本發(fā)明涉及星載合成孔徑雷達(dá)應(yīng)用，更具體的說是涉及一種基于sar圖像提取觀測物后向散射能量的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、后向散射描述了物體將入射電磁波在入射方向上散射的能力，是物體重要的電磁散射特征。后向散射能量在合成孔徑雷達(dá)(synthetic?aperture?radar)圖像中由像素值表征。后向散射能量越強(qiáng)，探測得到的散射強(qiáng)度越大，對應(yīng)的像素值也越大。后向散射通常與觀測物體的結(jié)構(gòu)、物理尺寸相關(guān)。因此，在微波應(yīng)用領(lǐng)域，例如sar圖像處理與應(yīng)用，基于探測得到的散射強(qiáng)度來分析被觀測物體的散射能力、形狀、結(jié)構(gòu)以及其他散射特性是常見的技術(shù)途徑。

2、由于電磁波與被觀測物體的作用機(jī)理以及散射過程極其復(fù)雜，很難通過解析式刻畫具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體的后向散射表達(dá)式。當(dāng)前對于常見物體的后向散射計(jì)算或提取技術(shù)，主要分為三類。

3、第一類是基于電磁散射理論對散射過程進(jìn)行建模，推算得到后向散射的解析表達(dá)式；第二類是利用電磁散射仿真手段，結(jié)合物體建模對電磁散射的過程進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得不同入射角在物體的后向散射能量值；第三類是在實(shí)驗(yàn)室、微波暗室內(nèi)進(jìn)行對等比、縮比的物體實(shí)物或物體模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，獲取不同入射角的后向散射能量。

4、其中，第一類方法受限于復(fù)雜的散射過程，僅能計(jì)算一些具有標(biāo)結(jié)構(gòu)的物體有限角度下的后向散射能量。第二類方法僅對于電小尺寸的物體具有高精度的仿真能力，而對于電大尺寸的物體，受限于計(jì)算效率需要大幅度犧牲仿真精度。第三類方法同樣受限于實(shí)驗(yàn)室條件，對可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的物體尺寸有所限制。

5、同時(shí)，上述方法通常僅適用于近場仿真，對于遠(yuǎn)場的精度則有限。此外，上述三種技術(shù)手段均與實(shí)際應(yīng)用中獲取觀測物散射信息的條件存在較大的差異。因此，現(xiàn)有方法得出的數(shù)值難以直接在實(shí)際應(yīng)用中直接采用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于sar圖像提取觀測物后向散射能量的方法及裝置，旨在以精確的空間解析方式獲取相對于觀測物的電磁波入射角度，使得從sar圖像中提取的觀測物后向散射能量具有實(shí)際應(yīng)用意義。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一方面，本技術(shù)提供了一種基于sar圖像提取觀測物后向散射能量的方法，包括如下步驟：

4、s1、基于星載sar圖像確定雷達(dá)波束相對于已知觀測物的空間入射角和對應(yīng)散射能量，根據(jù)所述空間入射角和所述散射能量，以及星載sar圖像的獲取參數(shù)，構(gòu)建星載sar圖像觀測物后向散射映射數(shù)據(jù)庫；

5、其中，基于星載sar圖像確定雷達(dá)波束相對于已知觀測物的入射角的步驟包括：

6、s11、確定衛(wèi)星雷達(dá)波束中心與地面的交點(diǎn)空間坐標(biāo)；

7、s12、根據(jù)所述交點(diǎn)空間坐標(biāo)獲得已知觀測物的空間坐標(biāo)；

8、s13、計(jì)算雷達(dá)波束相對于已知觀測物空間坐標(biāo)的入射角；

9、s14、根據(jù)已知觀測物的空間姿態(tài)，以及雷達(dá)波束相對于已知觀測物空間坐標(biāo)的入射角，得到雷達(dá)波束相對于已知觀測物的空間入射角；

10、s2、基于所述星載sar圖像觀測物后向散射映射數(shù)據(jù)庫，根據(jù)星載sar圖像的獲取參數(shù)以及雷達(dá)光束相對于待測觀測物的空間入射角，得到待測觀測物的散射能量。

11、優(yōu)選地，步驟s11包括以下步驟：

12、s111、以衛(wèi)星星下點(diǎn)為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系；

