应用全极化合成孔径雷达数据构建多变量估算森林地上生物量模型

以河北塞罕坝机械林场为研究对象,Alos-2全极化SAR数据以及实测样地数据为基础,采用多种方法进行目标分解,计算多极化通道的后向散射系数,通过皮尔逊相关性检验,筛选显著相关的参数,构建线性及非线性偏最小二乘(PLS)生物量估算模型,并对模型进行检验。结果表明:线性PLS模型均方根误差为21.75 t·hm^(-2),决定系数(R^(2))为0.6185,平均相对偏差绝对值为31.1%,平均偏差为-1.844 t·hm^(-2);非线性PLS模型均方根误差为18.218 t·hm^(-2),决定系数(R^(2))为0.6969,平均相对偏差绝对值为23.86%,平均偏差为0.0001 t·hm^(-2)。对模型贡献最大的参数为非负特征值分解的奇次散射参数、VH极化后向散射系数、HV极化后向散射系数、特征向量分解参数l1和主要散射机制平均参数。非线性方法在模型拟合和预测中都表现出更好的效果,全极化SAR目标分解参数以及交叉极化下的后向散射系数,在估算森林地上生物量时没有饱和点出现。

协同全极化SAR与光学遥感的潮沟精细提取方法

潮沟系统是粉砂淤泥质潮滩中最为活跃的地貌单元,受潮汐周期性冲刷、人类活动和海平面上升等因素的影响,大范围潮沟精细监测具有挑战性。本文提出了一种基于高分三号全极化合成孔径雷达(SAR)与PlanetScope多光谱遥感影像的潮沟探测和提取方法。通过融合光谱、指数、极化、纹理等特征,构建最优特征集,结合最大似然法、支持向量机及随机森林算法开展协同分类,获得了黄河口3 m分辨率的潮沟精细分布信息。结果表明,该方法的总体精度达到99%,F1值为0.98,提取结果优于单一数据源。本文方法有望为河口海岸带潮沟制图提供一种经济、有效的选择,有助于定量描述潮沟形态演变、稳定性及驱动因素。

MPOLSAR-1.0:多维度SAR多波段全极化精细分类数据集

地物精细分类是合成孔径雷达(SAR)的主要应用方向之一。在多波段全极化SAR工作模式下,可充分获取目标不同波段信息和极化响应特征,有望提高目标分类精度。然而国内外现有的数据集仅有个别波段、少数地区、少量样本的低分辨率全极化分类数据。为推动多波段全极化SAR分类应用的发展,在高分航空观测系统应用校飞与验证项目支持下,利用多维度SAR在海南的校飞数据构建了一个样本量充分大、地物类别较为丰富、分类可靠性较高的多波段全极化精细分类数据集。该文概述了该数据集的构成,给出了发布数据(MPOLSAR-1.0)的信息描述方式、数据集制作流程和方法,并分别基于极化特征分类方法和经典机器学习分类方法给出了初步的分类实验结果,为该数据集的共享和应用提供支撑。

不同测量角度下渗流微裂隙的全极化探地雷达响应特征研究

含流体的裂隙会对石窟文物造成破坏,而毫米级裂隙的探测是石窟文物保护中的一个难题。文中首先基于水文建模模拟了水在裂隙中的流动以及在围岩中的扩散现象,然后建立了不同渗流时刻的介电常数和电导率模型,并通过坐标旋转生成了一系列不同旋转角度的模型进行全极化探地雷达(FP-GPR)正演模拟。最后,分析了H-Alpha分解和Freeman分解获得的H、α、P_(s)、P_(d)及P_(v)参数与测量角度和渗流时间的关系。结果表明:α、P_(s)和P_(d)三个参数与渗流时间呈现良好的一致性,而H和P_(v)两个参数与渗流时间没有表现出明显的变化关系;在渗流开始的一段时间,测量角度对五个参数会产生很大影响,这与所使用的电磁波的频率有关。文中的研究结果对实际中利用时移FP-GPR探测渗流微裂隙提供了重要的理论支撑和技术指导。

