CN106908791B - 基于全极化圆迹sar数据的输电线提取方法 - Google Patents

基于全极化圆迹sar数据的输电线提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，包括：步骤S1：获取照射场景的全孔径相干累积复数图像；步骤S2：提取像素点随方位向变化的回波曲线；步骤S3：计算能量集中度参数；步骤S4：根据像素点的能量集中度参数进行阈值判断，提取各向异性目标像素点；步骤S5：使用照射场景的全极化数据利用H/α极化分解方法获取每个像素点的α参数；步骤S6：在所述步骤S4中提取的各向异性目标像素点基础上对上述步骤S5中α参数进行阈值滤波处理，获取输电线区域像素点。本发明输电线提取方法，充分利用输电线各向异性方位散射特征，实现输电线的有效、自动提取。

Description

基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种主动微波遥感手段，与光学遥感相比，信号穿透力强，具有全天时全天候的对地观测能力，是高分辨率对地观测的重要手段之一。而电能作为重要的中间能源形式，关系着国计民生的方方面面，输电线则是传输电能的智能电网输电设施的重要组成部分，因此基于SAR的输电线的提取对于输电系统的维护以及国防探测具有重要意义。
目前毫米波雷达可利用输电线表面金属缠绕结构的布拉格散射特性提取输电线，但是毫米波雷达波长较小，穿透能力有限，作用距离小。目使用SAR进行输电线提取的研究并不多，主要分为两种，(1)结合输电线极化散射特征，基于图像处理的方法通过提取SAR图像的线状结构以及边缘检测提取输电线。该方法通过同极化与交叉极化协方差提高输电线目标信噪比，然后进行直线检测以及边缘检测提取输电线，该方法在信噪比较低的情况下会有较高的误判率。(2)基于电塔的结构和纹理特征，通过连接电塔提取输电线。06年Yang提出了一种从全极化SAR影像中提取输电线的方法，是应用点目标检测的方法提取影像中的电塔，然后用遗传算法连接电塔，实现输电线的提取。该方法的明显缺陷是输电线的提取依赖于电塔的提取，如果连接输电线的不是明显的电塔以及电塔被遮挡或者其余导致无法有效提取电塔的原因都会导致输电线的提取失败。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，充分利用输电线各向异性方位散射特征，实现输电线的有效、自动提取。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，包括：
步骤S1：将照射场景的圆迹SAR回波数据在所有的方位向角度进行相干累积成像，获得照射场景的全孔径相干累积复数图像；
步骤S2：使用滑动矩形窗函数对步骤S1中获取的照射场景的全孔径相干累积复数图像逐像素点的进行逆回波处理及相位补偿处理，获取像素点随方位向变化的回波曲线；
步骤S3：根据S2中获取的像素点随方位向变化的回波曲线，对每一像素点计算其能量集中度参数；
步骤S4：根据像素点的能量集中度参数进行阈值判断，提取各向异性目标像素点；
步骤S5：使用照射场景的全极化数据利用H/α极化分解方法获取整幅SAR图像中每个像素点的α参数；
步骤S6：在所述步骤S4中提取的各向异性目标像素点基础上对上述步骤S5中α参数进行阈值滤波处理，获取输电线区域像素点。
优选的，在所述步骤S6之后还包括：
步骤S7：对获取的已完成输电线区域提取的整幅SAR图像使用滑动矩形窗函数去除噪点。
优选的，所述步骤S2包括：
子步骤S21：使用滑动矩形窗函数以目标像素点为中心在全孔径相干累积复数图像上截取数据，使用逆回波处理方法获取目标像素点在不同方位向上的回波，以上过程对全孔径相干累积复数图像中每一点像素重复进行；
子步骤S22：在获取每个像素点在不同方位向回波之后，依据该像素点在不同方位向上的相位历程函数进行相位补偿，获取像素点随方位向变化的回波曲线。
优选的，所述逆回波处理方法如下：
Figure BDA0001237876380000031
其中，Sr(θ)为相位补偿前像素点在方位向角θ的回波信号，g(x,y)为照射场景区域复数图像，Kc＝2πfc/c，Kc为波数中心，fc为中心频率，k为滑动窗函数大小，Rxy(θ)为雷达飞行平台与像素点的距离，xc、yc为目标像素点的坐标。
优选的，所述相位补偿原则如下：
在成功提取所有像素点在期望方位向角的回波信号之后，进行相位补偿，以目标像素点与雷达之间的距离计算相位历程函数进行补偿，
Figure BDA0001237876380000032
其中，Sa(θ)为相位补偿前像素点随方位向角θ变化的回波曲线，Hr(θ)为目标像素点与雷达之间的相位历程函数，Sr(θ)为相位补偿前像素点在方位向角θ的回波信号，Rr(θ)为目标像素点与雷达平台之间的距离。
优选的，所述步骤S5包括：