13、s112、根據(jù)衛(wèi)星高度與波束中心下視角，獲得交點(diǎn)空間坐標(biāo)的橫坐標(biāo)；

14、s113、根據(jù)衛(wèi)星高度、波束中心下視角、以及波束中心斜視角，獲得交點(diǎn)空間坐標(biāo)的縱坐標(biāo)。

15、作為優(yōu)選，交點(diǎn)空間坐標(biāo)表示如下：

16、

17、式中，h為星載sar圖像系統(tǒng)參數(shù)中的衛(wèi)星高度，θl為波束中心下視角，θsq為波束中心斜視角。

18、優(yōu)選地，s12中，已知觀測物的空間坐標(biāo)為(x，y，0)，其中，x由下述步驟獲得，y與交點(diǎn)空間坐標(biāo)中縱坐標(biāo)相同；

19、s121、在星載sar圖像中提取已知觀測物的最小外接矩形，以所述最小外接矩形的中心像素坐標(biāo)作為所述已知觀測物在sar圖像中的像素坐標(biāo)；

20、s122、獲取所述已知觀測物在sar圖像中的像素坐標(biāo)與雷達(dá)波束中心在sar圖像中對應(yīng)的像素點(diǎn)坐標(biāo)之間的距離向像素差δn；

21、s123、根據(jù)所述距離向像素差，按如下公式，得到已知觀測物空間坐標(biāo)中的橫坐標(biāo)；

22、x＝x0+δra×(nt-n0)

23、式中，n0為雷達(dá)波束中心在sar圖像中的距離向像素坐標(biāo)，nt為已知觀測物在sar圖像中的距離向像素坐標(biāo)，δra為距離向分辨率，x0為交點(diǎn)空間坐標(biāo)中的橫坐標(biāo)。

24、優(yōu)選地，s13中，所述入射角包括入射方位角與入射俯仰角θt，計(jì)算方式分別為：

25、

26、

27、式中，h表示衛(wèi)星在空間坐標(biāo)系中的高度。

28、本實(shí)施例中，還計(jì)算得到衛(wèi)星與觀測物空間距離，計(jì)算方式為：

29、

30、優(yōu)選地，s14包括如下步驟：

31、s141、以已知觀測物為原點(diǎn)，建立觀測物中心坐標(biāo)系；

32、s142、當(dāng)已知觀測物的空間姿態(tài)已知且可測量時(shí)，以測量所得觀測物法向與波束經(jīng)過時(shí)衛(wèi)星的夾角作為雷達(dá)波束相對于觀測物的空間入射俯仰角，以雷達(dá)波束相對于已知觀測物空間坐標(biāo)的入射角中的入射方位角與已知觀測物朝向方位角之和作為雷達(dá)波束相對于觀測物的空間入射方位角；即

33、

34、式中，為已知觀測物朝向方位角，為雷達(dá)波束相對于已知觀測物空間坐標(biāo)的入射方位角。

35、s143、當(dāng)已知觀測物的空間姿態(tài)未知且不可測量時(shí)，根據(jù)已知觀測物的空間姿態(tài)建立實(shí)際空間姿態(tài)坐標(biāo)系，根據(jù)衛(wèi)星在所述已知觀測物實(shí)際空間姿態(tài)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，得到雷達(dá)波束相對于觀測物的空間入射方位角和俯仰角。

36、具體步驟如下：

37、1)根據(jù)衛(wèi)星在已知觀測物中心坐標(biāo)系下的入射方位角和俯仰角θs，將星點(diǎn)坐標(biāo)系下衛(wèi)星坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為已知觀測物中心坐標(biāo)系下坐標(biāo)；

38、其中所述入射方位角和俯仰角θs通過下式獲得：

39、

40、式中，為已知觀測物朝向方位角，為雷達(dá)波束相對于已知觀測物空間坐標(biāo)的入射方位角，θt為雷達(dá)波束相對于已知觀測物空間坐標(biāo)的入射俯仰角。

41、衛(wèi)星坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法為：

42、

43、式中，(xs，ys，zs)為已知觀測物中心坐標(biāo)系下衛(wèi)星坐標(biāo)；且zs＝h；

44、2)通過使已知觀測物中心坐標(biāo)系依次繞x軸、y軸旋轉(zhuǎn)，建立已知觀測物實(shí)際空間姿態(tài)坐標(biāo)系；并確定衛(wèi)星在所述已知觀測物實(shí)際空間姿態(tài)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