高分辨全极化昆虫雷达极化校准与昆虫体轴方向估计

迁飞性虫害突发性强、危害范围广,严重威胁国家粮食安全。昆虫雷达是监测昆虫迁飞的最有效手段,可为迁飞虫害预警防控提供关键信息支撑。传统昆虫雷达通过低分辨波形、旋转线极化天线等方式,实现昆虫体重、体轴方向等生物学参数测量。新型昆虫雷达采用调频步进频高分辨波形、瞬时全极化体制,可大幅提升昆虫生物学参数测量精度。但是,在传统极化测量误差之外,调频步进频成像会给不同极化通道引入新的乘性误差分量,导致极化通道间不一致更加复杂,必须进行高精度极化校准。针对以上问题,该文结合调频步进频波形特点对全极化测量模型进行了优化,并设计了一种基于松姿态约束下双定标体(金属球和金属丝)联合的高分辨全极化雷达极化校准方法,补偿了系统通道间不一致对极化信息测量的影响;在此基础上,进一步提出了基于生物对称模型的昆虫体轴方向估计方法,解析推导分析了极化通道间交叉串扰对体轴方向估计的影响机制。最后,利用多频全极化雷达(X, Ku, Ka)进行了极化校准和昆虫轴向测量实验,实测昆虫体轴方向测量误差优于3°,验证了所提方法的有效性。

基于GF-3全极化SAR影像的水域提取与监测分析

GF-3作为我国首颗高分辨率C波段雷达卫星,能够及时获取高质量的高分辨率遥感影像数据,为充分发掘GF-3全极化SAR影像数据在水域变化分析和应急监测评估中的应用潜力,以龙湖水域为例,基于GF-3全极化影像数据,开展水体面向对象分类、叠置分析等关键问题研究,并提出了一种基于GF-3全极化SAR数据的水域提取与变化检测的方法。结果表明,提出的方法在波浪较大和泥沙混杂的水域表现出良好的适应性,能够做到正确的判识和保留,最终成功获取了两期空间分辨率为8 m的水域分布图,可为进一步推动相关研究及后续应用提供借鉴和参考。

基于高分光学与全极化SAR的海南八门湾红树林种间分类方法

合理的红树种间组成结构是有效发挥红树林湿地生态价值的前提,明确的红树林种间分布信息是开展红树林生态系统治理和规划工作的有效依据。针对海南八门湾红树林湿地,基于高分三号(GF-3)全极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)和高分六号(GF-6)多光谱遥感数据,本文提取了35个红树林遥感特征,利用极端梯度提升树(eXtremegradientboosting,XGBoost)算法开展了特征重要性排序、特征筛选和红树林种间分类实验,将其与传统的支持向量机(supportvectormachine,SVM)、随机森林(randomforest,RF)机器学习算法进行精度比较,并基于XGBoost算法进行了3种特征组合方式(优选特征、多光谱特征、全极化SAR特征)的分类精度比较,旨在探索XGBoost对红树林种间分类的适用性和光学与全极化SAR数据对红树林种间分类的能力。结果表明:1)识别红树林种类的优势特征依次为多光谱的光谱波段、极化分解参数、光谱植被指数,且仅利用前8个优选特征(绿光波段反射率G、蓝光波段反射率B、Yamaguchi面散射分量Ys、近红外波段反射率NIR、增强型植被指数EVI、比值植被指数RVI、归一化植被指数NDVI、Freeman面散射分量F_(s))即可达到较高分类精度。2)对于八门湾红树林湿地,XGBoost算法的红树种间分类总体精度最高,为86.16%,卡帕系数为0.836,比SVM和RF算法高3%~8%;优选特征的红树林种间分类精度比单独的多光谱特征或全极化SAR特征高10%~12%。3)八门湾红树林总面积约为797.58hm^(2),共有白骨壤、海莲、红海榄、杯萼海桑、角果木、榄李、木榄、正红树、海漆9种优势真红树,杯萼海桑和木榄的面积较大,分别占全部红树林面积的45.46%、21.21%。

全极化雷达抗间歇采样转发式干扰的非匹配滤波方法

间歇采样转发式干扰(ISRJ)能够在雷达接收机形成多个逼真的假目标,兼具压制和欺骗的干扰效果。为提升雷达在此干扰场景下的目标检测能力,提出了一种全极化雷达体制下的抗ISRJ非匹配滤波方法。文中以脉冲压缩后信号最小旁瓣能量输出和干扰最小积分能量输出为出发点,基于罚函数的思想建立多目标优化模型;通过帕累托参数的组合加权,将模型转化为多线性约束下最小输出积分能量的目标函数,以此设计非匹配滤波器。仿真实验表明,本文方法能够有效抑制不同样式的间歇采样转发式干扰。

