[发明专利]极化SAR图像中目标极化相干特征的增强方法

摘要

本发明提供一种极化SAR图像中目标极化相干特征的增强方法。技术方案包括：第一步是构建极化散射矢量，包括构建Pauli极化散射矢量和Lexicographic极化散射矢量。第二步是构建极化相干矩阵和极化协方差矩阵。第三步是极化相干矩阵和极化协方差矩阵旋转处理。第四步是计算旋转域中极化相干特征序列。第五步是计算增强的极化相干特征量。计算旋转域中极化相干特征序列的最大值，确定为增强的极化相干特征量。本发明对极化相干特征增强效果明显，对不同地物具有很好的普适性和鲁棒性。

主权项

一种极化SAR图像中目标极化相干特征的增强方法，SAR是指合成孔径雷达，获得极化SAR图像每个像素点的极化散射矩阵S_j,j＝1,2,…,W，W表示极化SAR图像的像素点数，令极化散射矩阵S＝S_j，其特征在于，包括下述步骤：第一步，构建极化散射矢量：设极化散射矩阵为$S=\left[\begin{array}{cc}{S}_{HH}& S_{HV}\\ S_{VH}& S_{VV}\end{array}\right],$且满足互易性条件即S_HV＝S_VH；利用下式分别计算Pauli极化散射矢量k_P和Lexicographic极化散射矢量k_L：$k_P=\frac{1}{\sqrt{2}}{\left[\begin{array}{ccc}{S}_{HH}+S_{VV}& S_{HH}-S_{VV}& 2S_{HV}\end{array}\right]}^T$$k_L={\left[\begin{array}{ccc}{S}_{HH}& \sqrt{2}{S}_{HV}& S_{VV}\end{array}\right]}^T$其中，S_HH为在水平极化H发射和水平极化H接收条件下获取的复后向散射系数；S_VH为在水平极化H发射和垂直极化V接收条件下获取的复后向散射系数；S_HV为在垂直极化V发射和水平极化H接收条件下获取的复后向散射系数；S_VV为在垂直极化V发射和垂直极化V接收条件下获取的复后向散射系数；其中V表示垂直，H表示水平，上标T为转置处理；第二步，构建极化相干矩阵和极化协方差矩阵；利用Pauli极化散射矢量，选取具有散射相似性的样本像素，并通过样本集合平均处理，构建极化相干矩阵T为：$=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{ccc}\&lt;|S_{HH}+S_{VV}{|}^2\&gt;& \&lt;(S_{HH}+S_{VV}){(S_{HH}-S_{VV})}^{*}\&gt;& \&lt;2(S_{HH}+S_{VV})S_{HV}^{*}\&gt;\\ \&lt;{(S_{HH}+S_{VV})}^{*}(S_{HH}-S_{VV})\&gt;& \&lt;|S_{HH}-S_{VV}{|}^2\&gt;& \&lt;2(S_{HH}-S_{VV})S_{HV}^{*}\&gt;\\ \&lt;2{(S_{HH}+S_{VV})}^{*}{S}_{HV}\&gt;& \&lt;2{(S_{HH}-S_{VV})}^{*}{S}_{HV}\&gt;& \&lt;4|S_{HV}{|}^2\&gt;\end{array}\right]$利用Lexicographic极化散射矢量，选取具有散射相似性的样本像素，并通过样本集合平均处理，构建极化协方差矩阵C为：$=\left[\begin{array}{ccc}\&lt;|S_{HH}{|}^2\&gt;& \sqrt{2}\&lt;S_{HH}{S}_{HV}^{*}\&gt;& \&lt;S_{HH}{S}_{VV}^{*}\&gt;\\ \sqrt{2}\&lt;S_{HH}^{*}{S}_{HV}\&gt;& 2\&lt;|S_{HV}{|}^2\&gt;& \sqrt{2}\&lt;S_{HV}{S}_{VV}^{*}\&gt;\\ \&lt;S_{HH}^{*}{S}_{HV}\&gt;& \sqrt{2}\&lt;S_{HV}^{*}{S}_{VV}\&gt;& \&lt;|S_{VV}{|}^2\&gt;\end{array}\right]$其中，<·>为集合平均处理，上标为共轭转置处理，上标*表示求共轭；第三步，极化相干矩阵和极化协方差矩阵旋转处理；在绕SAR视线方向，对极化相干矩阵进行旋转处理，对旋转域中的旋转角θ_i，计算旋转处理后的极化相干矩阵T′(θ_i)，为：其中，旋转矩阵为$R_3\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos2{\mathrm{\&theta;}}_i& sin2{\mathrm{\&theta;}}_i\\ 0& -sin2{\mathrm{\&theta;}}_i& cos2{\mathrm{\&theta;}}_i\end{array}\right];$θ_i为旋转域中的旋转角，${\mathrm{\&theta;}}_i=-\mathrm{\&pi;},-\mathrm{\&pi;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},-\mathrm{\&pi;}+2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...0,\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...,\mathrm{\&pi;};$N根据实际情况确定；计算旋转处理后的极化协方差矩阵C′(θ_i)为：C′(θ_i)＝A^‑1T′(θ_i)A其中，相似性变换矩阵$A=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 1\\ 1& 0& -1\\ 0& \sqrt{2}& 0\end{array}\right];$A^‑1为A的逆矩阵；第四步，计算旋转域中的极化相干特征序列；对每一个旋转角θ_i，计算极化相干特征量，为：$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{(HH+VV)-\left(HV\right)}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|=\frac{\left|T_{13}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|}{\sqrt{T_{11}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)T_{33}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}$$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{(HH-VV)-\left(HV\right)}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|=\frac{\left|T_{23}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|}{\sqrt{T_{22}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)T_{33}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}$$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{HH-VV}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|=\frac{\left|C_{13}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|}{\sqrt{C_{11