对海上目标。由于人造目标和陆地植被或城市区域的差异性，将现有的基于模型的极化分解方法应用到海上目标时，存在以下问题：1)体散射模型不适用于海上舰船。体散射模型用于描述密集的随机偶极子，例如树冠区域。众所周知，舰船上各个部件结构轮廓清晰,尤其是航母或者集装箱货船等表面平坦的船舶，类似于树冠结构的随机偶极子云不存在于此类舰船上；2)现有的散射模型并未对舰船目标合理表征。舰船目标结构整齐，舰船轮廓边缘、桅杆、门窗边缘、集装箱边沿等区域应表现为线极化效应；现有的四分量分解模型并未对上述结构进行正确描述；3)除了镜面散射模型之外，其余三种分量应能正确表征舰船，也就是说仅依靠单一的分量，我们就能够分辨出舰船目标。然而，在实际的分解过程中，我们发现在螺旋散射模型中，舰船会出现螺旋散射功率值为零的情况，因而依靠人眼无法在该功率图上辨别出舰船。
4.因此，迫切需要一种适用于舰船目标散射特性的四分量分解方法，来合理的描述舰船上的散射体。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种适用于舰船目标散射特性的四分量分解方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种适用于舰船目标散射特性的四分量分解方法，包括以下步骤：
8.s1、对舰船结构进行分析，得到用于描述舰船结构的不合理性的体散射和螺旋散射分量；
9.s2、根据舰船的结构特点，利用
±
45
°
偶极子分量描述舰船上的线极化散射体，利用非对称散射分量描述舰船上的非对称散射结构；
10.s3、利用镜面散射、双跳散射、
±
45
°
偶极子分量和非对称散射分量得到适用于舰船散射特性的四分量分解模型；
11.s4、根据所述四分量分解模型得出目标舰船的散射特性。
12.进一步地，所述步骤s3包括：
13.s30、利用镜面散射分量和双跳散射分量描述舰船上的奇次和偶次散射分量；
14.s31、利用
±
45
°
偶极子分量描述舰船上的线极化散射体；
15.s32、利用非对称散射分量描述舰船上的非对称散射结构；
16.s33、根据镜面散射分量、双跳散射分量、
±
45
°
偶极子分量和非对称散射分量得到适用于舰船散射特性的四分量分解模型。
17.进一步地，所述步骤s30包括：
18.镜面散射分量的散射矩阵可以表示为：
[0019][0020][0021]
双跳散射分量的散射矩阵可以表示为：
[0022][0023][0024]
式中，表示镜面散射矩阵，k
p
表示泡利基下的镜面散射向量，[t]s表示镜面散射的相干矩阵，β和β
*
表示待求系数，表示双跳散射矩阵，k
p
表示泡利基下的双跳散射向量，[t]d表示双跳散射的相干矩阵，α和α
*
表示待求系数。
[0025]
进一步地，所述步骤s31中
±
45
°
偶极子分量表示为：
[0026][0027]
式中，re表示取实部操作，表示45
°
偶极子的散射矩阵，k
p
表示45
°
偶极子的散射向量，表示45
°
偶极子的相干矩阵，表示-45
°
偶极子的散射矩阵，表示-45
°
偶极子的相干矩阵。
[0028]
进一步地，所述步骤s32中的非对称散射分量表述如下：
[0029][0030]
式中，[s
asym
]表示非对称散射分量的散射矩阵，γ和ρ分别表示hh和hv的后向散射系数与vv的后向散射系数的比值；
[0031]
非反射对称散射模型的相干矩阵可以表示为：
[0032][0033]
式中，t
asym
表示非对称散射分量的相干矩阵。
[0034]
进一步地，所述步骤s33中的四分量分解模型为：
[0035]
[0036][0037]
式中，[t]表示总的相干矩阵，fs，fd，f
od
，f
asym
表示展开系数，t
ij
表示相干矩阵[t]对应的元素，i,j＝1,2,3。
[0038]
进一步地，所述步骤s4包括：
[0039]
±
45
°
定向偶极子的功率为求解出f
asym
，再利用现有四分量的求解思路，求解剩余分量；
[0040]
表面散射，双跳散射，
±
45
°
定向偶极子和非反射对称散射的功率值可以表示为：
[0041][0042]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种适用于舰船目标散射特性的四分量分解方法，利用
±
45
°
定向偶极子和非反射对称散射分量能够合理的描述舰船上的散射结构，并且能够有效的增大舰船和杂波之间的类间距离，有利于将目标从海杂波中检测出来。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1是本发明中对舰船散射特性分析图。
[0045]
图2是应用于舰船散射特性的四种散射分量图。
[0046]
图3是本发明的算法流程图。
[0047]
图4是对现有四分量分解模型中螺旋散射分量和本发明中的非对称散射分量的定性分析。
[0048]
图5是不同分解模型类间距度量。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0050]
参阅图1所示，从图中的舰船我们可以看出，舰船的整体轮廓、窗檐、集装箱边沿、船体部件的轮廓以及桅杆等均为线形散射体，这些散射体表现出线极化响应。
±
45
°
定向偶极子分量描述的是与雷达视线呈45
°
的线形散射体，也就是说，利用
±
45
°