机载全极化微波辐射计系统设计及海面亮温的提取方法

机载全极化微波辐射计(Airborne full Polarization Microwave Radiometer,APMR)是国家重大科技基础设施航空遥感系统的主要载荷之一,用于获取来自地球表面和大气的微波辐射电场的极化信息,从而反演地球表面和大气的物理参数.APMR是一个5频点的被动微波遥感器,中心频点分别为10.7 GHz,18.7 GHz,23.8 GHz,37.0 GHz和90 GHz.其中,23.8 GHz和90 GHz采用水平和垂直极化接收方式;10.7 GHz,18.7 GHz和37.0 GHz采用全极化接收方式,同时接收观测场景辐射的4个Stokes参数亮温.该文在介绍我国第一台机载全极化微波辐射计APMR系统主要技术特点和基本性能指标的基础上,提出了由辐射计输出参数进行全极化定标、再进行海面亮温提取的二级数据处理方法,从而得到海面亮温的4个Stokes参数信息,其可用于海面风向、风速等参数的反演.APMR于2020年6月在东营进行了海上的搭载飞行试验,从实验结果中提取到的海面亮温与预期情况一致,这使仪器的工作性能以及海面亮温的提取方法得到验证,为未来机载平台获得海洋表面参数提供了新的技术手段.

降雨条件下全极化微波辐射计海面风场校正

为提高降雨条件下星载全极化微波辐射计海面风场精度,通过匹配WindSat海面风场和降雨率数据以及美国国家浮标中心浮标观测数据,得到18996组匹配样本,深入分析了降雨对海面风场反演精度的严重影响,构建了风场校正模型。试验结果表明,降雨导致海面风速被严重高估,风向误差随着降雨率的增大而增大。校正后的风速精度在低风速段提升明显。无论降雨率多大,校正后风速精度均比校正前高。风速均方根误差由原来的2.9 m/s降低到了2.1 m/s,风向均方根误差由原来的26.9°降低到了26.3°。

一种抗间歇采样转发干扰的全极化雷达发射波形优化方法

作为一种新型的有源干扰样式,间歇采样转发干扰(ISRJ)引起了人们越来越多的关注。极化是表征电磁波矢量性的重要参数,其引入可以显著提高雷达在抗干扰方面的性能。为此,该文针对性地研究了全极化雷达的抗ISRJ方法,通过波形设计和优化以获取比传统单极化雷达更好的抗干扰性能。另外,针对宽带雷达条件下现有抗ISRJ问题表征中未考虑目标特性对信号调制作用这一短板,该文在信干比的数学表达式中加入了目标特性调制这一因素。在此基础上,提出了一种具有多普勒容忍的抗ISRJ全极化雷达波形设计方法。采用实测目标数据开展的实验表明:与单极化雷达相比,极化信息的引入显著提高了雷达对ISRJ的抑制性能;宽带条件下,考虑扩展目标对信号的调制作用在信干比的计算上具有必要性。

全极化微波辐射计遥感海面风场的关键技术和科学问题

全极化微波辐射计是一种新型的微波遥感器,它不但测量目标微波辐射信号的两个正交极化分量,并且测量两个正交极化分量的复相关量。这些相关信息对于表面微波辐射的各向异性更加敏感,这样就提供了测量海面风场的一种手段。文章在介绍国内外全极化微波辐射计现状和特点的基础上,首先对于全极化微波辐射计遥感海面风场的原理及其影响因素进行分析;然后,从全极化微波辐射计的硬件设计和定标两个方面论述了硬件实现的关键技术问题;最后,对于风场反演的有关科学问题进行分析,重点论述了风场反演算法建立的关键,主要技术指标对于风场反演误差的影响,风向模糊性问题的原因以及从数据处理和扫描机制的角度分析如何消除模糊性问题。

全极化探地雷达正演模拟

全极化探地雷达不但能获取当前探地雷达使用的共极化信息,而且能使用交叉极化信息,进而更好地分析目标属性.本文在时域有限差分法的基础上,构建了全极化探地雷达的正演模拟方法,通过水平正交双方向同时接收获取全极化信息.标准目标体金属板和角反射器的正演模拟与实验室物理模型测试一致的共极化和交叉极化响应信息,证实了该正演模拟方法的有效性.同时还模拟了典型目标(随机表面和斜裂缝)的响应.正演模拟和实验结果均反映出结合交叉极化响应和共极化响应信息有助于识别和判断目标的方向、结构组成等属性.