}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)C_{33}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}$$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{HH-HV}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|=\frac{\left|C_{12}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right|}{\sqrt{C_{11}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)C_{22}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)}}$得到上述极化相干特征量在旋转域中的极化相干特征序列，分别为：$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{(HH+VV)-\left(HV\right)}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\right|=\left\{\right|{\mathrm{\&gamma;}}_{(HH+VV)-\left(HV\right)}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\left|\right|{\mathrm{\&theta;}}_i=-\mathrm{\&pi;},-\mathrm{\&pi;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},-\mathrm{\&pi;}+2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...0,\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...,\mathrm{\&pi;}\},$$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{(HH-VV)-\left(HV\right)}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\right|=\left\{\right|{\mathrm{\&gamma;}}_{(HH-VV)-\left(HV\right)}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\left|\right|{\mathrm{\&theta;}}_i=-\mathrm{\&pi;},-\mathrm{\&pi;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},-\mathrm{\&pi;}+2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...0,\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...,\mathrm{\&pi;}\},$$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{HH-VV}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\right|=\left\{\right|{\mathrm{\&gamma;}}_{HH-VV}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\left|\right|{\mathrm{\&theta;}}_i=-\mathrm{\&pi;},-\mathrm{\&pi;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},-\mathrm{\&pi;}+2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...0,\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...,\mathrm{\&pi;}\},$$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{HH-HV}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\right|=\left\{\right|{\mathrm{\&gamma;}}_{HH-HV}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\left|\right|{\mathrm{\&theta;}}_i=-\mathrm{\&pi;},-\mathrm{\&pi;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},-\mathrm{\&pi;}+2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...0,\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...,\mathrm{\&pi;}\};$第五步，计算增强的极化相干特征量；在旋转域，计算极化相干特征序列|γ_p‑q(θ)|的最大值|γ_p‑q(θ)|_max，为$|{\mathrm{\&gamma;}}_{p-q}\left(\mathrm{\&theta;}\right){|}_{max}=\underset{i}{max}\{\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{p-q}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\right||{\mathrm{\&theta;}}_i=-\mathrm{\&pi;},-\mathrm{\&pi;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},-\mathrm{\&pi;}+2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...,\mathrm{\&pi;}\}$其中，$\left|{\mathrm{\&gamma;}}_{p-q}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\right|=\left\{\right|{\mathrm{\&gamma;}}_{p-q}\left({\mathrm{\&theta;}}_i\right)\left|\right|{\mathrm{\&theta;}}_i=-\mathrm{\&pi;},-\mathrm{\&pi;}+\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},-\mathrm{\&pi;}+2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...0,\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},2\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N},...,\mathrm{\&pi;}\},$p和q分别代表相应的极化通道。