定向偶极子分量来描述舰船上的线极化散射体是合理的。此外，由于人造地物结构的复杂性，不同的散射体会产生不同的散射机制，仅仅利用螺旋散射分量来描述舰船上的非对称散射特性是不全面的。因此，本发明引入了非对称散射分量来表征舰船的非对称散射信息，它能够克服螺旋散射机制的局限性，利用相干矩阵中所有元素完全地描述舰船上的非对称散射体。
[0051]
参阅图2和图3所示，本实施例公开了一种适用于舰船目标散射特性的四分量分解方法，包括以下步骤：
[0052]
步骤s1、对舰船结构进行分析，得到用于描述舰船结构的不合理性的体散射和螺旋散射分量。
[0053]
步骤s2、根据舰船的结构特点，利用
±
45
°
偶极子分量描述舰船上的线极化散射体，利用非对称散射分量描述舰船上的非对称散射结构。
[0054]
具体的，进一步分析了舰船上的散射结构，解释了利用
±
45
°
偶极子分量描述舰船上的线极化散射体的合理性。
[0055]
对舰船结构的散射特性进行深入分析，发现舰船的整体轮廓、窗檐、集装箱边沿、船体部件的轮廓以及桅杆等均为线形散射体，这些散射体表现出线极化响应。将现有的四分量分解模型应用到舰船时，体散射分量不能有效地描述舰船的散射特性。由于舰船具有规则的几何结构，更多的表现出线极化响应，而类似于树冠的随机偶极子云在舰船上不存在。因此，利用
±
45
°
偶极子分量描述舰船上散射结构比利用体散射分量更加合理。
[0056]
深度剖析了利用螺旋散射分量描述舰船上非对称散射体的局限性，并合理解释了利用非对称散射分量用于描述舰船非对称散射体的有效性。
[0057]
具体的，在将螺旋散射分量应用到舰船时，发现在螺旋散射功率图上利用人眼无法识别舰船。由于人造地物结构的复杂性，不同的散射体会产生不同的散射机制，仅仅利用螺旋散射来描述舰船上的非对称散射特性是不全面的。
[0058]
步骤s3、利用镜面散射、双跳散射、
±
45
°
偶极子分量和非对称散射分量得到适用于舰船散射特性的四分量分解模型，具体的，包括：
[0059]
步骤s30、利用镜面散射分量和双跳散射分量描述舰船上的奇次和偶次散射分量。
[0060]
具体的，镜面散射分量的散射矩阵可以表示为：
[0061][0062][0063]
具体的，双跳散射分量的散射矩阵可以表示为：
[0064]
[0065][0066]
式中，表示镜面散射矩阵，k
p
表示泡利基下的镜面散射向量，[t]s表示镜面散射的相干矩阵，β和β
*
表示待求系数。表示双跳散射矩阵，k
p
表示泡利基下的双跳散射向量，[t]d表示双跳散射的相干矩阵，α和α
*
表示待求系数。
[0067]
步骤s31、利用
±
45
°
偶极子分量描述舰船上的线极化散射体。
[0068]
具体的，定向偶极子的散射特性极大的依赖于相对于极化坐标系的目标定向。当目标中有偶极子指向
±
45
°
时会表现出这种行为。将奇跳反射器(平板)的散射矩阵与
±
45
°
二面体的散射矩阵相结合，可以形成复合的定向偶极子散射矩阵：
[0069][0070]
式中，re表示取实部操作，表示45
°
偶极子的散射矩阵，k
p
表示45
°
偶极子的散射向量，表示45
°
偶极子的相干矩阵，表示-45
°
偶极子的散射矩阵，表示-45
°
偶极子的相干矩阵。
[0071]
步骤s32、利用非对称散射分量描述舰船上的非对称散射结构。
[0072]
具体的，由于非对称散射的复杂性，并未有一个精确的数学模型对其进行描述，通常利用非对称散射分量的一般形式，其定义如下：
[0073][0074]
式中，[s
asym
]表示非对称散射分量的散射矩阵，γ和ρ分别表示hh和hv的后向散射系数与vv的后向散射系数的比值；
[0075]
非反射对称散射模型的相干矩阵可以表示为：
[0076][0077]
式中，t
asym
表示非对称散射分量的相干矩阵。
[0078]
步骤s33、根据镜面散射分量、双跳散射分量、
±
45
°
偶极子分量和非对称散射分量得到适用于舰船散射特性的四分量分解模型。
[0079]
具体的，利用表面散射、双跳散射、
±
45
°
定向偶极子和非对称散射分量来描述舰船上的所有散射结构，可以得到基于相干矩阵的四分量分解模型为：
[0080][0081][0082]
式中，[t]表示总的相干矩阵，fs，fd，f
od
，f
asym
表示展开系数，t
ij
表示相干矩阵[t]对应的元素，i,j＝1,2,3。
[0083]
步骤s4、根据所述四分量分解模型得出目标舰船的散射特性。
[0084]
具体的，首先、
±
45
°
定向偶极子的功率为然后、求解出f
asym
。利用现有四分量的求解思路，求解剩余分量，即如果某个像素的视α＝0，因为当意味着在这个区域表面散射是占主要的；如果某个像素中视β＝0，因为当意味着这个区域的双跳散射是占主要的。因此，可以解出剩余的四个未知数。
[0085]
得到表面散射，双跳散射，
±
45
°
定向偶极子和非反射对称散射的功率值可以表示为：
[0086][0087]
为了进一步说明本发明的优越性，将本发明分解模型中的非对称散射分量和其它分解模型的螺旋散射分量进行定性分析。从图4中可以看到，在分解模型bf4、y4o、y4r、s4r中利用人眼无法准确的判断在螺旋散射功率图上红色箭头所指向的区域是否为船只。但是
在在本发明中的非对称散射分量功率图上，该区域出现了亮斑，并呈现出舰船的轮廓特征。
[0088]
对不同分解模型下舰船和海杂波的类间距离进行定量评价。从图5中可以看出，在本发明中舰船和杂波的类别中心距离更远。也就意味着在进行舰船检测时，更容易从海杂波中将舰船检测出来。
[0089]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。