CN105137432A - 基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法，包括步骤1：控制雷达对目标区域进行水平方向和竖直方向扫描，获得水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像；步骤2：以水平孔径雷达SAR图像或者竖直孔径雷达SAR图像中的任一图像为基准，将水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像进行配准处理；步骤3：将配准后的孔径雷达SAR图像合成SAR复图像，获得以雷达环绕的定点为中心的三维坐标信息；步骤4：将步骤3中得到的三维坐标信息进行目标区域的三维重建，形成三维图像。本发明中的方法对雷达所获取的数据要求较低，在成像过程中无需要复杂的算法，克服了传统合成孔径雷达三维成像技术的局限，使得三维成像更加准确简便。

Description

基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法

技术领域

本发明涉及地基合成孔径雷达三维成像处理技术，具体地，涉及基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)三维成像技术是SAR二维成像的一种拓展，解决了二维成像在高度维的成像模糊问题，能够对观测区域目标的空间分布进行重建，在地形测绘及环境监测等领域具有巨大的应用潜力，因此引起了越来越多的关注。

目前主流的合成孔径雷达三维成像技术主要有干涉合成孔径雷达(InSAR)、层析合成孔径雷达(TomoSAR)、曲线合成孔径雷达(CLSAR)等方式。其中InSAR技术通过获取同一目标的两幅合成孔径雷达(SAR)图像后，经过一系列的干涉处理得到该目标区域的数字高程图，但需要进行图像配准、去平地效应及实现相位解模糊等，在实现上比较繁琐；TomoSAR利用一定数量的按一定规律分布的雷达天线多次航过获取场景回波数据，获得二维SAR图像联合，在高度上形成等效合成孔径，获得高度维的分辨能力，但其多次飞行成本较高，想在高度维形成大的合成孔径，在实际中是难以做到的；CLSAR利用雷达在方位高度面内沿曲线轨迹运动获取时间空间域数据，通过对其进行处理获得场景的三维图像。该技术具有真正的三维成像能力，对轨迹控制要求严格，同时其方位向观测角有限，限制了分辨能力的提升。

以上传统合成孔径雷达三维成像技术都有各自的局限，本发明中所提出的基于正交图像配准的合成孔径雷达三维成像实现技术对获取的数据要求较低，在成像过程中不需要复杂的算法，从而对实现快速三维成像有着重要的意义。目前没有发现国内或国外同本发明类似技术的说明或报道。可以获取大型桥梁、高层建筑物、大坝等建筑物的三维结构，也能监测山体滑坡、冰川移动、雪崩等灾害，在地形测绘及环境监测领域均有巨大应用潜力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法。

根据本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法包括如下步骤：

步骤1：控制雷达对目标区域进行水平方向和竖直方向扫描，获得水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像；

步骤2：以水平孔径雷达SAR图像或者竖直孔径雷达SAR图像中的任一图像为基准，将水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像进行配准处理；

步骤3：将配准后的水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像合成SAR复图像，获得以雷达环绕的定点为中心的三维坐标信息；

步骤4：将步骤3中得到的三维坐标信息进行目标区域的三维重建，形成三维图像。

优选地，所述步骤1包括：

相对目标区域建立直角坐标系，使得雷达绕坐标系定点转动扫描目标区域；

当控制雷达绕定点在水平方向扫描时，雷达从水平位置A移动至水平位置B，将雷达扫描获得的数据经过SAR图像处理得到水平SAR图H；

当控制雷达绕定点在竖直方向扫描时，雷达从竖直位置C移动至竖直位置D，将雷达扫描获得的数据经过SAR图像处理得到竖直SAR图V。

优选地，所述步骤2包括：

当以水平SAR图H为基准时，

找出竖直SAR图V相对于水平SAR图H在距离向和方位向上的偏移量，即配准参数，然后对竖直SAR图V进行插值重采样，使水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像间的偏移误差小于一个像素点。