有源转发式干扰的全极化单脉冲雷达抑制方法研究

有源转发式干扰成为防空反导、反舰攻击等典型作战场景下非常重要的一种干扰样式,对现代雷达形成了严重威胁。该文针对有源转发式干扰对雷达形成的距离欺骗性假目标干扰和角度欺骗性干扰两种典型情况,研究了全极化单脉冲雷达识别转发式干扰并加以抑制的方法,理论推导和仿真实验结果表明利用极化信息可以识别并抑制此类干扰,这对新一代极化雷达适应复杂电磁环境问题的研究具有深刻的理论指导和借鉴意义。

弹道导弹动态全极化一维像仿真研究

研究了弹道导弹动态全极化一维像的仿真方法,可以为雷达目标检测、识别算法的研究提供基础。对弹道导弹的弹道和运动特性进行了建模,通过对弹头缩比模型静态测量数据进行插值,可以获得任意时刻、任意姿态下弹头的全极化一维距离像;比较了典型宽带雷达体制的信号形式,推导了它们之间的仿真参数转换关系。在计算机上进行了仿真实验,对仿真结果的分析表明本文提出的仿真方法是切实可行的。

高分辨率全极化合成孔径雷达数据海冰二次分类方法研究

随着高分辨率全极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)影像的大量出现,传统分类方法因所得分类结果中包含斑点噪声,导致分类精度大大降低,因而利用基于伴生关系的二次分类方法对辽东湾RADARSAT-2卫星的海冰SAR影像进行分类,并将所得分类结果与专家解译分类结果和经典的基于H-α分解的Wishart监督分类结果进行对比,证明本方法可以消除斑点噪声的影响,同时具有较好的视觉效果和较高的分类精度。

空间微动目标动态全极化回波仿真技术研究

从空间微动目标的运动特性和全极化散射特性两方面出发,研究了进动目标动态全极化回波仿真技术。分析了自由段飞行过程中目标姿态角的变化规律,通过进动坐标系建立了微动参数到目标姿态角的映射关系,修正了直接将偏航、俯仰、横滚等三个欧拉角应用于进动目标姿态角计算的方法。建立了目标测量极化到雷达发射极化的变换关系,指出全极化雷达各个极化通道回波的仿真,均需要目标全极化测量数据的支撑。典型参数下的仿真结果表明,本文提出的方法能够逼真反映空间微动目标的全极化特性。

全极化微波辐射计系统中高速数字相关器设计

海面风场直接影响大气与大洋环流相互作用,是研究海流运动规律的必要条件.全极化微波辐射计是一种用于海洋表面风场测量的新型被动微波遥感器.数字相关器是全极化辐射计的核心部件.文中详细介绍了一种新型数字相关器的设计和实现.两片高速A/D转换器采样四路信号并通过XILINX公司新一代的FPGA-Vertex5作相关运算.同时本文给出了数字相关器的测试结果.相关器采样率360MHz,8bit量化,测试有效位数在7.2bit以上.100MHz和150MHz信号输入下,测量值与理论值之间的相关系数在0.9999999以上.系统功耗11.3W.

基于全极化SAR数据散射机理的农作物分类

提出了利用极化相干矩阵对雷达遥感影像进行特征值分解,通过分析分解特征图达到农作物识别、分类的目的。该方法不仅能识别不同农作物,而且对水稻、玉米、大豆较好的识别精度。以江苏省睢宁地区农作物识别为例,利用2009年8月23日Radarsat-2全极化SAR影像数据,结合极化相干矩阵的方法提取不同农作物散射特征的3个参量,分析不同农作物散射机理;结合地面GPS数据进行Wishart监督分类和非监督分类。分类结果表明:城市及水体散射特征特点明显、识别清晰;水稻由于植株底部具有含水层,易与其它农作物区别,水稻分类精度达到97.92%;根据平均散射角的差异性对大豆和玉米进行了区分,最终总分类精度达到78.1%。研究结果表明,全极化雷达数据能提供更为丰富的地物散射信息,是农作物遥感监测的重要数据来源。

全极化雷达相干两点源角度欺骗干扰识别方法

相干两点源能够对单脉冲体制雷达形成有效的角度欺骗干扰,通过干扰机之间协同,达到诱偏雷达波束、掩护目标突防的目的.根据两点源角度欺骗干扰原理,利用相干两点源和雷达目标全极化回波特性差异,设计了识别相干两点源角度欺骗干扰识的二元假设检验方法,理论分析和仿真结果证实了方法的有效性.