子步骤S51：对HH极化数据以30度子孔径大小，5度间隔，相干累积成像并取最大值，对HH、HV以及VH极化数据按照HH数据取最大值时的子孔径进行子孔径成像，获取四种极化波方式下的子孔径图像；
子步骤S52：对所述子步骤S51中获取的子孔径图像采用H/α极化分解方法获取图像每一像素点的α参数。
优选的，所述H/α极化分解法求α参数的方法如下：
α＝P1α1+P2α2+P3α3，且
Figure BDA0001237876380000033
其中，α为特征矢量参数，用以识别主要散射机制；Pi为列矢量的统计学概率；αi参数为照射场景T矩阵特征向量第一项值的反余弦结果；λi为T矩阵的特征向量值。
优选的，所述全孔径相干累积复数图像，通过将在照射角度内的全部方位向内的回波信号通过后向投影算法，所述后向投影算法如下：
g(x,y)＝∫s(x,y,θ)exp(j2KRxy(θ))dθ
其中，g(x,y)为照射场景区域复数图像；s(x,y,θ)为脉压之后的回波信号；K＝2πf/c，K为脉压之后回波信号的波数，f是脉压之后回波信号的频率；Rxy(θ)为雷达飞行平台与像素点(x,y,z)的距离；θ为雷达平台绕目标照射场景飞行时的方位向角度。
优选的，所述输电线区域的提取原则为：在依据各向异性目标提取原则提取各向异性目标区域之后，依据ɑ参数的阈值原则提取输电线区域。
优选的，所述α参数的阈值原则为：依据α参数对地物散射机制区分表，α参数趋近于π/4对应于偶极子散射，由此，α参数的阈值范围在(40°，50°)范围内。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，充分利用输电线方位特性，能够滤除大部分各向同性目标，在满足分辨率要求的情况下具有更优的提取结果。
(2)基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，充分利用输电线的偶极子散射特征提取输电线区域，提高了输电线提取准确率。
(3)基于圆迹SAR数据包含目标的全方位信息，利用逆回波方法提取目标点在不同方位向回波，回波反演方法能比现有子孔径方法更精确、更细腻提取目标点在不同方位向的回波。
(4)现有的半自动线状物提取方法，耗费人力，基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法是一种自动提取方法，完全利用输电线本身方位特征以及散射特性完成输电线的自动提取。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为根据本发明实施例基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法流程图。
图2为根据本发明实施例基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法对实测HH极化波数据进行处理，得到的全孔径相干累积图。
图3为根据本发明实施例基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法对实测HH极化波数据进行处理，得到的子孔径取最大值的结果图。
图4为根据本发明实施例基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法提取的高压线结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法。图1为根据本发明实施例基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法流程图。请参照图1，本实施例基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法包括：
步骤S1：将照射场景的圆迹SAR回波数据在所有的方位向角度进行相干累积成像，获得照射场景的全孔径相干累积复数图像。
其中，所述全孔径相干累积复数图像，通过将在照射角度内的全部方位向内的回波信号通过后向投影算法(Back-Projection，简称BP)实现方位向聚焦，获取全孔径复数图像。所述BP成像算法具体如下：
g(x,y)＝∫s(x,y,θ)exp(j2KRxy(θ))dθ
式中，g(x,y)为照射场景区域复数图像，s(x,y,θ)为脉压之后的回波信号，K＝2πf/c，K为脉压之后回波信号的波数，f是脉压之后回波信号的频率，Rxy(θ)为雷达飞行平台与像素点(x,y,z)(z为场景区域的高程值)的距离函数，θ为雷达平台绕目标照射场景飞行时的方位向角度。
步骤S2：使用滑动矩形窗函数对步骤S1中获取的照射场景的全孔径相干累积复数图像逐像素点的进行逆回波处理及相位补偿处理，获取像素点随方位向变化的回波曲线。
更具体而言，所述步骤S2包括以下子步骤：
子步骤S21：使用滑动矩形窗函数以目标像素点为中心在全孔径相干累积复数图像上截取数据，使用逆回波处理方法获取目标像素点在不同方位向上的回波，以上过程对全孔径相干累积复数图像中每一点像素重复进行。