优选地，所述步骤3包括：

步骤3.1：将经过配准处理的竖直SAR图V和水平SAR图H复合成一幅图像后得出现一个重叠区域I，且目标区域的某一目标点P包含在该重叠区域I中；

步骤3.2：设计坐标转换模型，即将竖直SAR图V中所在的区域I内的每个像素点的竖直方位信息附加到水平SAR图H中所在的区域I内的对应像素点上，计算得到目标点P相对于雷达环绕的定点的三维坐标信息。

优选地，所述步骤3.2中目标点P相对于雷达环绕的定点的三维坐标信息的计算公式如下：

$r\left(t\right)=\sqrt{{(x-r_x)}^2+{(y-r_y)}^2+z^2};$

其中：r_x＝Rcos(φ-ωt)；

r_y＝Rsin(φ-ωt)；

r_z＝0；

式中：r(t)表示目标点P到雷达的实时斜距，r_x表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的X轴坐标值，r_y表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的Y轴坐标值，r_z表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的Z轴坐标值，R表示雷达的旋转臂长度，φ表示雷达的起始位置或终止位置关于X轴的角度，ω表示雷达扫描的角速度，x表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的X轴坐标值，y表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的Y轴坐标值，z表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的Z轴坐标值；

当雷达的发射信号为： $S_t(t,\mathrm{\τ})=rect\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{c}t}{e}^{-{\mathrm{j\πk}}_r{\mathrm{\τ}}^2}$ 时；

目标点P(x,y,z)的回波信号的计算公式如下：

$S_r(t,\mathrm{\τ})=a_t\·rect\left(\frac{\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t\right)}{c}}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_c(t-\frac{2r\left(t\right)}{c})}{e}^{-{\mathrm{j\πk}}_r{(\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t\right)}{c})}^2};$

式中：S_t(t,τ)表示雷达的发射信号，rect(·)表示矩形包络运算，T_p表示雷达的脉冲宽度，f_c表示雷达信号载频，k_r表示雷达信号调频斜率，τ和t分别表示快时间和慢时间，S_r(t_,τ)表示目标点P(x,y,z)的回波信号，a_t表示接收信号强度，c为电磁波传播速度，e表示自然常数，j表示复数的虚数单位，即

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法对雷达获取的数据要求较低，在成像过程中无需要复杂的算法，从而简化了成像步骤，克服了现有的传统合成孔径雷达三维成像技术的局限。

2、本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法可以获取大型桥梁、高层建筑物、大坝等建筑物的三维结构，也能监测山体滑坡、冰川移动、雪崩等灾害，在地形测绘及环境监测领域均有巨大应用潜力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法的流程图；

图2为本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法中雷达扫描目标区域所建立的坐标系示意图；

图3为本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法中利用雷达对目标区域进行水平方向扫描时的动作状态示意图；

图4为本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法中利用雷达对目标区域进行竖直方向扫描时的动作状态示意图；

图5为本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法中将竖直SAR图V和水平SAR图H复合成一幅图像后的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法包括如下步骤：

步骤1：控制雷达对目标区域进行水平方向和竖直方向扫描，获得水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像；

步骤2：以水平孔径雷达SAR图像或者竖直孔径雷达SAR图像中的任一图像为基准，将水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像进行配准处理；

步骤3：将配准后的水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像合成SAR复图像，获得以雷达环绕的定点为中心的三维坐标信息；

步骤4：将步骤3中得到的三维坐标信息进行目标区域的三维重建，形成三维图像。

具体地，如图1所示，图中给出了基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像实现流程，包括扫描，配准，转换，重建四部分。

优选地，所述步骤1包括：

相对目标区域建立直角坐标系，使得雷达绕坐标系定点转动扫描目标区域；

当控制雷达绕定点在水平方向扫描时，雷达从水平位置A移动至水平位置B，将雷达扫描获得的数据经过SAR图像处理得到水平SAR图H；

当控制雷达绕定点在竖直方向扫描时，雷达从竖直位置C移动至竖直位置D，将雷达扫描获得的数据经过SAR图像处理得到竖直SAR图V。

具体地，如图3、图4所示，雷达由A位置到B位置在水平面上绕定点旋转对目标区域进行水平扫描；雷达由C位置到D位置在竖直面上绕相同定点旋转对目标区域进行竖直方向扫描，两次扫描获得的数据经过SAR图像处理分别得到水平SAR图H和竖直SAR图V。

