1.一种结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,该方法包括:
获取极化SAR影像的极化相干矩阵序列,并从中提取待分类像素的邻域窗口四维数据;
将待分类像素的邻域窗口四维数据输入至两个3D卷积块,利用两个3D卷积块提取极化SAR影像的低级特征表示,生成四维局部初步特征图z;
建立极化角局部特征提取网络,将四维局部初步特征图z输入至极化角局部特征提取网络,得到极化角局部特征图Xl_3d;建立空间局部特征提取网络,将四维局部初步特征图z合并为三维局部特征图z′并输入至空间局部特征提取网络,得到空间局部特征图Xl_2d;
以transformer编码层为基础架构,建立极化角与空间全局特征提取及融合网络架构:
将极化角局部特征图Xl_3d与空间局部特征图Xl_2d分别输入至transformer编码层中的多头自注意力机制,以分别学习极化角与空间的全局特征;
将空间的全局特征进行格式转换,以并联的方式与极化角的全局特征相加,之后输入至transformer编码层的多层感知机MLP,进行全局特征融合,得到全局特征融合图z″;
将全局特征融合图z″输入至3D池化层与3D卷积块,利用3D池化层与3D卷积块的组合对全局特征融合图z″进行下采样与高级特征提取,得到特征向量;
将特征向量映射到分类器进行极化SAR影像类别分类并输出该待分类像素的分类结果。
2.根据权利要求1所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,获取极化SAR影像的极化相干矩阵序列,包括:基于Pauli分解,并通过极化散射矩阵来构建极化SAR影像的相干矩阵;其中,极化散射矩阵包含HH、HV、VH、VV四个极化通道的信息,具体公式如下:式中,T3为极化SAR影像的相干矩阵;H和V分别表示水平和垂直极化,SHH、SHV、SVH、SVV分别是不同极化通道的散射系数;*表示复共轭;
通过旋转极化基,计算不同旋转角度下的极化相干矩阵,获取极化SAR影像的极化相干矩阵序列;其中,极化相干矩阵T(θ)公式如下所示:式中,R3(θ)表示极化旋转矩阵,表示转置;其中,极化旋转矩阵R3(θ)定义如下:
式中,θ表示极化方向角POA。
3.根据权利要求2所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,使用角度范围为步长为9个不同的极化方向角POA来生成极化相干矩阵序列,并基于patch的分类策略,从极化相干矩阵序列中提取每个待分类像素的邻域窗口四维数据;其中,极化相干矩阵序列数对应不同的极化方向角POA数。
4.根据权利要求1所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,两个3D卷积块均包含一个3D卷积层、一个3D批量归一化BN和一个sigmoid加权线性单元SiLU激活层;其中,SiLU是一种非线性激活函数;
将极化SAR影像的极化相干矩阵序列输入至两个3D卷积块,3D卷积块中的卷积核在输入数据的局部区域进行滑动,计算加权和,提取极化SAR影像多维空间中的几何和局部特征,并生成四维局部初步特征图z。
5.根据权利要求1所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,极化角局部特征提取网络包括一3D卷积层;将四维局部初步特征图z输入至3D卷积层,利用3D卷积层学习极化角的局部特征,得到极化角局部特征图Xl_3d;
空间局部特征提取网络包括一2D卷积层;四维局部初步特征图z的维度表示为C×D×H×W,C表示通道数,D表示旋转域邻域窗口数据的数量,H和W表示邻域窗口的高度和宽度;在C和D维度下,将四维局部初步特征图z合并为三维局部特征图z′,其维度为C′×H×W,其中C′=C×D;将三维局部特征图z′输入至2D卷积层,利用2D卷积层学习空间的局部特征,得到空间局部特征图Xl_2d∈RC′×H×W。
6.根据权利要求5所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,将极化角局部特征图Xl_3d与空间局部特征图Xl_2d分别输入至transformer编码层中的多头自注意力机制,以分别学习极化角与空间的全局特征,包括:构建极化角与空间全局特征提取网络,将极化角局部特征图Xl_3d在高度H和宽度W两个维度上展开,并对展开后的特征向量进行归一化处理,确保特征的尺度一致,之后利用多头注意力机制来处理归一化后的特征,生成的极化角全局特征图记作Xm_3d;将空间局部特征图Xl_2d分割成K个小的扁平斑块Xu_2d,其中每个斑块的维度为P×K×C′,P是每个补丁中的像素数,即P=w′×h′,其中w′和h′分别是补丁的宽度和高度,K是补丁的数量,即K=HW/P,之后对扁平斑块进行归一化,并利用多头注意力机制捕捉空间全局特征的关系,得到的空间全局特征图为Xm_2d,其维度为P×N×C′,其中N是特征维度的数量。
7.根据权利要求6所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,将空间的全局特征进行格式转换,以并联的方式与极化角的全局特征相加,之后输入至transformer编码层的多层感知机MLP,进行全局特征融合,得到全局特征融合图z″,包括:构建极化角与空间全局特征融合网络,将极化角全局特征图Xm_3d和空间全局特征图Xm_2d进行特征融合:将空间全局特征图Xm_2d先展开成与极化角全局特征图Xm_3d兼容的维度,然后将展开后的Xm_2d和Xm_3d进行拼接,得到新的特征图Xn_3d,特征图Xn_3d包含极化旋转角和空间自注意力信息的特征向量序列;对特征图Xn_3d进行归一化处理,再输入到多层感知机MLP中,将经过多层感知机MLP处理后的特征图与原始的特征图Xn_3d进行残差连接,最终得到全局特征融合图z″,z″的维度是与原始输入维度相同的C×D×H×W的4D张量。
8.根据权利要求1所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,3D池化层对特征图进行全局最大池化操作,以将高维特征映射到低维空间;池化操作将特征图的空间维度缩小为一个特征向量。
9.根据权利要求1所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法,其特征在于,分类器包括两个线性层和以及中间的ReLU&Dropout层,分类器输出是logits,即类别预测的原始分数,再通过Softmax函数将logits映射到一个概率分布,表示每个类别的预测概率。
10.一种极化合成孔径雷达,其特征在于,该极化合成孔径雷达采用权利要求1至9中任意一项所述的结合极化旋转角与空间自注意力的极化SAR影像分类方法的步骤。