其中，所述逆回波处理方法如下：
Figure BDA0001237876380000061
式中，Sr(θ)为相位补偿前像素点在方位向角θ的回波信号，g(x,y)为照射场景区域复数图像，Kc＝2πfc/c，Kc为波数中心，fc为中心频率，k为滑动窗函数大小，Rxy(θ)为雷达飞行平台与像素点(x,y,z)(z为场景区域的高程值)的距离，xc、yc为目标像素点的坐标。
子步骤S22：在获取每个像素点在不同方位向回波之后，依据该像素点在不同方位向上的相位历程函数进行相位补偿，获取像素点随方位向变化的回波曲线。
其中，所述相位补偿原则如下：
在成功提取所有像素点在期望方位向角的回波信号之后，进行相位补偿，以目标像素点与雷达之间的距离计算相位历程函数进行补偿，
Figure BDA0001237876380000062
其中，Sa(θ)为相位补偿前像素点随方位向角θ变化的回波曲线，Hr(θ)为目标像素点与雷达之间的相位历程函数，Sr(θ)为相位补偿前像素点在方位向角θ的回波信号，Rr(θ)为目标像素点与雷达平台之间的距离。
步骤S3：根据S2中获取的像素点随方位向变化的回波曲线，对每一像素点计算其能量集中度参数。
其中，所述能量集中度参数如下计算：
Figure BDA0001237876380000071
式中Sa(θ)为目标点随方位向角θ变化的回波响应曲线，W(x,y,z)为计算得到的目标点的能量集中度大小。
步骤S4：根据像素点的能量集中度参数进行阈值判断，提取各向异性目标像素点。
其中，各向异性目标提取原则为：
由于各向异性目标表现为较小的能量集中度，而各向同性目标表现为较高的能量集中度，阈值的选取依据不同阈值范围CSAR图像具体而定，阈值范围应在(60°,90°)之间。
步骤S5：使用照射场景的全极化数据利用H/α极化分解方法获取整幅SAR图像中每个像素点的α参数。
其中，所述全极化数据包括VV、HH、HV以及VH极化数据。
更具体而言，所述步骤S5包括以下子步骤：
子步骤S51：对HH极化数据以30度子孔径大小，5度间隔，相干累积成像并取最大值，对HH、HV以及VH极化数据按照HH数据取最大值时的子孔径进行子孔径成像，获取四种极化波方式下的子孔径图像。
其中，所述VV极化数据为垂直极化数据，所述HH极化数据为水平极化数据，所述HV极化数据为水平发射垂直接收极化数据，所述VH极化数据为垂直发射水平接收极化数据。
子步骤S52：对所述子步骤S51中获取的子孔径图像采用H/α极化分解方法获取图像每一像素点的α参数。
其中，所述H/α极化分解法求α参数的方法如下：
α＝P1α1+P2α2+P3α3，且
其中，α为特征矢量参数，用以识别主要散射机制；Pi为列矢量的统计学概率；αi参数为照射场景T矩阵特征向量第一项值的反余弦结果；λi为T矩阵的特征向量值。
步骤S6：在所述步骤S4中提取的各向异性目标像素点基础上对上述步骤S5中α参数进行阈值滤波处理，获取输电线区域像素点。
其中，输电线区域的提取原则为：
在依据各向异性目标提取原则提取各向异性目标区域之后，依据ɑ参数的阈值原则提取输电线区域。
所述α参数的阈值原则为：
考虑到输电线的偶极子散射特征，依据α参数对地物散射机制区分表，α参数趋近于π/4对应于偶极子散射，由此，α参数阈值范围应在(40°，50°)范围内。
步骤S7：对获取的已完成输电线区域提取的整幅SAR图像使用滑动矩形窗函数去除噪点。
其中，噪点判断原则如下：
如依据图像的分辨率与主要目标的形状特性以及大小设定滑动矩形窗函数大小为13，当选取区域边缘像素点均为0，判定该区域为噪点，区域内像素均置为0。
图2为本发明实施例圆迹SAR HH极化波数据的全孔径相干累积图像。如图所示，该相干累积图像保留了目标全方位信息，能够避免叠掩，遮挡等问题，与子孔径图像相比较而言，其细节与纹理信息更为丰富。
图3为本发明实施例圆迹SAR HH极化波数据的子孔径取最大值图像。如图所示，该图像更加强调了具有高信号回波强度的目标，由此图像中建筑更为明显。
图4为本发明实施例提取的高压线的结果图。如图所示，建筑物与植物被较好的滤除，而余下散点不具有规则形状，不会对输电线目标构成混淆。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
依据目标的方位向特性，各向异性目标的提取步骤在具有更高距离分辨率的X波段及以上可以使用子孔径的方法提取，也可以实现本发明。
综上所述，本发明基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，充分利用输电线各向异性方位散射特征，实现输电线的有效、自动提取。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将照射场景的圆迹SAR回波数据在所有的方位向角度进行相干累积成像，获得照射场景的全孔径相干累积复数图像；