优选地，所述步骤2包括：

当以水平SAR图H为基准时，

找出竖直SAR图V相对于水平SAR图H在距离向和方位向上的偏移量，即配准参数，然后对竖直SAR图V进行插值重采样，使水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像间的偏移误差小于一个像素点。

具体地，由单幅竖直SAR图V或者单幅水平SAR图H上的离散的像素点构成了二维空间，而这些像素点均可看作是对目标区域地面特性的离散采样。为方便下一步中将竖直SAR图V中的竖直方位向信息转换到水平SAR图H上，使得目标点P在水平和竖直图像中对应像素点的位置基本重合是很有必要的。先找出竖直SAR图V相对于水平SAR图H在距离向和方位向上的偏移量，即配准参数，然后对竖直SAR图V进行插值重采样，使两幅图像间的偏移误差小于一个像素点。

优选地，所述步骤3包括：

步骤3.1：将经过配准处理的竖直SAR图V和水平SAR图H复合成一幅图像后得出现一个重叠区域I，且目标区域的某一目标点P包含在该重叠区域I中；

步骤3.2：设计坐标转换模型，即将竖直SAR图V中所在的区域I内的每个像素点的竖直方位信息附加到水平SAR图H中所在的区域I内的对应像素点上，计算得到目标点P相对于雷达环绕的定点的三维坐标信息。

具体地，如图5所示，经图像配准之后，我们得到了H、V两幅SAR图像的重叠区域I，该区域包括目标点P。接下来要根据雷达水平扫描成像中心和竖直扫描成像中心的位置，设计坐标转换模型，将图V中的指定区域内每个像素点的竖直方位信息一一附加到图H中指定区域的对应像素点上，这样我们就得到了重叠区域内像素点相对旋转中心O的距离r、水平方位信息θ、竖直方位信息，即获得了目标P的三维信息。

优选地，所述步骤3.2中目标点P相对于雷达环绕的定点的三维坐标信息的计算公式如下：

$r\left(t\right)=\sqrt{{(x-r_x)}^2+{(y-r_y)}^2+z^2};$

其中：r_x＝Rcos(φ-ωt)；

r_y＝Rsin(φ-ωt)；

r_z＝0；

式中：r(t)表示目标点P到雷达的实时斜距，r_x表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的X轴坐标值，r_y表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的Y轴坐标值，r_z表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的Z轴坐标值，R表示雷达的旋转臂长度，φ表示雷达的起始位置或者终止位置关于X轴的角度，ω表示雷达扫描的角速度，x表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的X轴坐标值，y表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的Y轴坐标值，z表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的Z轴坐标值。

具体地，如图2所示，图中展示的是雷达在水平方向的扫描过程。长度为R的直杆一端连接雷达S，另一端以O为圆心关于x轴从+φ到-φ角度以ω为角速度对目标区域扫描，以O为坐标原点建立直角坐标系，取雷达波束覆盖目标区域内任意一点p(x,y,z)。图2中：

O表示旋转杆的转动中心；

R表示雷达的旋转臂长度，即雷达距雷达环绕的定点的距离；

S表示雷达位置；

L表示雷达的运动轨迹；

A表示雷达的起始位置；

B表示雷达的终止位置；

Φ表示雷达的起始、终止位置关于x轴的角度；

P表示扫描区域内任意一点；

P’表示P点在XOY面上的投影点。

当雷达的发射信号为： $S_t(t,\mathrm{\τ})=rect\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{c}t}{e}^{-{\mathrm{j\πk}}_r{\mathrm{\τ}}^2}$ 时；

目标点P(x,y,z)的回波信号的计算公式如下：

$S_r(t,\mathrm{\τ})=a_t\·rect\left(\frac{\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t\right)}{c}}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_c(t-\frac{2r\left(t\right)}{c})}{e}^{-{\mathrm{j\πk}}_r{(\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t\right)}{c})}^2};$

