CN107907881B - 一种长孔径星载sar地形估计方法 - Google Patents

一种长孔径星载sar地形估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长孔径星载SAR地形估计方法。其主要步骤为：1)子孔径划分并成像。2)采用区域互相关的配准方法对两幅不同角度的子孔径图像进行配准得到偏移量Δr。3)根据星载几何关系得到参数θ1、θ2和
Figure DDA0001459684930000011
的数值。4)将上一步得到的参数代入比例系数求解公式得到适用于全场景区域的比例系数值。5)求各投影点(像素点)对应的目标的实际高度值，即Z坐标值。6)通过求解二元二次方程组求得另外两维X坐标和Y坐标。

Description

一种长孔径星载SAR地形估计方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理、图像处理和信息提取领域，尤其涉及一种长孔径星载SAR地形估计方法。
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设备，微波遥感与可见光遥感相比，其探测载体即微波信号穿透能力更强，可以穿透云雾、霾和某些树冠层等天然遮挡物，因此具有全天时、全天候的对地观测能力和一定的针对隐蔽目标的探测能力。
当前在轨运行的星载SAR受限于天线技术等技术领域，都不具备长孔径成像能力，这样就不能获得地物目标的全方位向信息以及三维结构信息。近些年来，随着相关技术的发展和进步，长孔径成像已经越来越成为可能，而长孔径成像的聚焦质量和成像参考平面高度的选择紧密相关。当成像参考平面高度与地物目标的实际高度不相同时，在长孔径合成图像中就会形成虚假目标，即出现散焦现象。因此，获得待成像场景区域的地形信息是十分必要的，地形信息可以为长孔径成像过程提供参考平面高度信息。
目前，基于SAR图像的地形估计方法主要分为干涉测高方法和立体像对方法。干涉测高方法得到的场景区域高度信息精度很高，其主要利用不同入射角引起的相位信息之间的差异来进行反演，但这一技术实现难度较大，这里主要存在两个主要的难点：第一是用于干涉处理的两幅SAR图像受限于诸如轨道控制精度、地物变化等条件有可能出现时间去相干和空间去相干；第二是干涉处理过程中的一个关键技术即相位解缠技术还不够成熟和稳定。另外，采用干涉手段获取高度信息成本较高，在有些情况下难以接受也没有必要。立体像对方法最初来源于光学图像领域，后被引入到SAR图像处理领域，立体像对方法测高主要是利用构像模型和成像相对几何位置关系来反演高度。立体像对目前主要分为顺轨立体像对和交轨立体像对，不管是哪种，都涉及到两个轨道，且大部分是基于斜距图像处理的。
已有的技术要么实现成本高昂，过于复杂，实现条件要求过多；要么在只有一条航迹且长孔径和大角度情况下不能应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提供一种长孔径星载SAR地形估计方法，利用同一条航迹(轨道)上长孔径内的两个不同角度获得的SAR地距图像中地物目标投影(像点)的偏移来获得地形高度信息，以期解决上述问题。
(二)技术方案
一种长孔径星载SAR地形估计方法，包括：S1：将观测航迹段划分成多个等分的子孔径，并选取其中两个子孔径分别进行成像，得到两幅不同角度的子孔径图像；S2：将所述两幅不同角度的子孔径图像进行图像配准，并获得位置偏移量；S3：获取两个子孔径的等效入射角和两个子孔径之间的方位角差；S4：利用所述等效入射角和方位角差得到当前场景的比例系数；S5：利用所述比例系数和位置偏移量得到目标的实际高度。
在本发明一些示例性实施例中，还包括S6：利用所述目标实际高度和等效入射角得到目标的平面坐标。
在本发明一些示例性实施例中，所述步骤S1包括：将观测航迹段按等分辨率的原则划分成N个等子孔径；在所述N个等子孔径中选取两个子孔径，并在参考高度为零的地距平面分别进行相干累加地距成像，得到两幅不同角度的相干累加子孔径地距图像。
在本发明一些示例性实施例中，所述步骤S2进一步包括：选取其中一个子孔径图像作为参考图像，则另一个子孔径图像为待配准图像；在参考图像中以待配准像素点为中心选定匹配模板窗口，在待配准图像中选定搜索区域；匹配模板窗口在搜索区域内滑动，在每一个位置计算匹配模板窗口和搜索区域中每个像素点对应部分的归一化互相关系数；在搜索区域滑动遍历完后，互相关系数最大值对应的像素点即为与参考图像中待配准像素点的对应位置，进而得到参考图像任意像素点与待配准图像对应像素点的位置偏移量。