步骤S2：使用滑动矩形窗函数对步骤S1中获取的照射场景的全孔径相干累积复数图像逐像素点的进行逆回波处理及相位补偿处理，获取像素点随方位向变化的回波曲线；
步骤S3：根据S2中获取的像素点随方位向变化的回波曲线，对每一像素点计算其能量集中度参数；
步骤S4：根据像素点的能量集中度参数进行阈值判断，提取各向异性目标像素点；
步骤S5：使用照射场景的全极化数据利用H/α极化分解方法获取整幅SAR图像中每个像素点的α参数；
步骤S6：在所述步骤S4中提取的各向异性目标像素点基础上对上述步骤S5中α参数进行阈值滤波处理，获取输电线区域像素点；
其中，所述步骤S2包括：
子步骤S21：使用滑动矩形窗函数以目标像素点为中心在全孔径相干累积复数图像上截取数据，使用逆回波处理方法获取目标像素点在不同方位向上的回波，上述获取回波的过程对全孔径相干累积复数图像中每一点像素重复进行；
子步骤S22：在获取每个像素点在不同方位向回波之后，依据该像素点在不同方位向上的相位历程函数进行相位补偿，获取像素点随方位向变化的回波曲线。
2.根据权利要求1所述的基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，在所述步骤S6之后还包括：
步骤S7：对获取的已完成输电线区域提取的整幅SAR图像使用滑动矩形窗函数去除噪点。
3.根据权利要求1所述的基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，所述逆回波处理方法如下：
Figure FDA0002272833590000021
其中，Sr(θ)为相位补偿前像素点在方位向角θ的回波信号，g(x，y)为照射场景区域复数图像，Kc＝2πfc/c，Kc为波数中心，fc为中心频率，k为滑动窗函数大小，Rxy(θ)为雷达飞行平台与像素点的距离，xc、yc为目标像素点的坐标。
4.根据权利要求1所述的基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，所述相位补偿原则如下：
在成功提取所有像素点在期望方位向角的回波信号之后，进行相位补偿，以目标像素点与雷达之间的距离计算相位历程函数进行补偿，
Figure FDA0002272833590000022
其中，Sa(θ)为相位补偿前像素点随方位向角θ变化的回波曲线，Hr(θ)为目标像素点与雷达之间的相位历程函数，Sr(θ)为相位补偿前像素点在方位向角θ的回波信号，Rr(θ)为目标像素点与雷达平台之间的距离。
5.根据权利要求1所述的基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
子步骤S51：对HH极化数据以30度子孔径大小，5度间隔，相干累积成像并取最大值，对VV、HV以及VH极化数据按照HH数据取最大值时的子孔径进行子孔径成像，获取四种极化波方式下的子孔径图像；
子步骤S52：对所述子步骤S51中获取的子孔径图像采用H/α极化分解方法获取图像每一像素点的α参数。
6.根据权利要求5所述的基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，所述H/α极化分解法求α参数的方法如下：
α＝P1α1+P2α2+P3α3，且
Figure FDA0002272833590000023
其中，α为特征矢量参数，用以识别主要散射机制；Pi为列矢量的统计学概率；αi参数为照射场景T矩阵特征向量第一项值的反余弦结果；λi为T矩阵的特征向量值。
7.根据权利要求1所述的基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，
所述全孔径相干累积复数图像，通过将在照射角度内的全部方位向内的回波信号通过后向投影算法，所述后向投影算法如下：
g(x，y)＝∫s(x，y，θ)exp(j2KRxy(θ))dθ
其中，g(x，y)为照射场景区域复数图像；s(x，y，θ)为脉压之后的回波信号；K＝2πf/c，K为脉压之后回波信号的波数，f是脉压之后回波信号的频率；Rxy(θ)为雷达飞行平台与像素点(x，y，z)的距离；θ为雷达平台绕目标照射场景飞行时的方位向角度。
8.根据权利要求1所述的基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，所述输电线区域的提取原则为：在依据各向异性目标提取原则提取各向异性目标区域之后，依据a参数的阈值原则提取输电线区域。
9.根据权利要求8所述的基于全极化圆迹SAR数据的输电线提取方法，其特征在于，所述α参数的阈值原则为：依据α参数对地物散射机制区分表，α参数趋近于π/4对应于偶极子散射，由此，α参数的阈值范围在(40°，50°)范围内。
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