式中：S_t(t,τ)表示雷达的发射信号，rect(·)表示矩形包络运算，T_p表示雷达的脉冲宽度，f_c表示雷达信号载频，k_r表示雷达信号调频斜率，τ和t分别表示快时间和慢时间，S_r(t_,τ)表示目标点P(x,y,z)的回波信号，a_t表示接收信号强度，c为电磁波传播速度。

具体地，经坐标转换后获得了目标场景的全部三维信息，最后，利用软件重建重叠区域的三维图像。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：控制雷达对目标区域进行水平方向和竖直方向扫描，获得水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像；

步骤2：以水平孔径雷达SAR图像或者竖直孔径雷达SAR图像中的任一图像为基准，将水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像进行配准处理；

步骤3：将配准后的水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像合成SAR复图像，获得以雷达环绕的定点为中心的三维坐标信息；

步骤4：将步骤3中得到的三维坐标信息进行目标区域的三维重建，形成三维图像。

2.根据权利要求1所述的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，所述步骤1包括：

相对目标区域建立直角坐标系，使得雷达绕坐标系定点转动扫描目标区域；

当控制雷达绕定点在水平方向扫描时，雷达从水平位置A移动至水平位置B，将雷达扫描获得的数据经过SAR图像处理得到水平SAR图H；

当控制雷达绕定点在竖直方向扫描时，雷达从竖直位置C移动至竖直位置D，将雷达扫描获得的数据经过SAR图像处理得到竖直SAR图V。

3.根据权利要求2所述的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，所述步骤2包括：

当以水平SAR图H为基准时，

找出竖直SAR图V相对于水平SAR图H在距离向和方位向上的偏移量，即配准参数，然后对竖直SAR图V进行插值重采样，使水平孔径雷达SAR图像和竖直孔径雷达SAR图像间的偏移误差小于一个像素点。

4.根据权利要求3所述的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1：将经过配准处理的竖直SAR图V和水平SAR图H复合成一幅图像后得出现一个重叠区域I，且目标区域的某一目标点P包含在该重叠区域I中；

步骤3.2：设计坐标转换模型，即将竖直SAR图V中所在的区域I内的每个像素点的竖直方位信息附加到水平SAR图H中所在的区域I内的对应像素点上，计算得到目标点P相对于雷达环绕的定点的三维坐标信息。

5.根据权利要求4所述的基于正交图像配准的地基合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，所述步骤3.2中目标点P相对于雷达环绕的定点的三维坐标信息的计算公式如下：

$r\left(t\right)=\sqrt{{(x-r_x)}^2+{(y-r_y)}^2+z^2};$

其中：r_x＝Rcos(φ-ωt)；

r_y＝Rsin(φ-ωt)；

r_z＝0；

式中：r(t)表示目标点P到雷达的实时距离，r_x表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的X轴坐标值，r_y表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的Y轴坐标值，r_z表示雷达在三维笛卡儿坐标系上对应的Z轴坐标值，R表示雷达的旋转臂长度，φ表示雷达的起始位置或终止位置关于X轴的角度，ω表示雷达扫描的角速度，x表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的X轴坐标值，y表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的Y轴坐标值，z表示目标点P在三维笛卡尔坐标系上对应的Z轴坐标值；

当雷达的发射信号为： $S_t(t,\mathrm{\τ})=rect\left(\frac{\mathrm{\τ}}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{c}t}{e}^{-{\mathrm{j\πk}}_r{\mathrm{\τ}}^2}$ 时；

目标点P(x,y,z)的回波信号的计算公式如下：

$S_r(t,\mathrm{\τ})=a_t\·rect\left(\frac{\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t\right)}{c}}{T_p}\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_c(t-\frac{2r\left(t\right)}{c})}{e}^{-{\mathrm{j\πk}}_r{(\mathrm{\τ}-\frac{2r\left(t\right)}{c})}^2};$

式中：S_t(t,τ)表示雷达的发射信号，rect(·)表示矩形包络运算，T_p表示雷达的脉冲宽度，f_c表示雷达信号载频，k_r表示雷达信号调频斜率，τ和t分别表示快时间和慢时间，S_r(t,τ)表示目标点P(x,y,z)的回波信号，a_t表示接收信号强度，c为电磁波传播速度，e表示自然常数，j表示复数的虚数单位，即