在本发明一些示例性实施例中，所述步骤S3进一步包括：
S31：选定场景中心处一个高度不为零的点目标P，记其坐标为(xp，yp，zp)＝(0，0，h0)；
S32：所述两个子孔径分别为第一子孔径和第二子孔径，两幅子孔径图像分别为第一子孔径图像和第二子孔径图像，利用点目标P信息求解第一子孔径的等效入射角参数θ1，其中，设第一子孔径中心处SAR平台的坐标为(x1，y1，z1)，该位置处的速度矢量为(vx1，vy1，vz1)，(x0，y0，z0)是过点目标P的零多普勒面与速度矢量(或其延长线)的交点坐标，在第一子孔径图像中点目标P的投影点坐标为(xpj_1，ypj_1)，记
Figure GDA0002168904880000031
Figure GDA0002168904880000032
进而记
Figure GDA0002168904880000033
则有
又记
则有
Figure GDA0002168904880000036
又有
Figure GDA0002168904880000037
所以有θ1＝arccos(cosθ1)；
同理，利用点目标P信息求解第二子孔径的等效入射角参数θ2；
S33：利用点目标P信息求解第一子孔径和第二子孔径之间的方位角差
Figure GDA0002168904880000041
其中，第一子孔径图像中点目标P的投影点坐标为(xpj_1，ypj_1)，第二子孔径图像中点目标P的投影点坐标为(xpj_2，ypj_2)，记
Figure GDA0002168904880000042
Figure GDA0002168904880000043
Figure GDA0002168904880000044
则
Figure GDA0002168904880000045
其中，p表示第一子孔径图像中点目标P的投影点与场景坐标系中心的距离，q表示第二子孔径图像中点目标P的投影点与场景坐标系中心的距离，r表示同一点目标P在两个子孔径图像中对应投影点之间的距离。
在本发明一些示例性实施例中，所述步骤S4中的比例系数为目标实际高度与所述位置偏移量之间的比值，其计算公式为：
Figure GDA0002168904880000046
其中，θ1为第一子孔径的等效入射角参数，θ2为第二子孔径的等效入射角参数，
Figure GDA0002168904880000047
为两个子孔径之间的方位角差。
在本发明一些示例性实施例中，目标实际高度计算公式为：Δh＝k·Δr，其中，Δh为目标实际高度，Δr为位置偏移量，k为比例系数。
在本发明一些示例性实施例中，步骤S6中目标的平面坐标计算公式为：
Figure GDA0002168904880000048
其中，xr和yr分别是目标的X坐标值和Y坐标值，Δh为目标实际高度，(xpj_1，ypj_1)为第一子孔径图像中点目标P的投影点坐标，(xpj_2，ypj_2)为第二子孔径图像中点目标P的投影点坐标。
在本发明一些示例性实施例中，等分辨率原则是指方位向的分辨率各子孔径内相同，依据公式
Figure GDA0002168904880000051
来进行长孔径的划分，其中，λ是SAR系统的工作波长，
Figure GDA0002168904880000052
是各子孔径之间方位向夹角；相干累加子孔径地距图像通过将照射角度内的全部方位内的回波信号采用后向投影算法实现方位向聚焦，获取子孔径复数图像，后向投影算法的公式为：
g(x，y)＝∫s(x，y，θ)exp(j·2KRxy(θ))dθ
其中，s(x，y，θ)是距离向脉冲压缩之后的回波信号，K是波数，且满足
Figure GDA0002168904880000053
Rxy(θ)是SAR平台与像素点(x，y，z)的距离函数。
在本发明一些示例性实施例中，归一化互相关系数计算公式为：
Figure GDA0002168904880000054
其中，和IB分别为待配准图像Ai和B中模板窗口的像素幅度值，
Figure GDA0002168904880000056
和
Figure GDA0002168904880000057