45、其中，繞x軸旋轉(zhuǎn)角度為α，則旋轉(zhuǎn)矩陣rx(α)為：

46、

47、繞y軸旋轉(zhuǎn)角度為β，則旋轉(zhuǎn)矩陣ry(β)為：

48、

49、″′

50、且衛(wèi)星在所述已知觀測物實(shí)際空間姿態(tài)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xs，ys，zs)可通過下式獲得：

51、

52、3)根據(jù)衛(wèi)星在已知觀測物實(shí)際空間姿態(tài)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，得到雷達(dá)波束相對于觀測物的空間入射方位角和俯仰角。

53、計(jì)算方法如下：

54、

55、式中，是雷達(dá)波束相對于觀測物的空間入射方位角，θ是俯仰角。

56、優(yōu)選地，已知觀測物的散射能量包括后向散射能量和最大散射能量；獲取公式分別為：

57、

58、式中，e為已知觀測物的后向散射能量，p為已知觀測物的最大散射能量，i表示已知觀測物最小外接矩形內(nèi)的圖像幅度數(shù)值，h和w為最小外接矩形的高和寬。

59、優(yōu)選地，s1中，每個(gè)已知觀測物樣本產(chǎn)生的信息構(gòu)成一條觀測物后向散射映射表，所述星載sar圖像觀測物后向散射映射數(shù)據(jù)庫由多條編碼后的觀測物后向散射映射表首尾相連接構(gòu)成。

60、另一方面，本發(fā)明還提供了一種基于sar圖像提取觀測物后向散射能量的裝置，包括：

61、后向散射映射數(shù)據(jù)庫構(gòu)建模塊，用于基于星載sar圖像確定雷達(dá)波束相對于已知觀測物的入射角和對應(yīng)散射能量，以及根據(jù)所述入射角和散射能量，以及星載sar圖像的獲取參數(shù)，構(gòu)建星載sar圖像觀測物后向散射映射數(shù)據(jù)庫；

62、其中，基于星載sar圖像確定雷達(dá)波束相對于已知觀測物的入射角的步驟包括：

63、s11、確定衛(wèi)星雷達(dá)波束中心與地面的交點(diǎn)空間坐標(biāo)；

64、s12、根據(jù)所述交點(diǎn)空間坐標(biāo)獲得已知觀測物的空間坐標(biāo)；

65、s13、計(jì)算雷達(dá)波束相對于已知觀測物空間坐標(biāo)的入射角；

66、s14、根據(jù)已知觀測物的空間姿態(tài)，以及雷達(dá)波束相對于已知觀測物空間坐標(biāo)的入射角，得到雷達(dá)波束相對于已知觀測物的入射角；

67、待測觀測物散射能量提取模塊，用于基于所述星載sar圖像觀測物后向散射映射數(shù)據(jù)庫，根據(jù)星載sar圖像的獲取參數(shù)以及雷達(dá)光束相對于待測觀測物的入射角，得到待測觀測物的散射能量。

68、經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，本發(fā)明公開提供了一種基于sar圖像提取觀測物后向散射能量的方法及裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

69、1、可直接利用現(xiàn)有的海量星載sar圖像數(shù)據(jù)來獲取被觀測物體在特定入射角度下的后向散射能量，方法效率與經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室仿真測量，且后向散射能量的獲取條件更接近于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境、能夠直接輔助實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)相比于電磁仿真方法，本發(fā)明提取得到的后向散射能量數(shù)值可靠性與精度更高；

70、2、具有高精度幾何解算能力，能夠精確計(jì)算被觀測物體姿態(tài)相對于衛(wèi)星平臺(tái)的相對幾何關(guān)系，提高后向散射能量提取與應(yīng)用的可靠性與精度；

71、3、同時(shí)，本技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫星載sar圖像觀測物后向散射映射數(shù)據(jù)庫在記錄后向散射能量提取結(jié)果的同時(shí)，涵蓋了合成孔徑長度、極化方式等可能影響觀測物散射能量的參數(shù)，同時(shí)記錄已有理論研究或者仿真得到的觀測物理論散射信息，為方法對比、誤差分析、實(shí)測能量數(shù)值校正等提供了參考，為觀測物后向散射的研究與應(yīng)用提供有效、有力的數(shù)據(jù)支撐。