为相应的平均值，ρ∈[-1，+1]，匹配模板窗口大小为(2n+1)×(2n+1)个像素点。
(三)有益效果
(1)本发明利用同一条观测航迹上长孔径内的两个不同角度的子孔径图像来估计场景区域的地形高度充分利用了不同子孔径地距图像之间的差异，工程实现条件简单，具有低成本、普适性强的特点。
(2)本发明中所陈述的场景区域地形高度估计主要是为星载SAR针对重要地物目标长孔径合成精确聚焦服务的，将得到的地形高度设置为成像参考平面高度，得到没有虚假目标的聚焦良好的长孔径SAR图像，这样可以获得目标更加精确且丰富的信息。
附图说明
图1是本发明实施例选定的星载模型下的某一段观测航迹。
图2是本发明实施例将选定航迹段划分成若干子孔径后的示意图。
图3是本发明实施例在两个不同角度形成的星载情况下的观测几何。
图4是本发明实施例区域互相关方法用于图像配准的示意图。
图5是本发明实施例的长孔径星载SAR地形估计方法流程图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明主要依据星载SAR在一条轨道上长孔径内的航迹是弯曲的，这一特点会引起当在两个不同角度(位置)对同一地物在参考高度为零的地距平面上进行成像时其在成像图中的投影(像点)位置发生偏移，而这一偏移量与地物实际高度存在某种定量的关系，值得注意的是，只有在地距图像之间才存在这种偏移，因此利用这一定量关系可以估计地形信息，这里地形信息指的是高度信息。
本发明提供一种长孔径星载SAR地形估计方法，该方法利用同一条航迹上的长孔径内不同角度获得的SAR地距图像之间相同地物目标的投影(像点)位置存在偏移这一事实，结合几何位置关系推导出定量化的公式来求得高度信息，进而通过解方程组求得目标实际位置的另外两维坐标，综合起来即可得到目标的三维位置信息，即得到整个场景区域的地形高度信息。
图5是本发明实施例的长孔径星载SAR地形估计方法流程图，如图5所示，包括步骤如下：
步骤S1：将观测航迹段划分成多个等分的子孔径，并选取其中两个子孔径分别进行成像，得到两幅不同角度的子孔径图像。
假设星载SAR某一段观测航迹如图1所示(以待重点观测的地物为中心的场景坐标系是参考坐标系，已知航迹上每一点的位置坐标(x，y，z)和速度矢量值(vx，vy，vz))。将星载SAR观测航迹段按等分辨率的原则划分成N个等子孔径，接着选取两个子孔径并在参考高度为零的地距平面分别进行相干累加地距成像，得到两幅不同角度的子孔径图像；
步骤S1具体包括以下分步骤：
分步骤S11：将选定的观测航迹段按等分辨率的原则划分成N个等子孔径，划分后的示意图如图2所示。
其中，等分辨率原则具体是指方位向的分辨率各子孔径内要相同，这可以依据公式
Figure GDA0002168904880000071
来进行长孔径的划分。λ是SAR系统的工作波长，
Figure GDA0002168904880000072
是各子孔径之间方位向夹角。
分步骤S12：在划分好的N个子孔径中选取两个子孔径(第一子孔径和第二子孔径)，并设定参考成像平面是高度为零的地距平面，然后分别进行子孔径成像，得到两幅不同角度的相干累加子孔径地距图像(第一子孔径图像和第二子孔径图像)，其中两个不同角度形成的星载情况下的观测几何(以场景中心点目标为例)如图3所示。
其中，相干累加子孔径地距图像通过将照射角度内的全部方位内的回波信号采用后向投影算法(Back-Projection，简称BP)实现方位向聚焦，获取子孔径复数图像，BP成像算法的公式表达如下：
g(x，y)＝∫s(x，y，θ)exp(j·2KRxy(θ))dθ
上式中，s(x，y，θ)是距离向脉冲压缩之后的回波信号，K是波数，且满足Rxy(θ)是SAR平台与像素点(x，y，z)的距离函数。
步骤S2：将所述两幅不同角度的子孔径图像进行图像配准，并获得位置偏移量。
对上一步获得的两个不同角度的子孔径地距图像进行图像配准操作，这里采用基于像素的区域互相关方法，求出位置偏移Δr。区域互相关方法用于图像配准的示意图如图4所示。
步骤S2具体包括以下分步骤：
分步骤S21：选取一个子孔径图像为参考图像，则另一个子孔径图像为待配准图像。
分步骤S22：在参考图像中选定匹配模板窗口，模板窗口大小一般选为(2n+1)×(2n+1)个像素点，具体大小和实施粗配准还是精配准有关，此时待配准的像素点位于模板中心像素位置；然后在待配准图像中选定搜索区域，即模板窗口滑动的区域。
分步骤S23：模板窗口从搜索区域的起始位置开始滑动，在每一个位置计算模板窗口和搜索区域中每个像素点对应部分的归一化互相关系数，在搜索区域滑动遍历完后，互相关系数最大对应的像素点即为与参考图像中待配准像素点的对应位置，进而得到参考图像任意像素点与待配准图像对应像素点的位置偏移，即为Δr。
其中，基于像素的区域互相关配准方法中的互相关系数计算公式如下：
Figure GDA0002168904880000081
Figure GDA0002168904880000082
和IB分别为待配准图像Ai和参考图像B中模板窗口的像素幅度值，
Figure GDA0002168904880000083
和为相应的平均值，ρ∈[-1，+1]。
步骤S3：获取两个子孔径的等效入射角和两个子孔径之间的方位角差。
根据星载SAR模型下的几何关系求出两个不同子孔径处的等效入射角θ1和θ2，以及两个子孔径间的方位角差
Figure GDA0002168904880000085
参数值。
步骤S31：给定场景中心处一个高度不为零的点目标P，主要用于参数的计算，记其坐标为(xp，yp，zp)＝(0，0，h0)。
步骤S32：利用步骤S31中指定的点目标信息求解等效入射角参数θ1和θ2。
其中，求解等效入射角参数θ1和θ2的计算过程如下(以θ1为例，θ2的求解过程与之完全相同)：设第一子孔径中心处SAR平台的坐标为(x1，y1，z1)，该位置处的速度矢量为(vx1，vy1，vz1)，(x0，y0，z0)是过点目标P的零多普勒面与SAR平台速度矢量(或其延长线)的交点坐标，在该第一子孔径地距图像中点目标P的投影点(像点)P1坐标为(xpj_1，ypj_1)，如图3所示，B1是过点目标P的零多普勒面与子孔径一中心处SAR平台速度矢量(或其延长线)的交点，B2是过点目标P的零多普勒面与子孔径二中心处SAR平台速度矢量(或其延长线)的交点；交线一表示子孔径一中心处对应的过点目标P的零多普勒面与场景平面的交线，交线二表示子孔径二中心处对应的过点目标P的零多普勒面与场景平面的交线，记
Figure GDA0002168904880000091
进而记
Figure GDA0002168904880000093
则有
Figure GDA0002168904880000094
又记
Figure GDA0002168904880000095
则有
Figure GDA0002168904880000096
又有
Figure GDA0002168904880000097
所以
Figure GDA0002168904880000098
同理若已知第二子孔径中心处SAR平台的坐标为(x2，y2，z2)和该位置处的速度矢量为(vx2，vy2，vz2)，则按上述过程可求得θ2的值。
步骤S33：利用步骤S31中指定的点目标信息求解子孔径间的方位角差
其中，求解子孔径间方位角差的计算过程如下：
Figure GDA00021689048800000911
是同一目标在两个不同角度的地距图像中两个像点和场景中心连线的夹角，如图3中标识。设第一子孔径图像中点目标P的投影点(像点)坐标为(xpj_1，ypj_1)，第二子孔径图像中点目标P的投影点(像点)坐标为(xpj_2，ypj_2)，记
Figure GDA00021689048800000912
Figure GDA0002168904880000101
Figure GDA0002168904880000102
则
其中，p表示第一子孔径图像中点目标P的投影点(像点)与场景坐标系中心的距离，q表示第二子孔径图像中点目标P的投影点(像点)与场景坐标系中心的距离，r表示同一点目标P在两个子孔径图像中对应投影点(像点)之间的距离。
步骤S4：利用所述等效入射角和方位角差得到当前场景的比例系数。
将从步骤S3得到的参数代入比例系数k的求解公式，求得目标实际高度和成像参考零平面的高度差Δh和Δr之间的比例系数值k，在远场近似条件下，Δh和Δr近似成正比，故整个场景区域都可采用这一比例系数进行高度估计，而不仅仅局限于位于场景中心处的地物目标。
其中，比例系数k的求解公式如下：
步骤S5：利用所述比例系数和位置偏移量得到目标的实际高度。
利用Δh和Δr之间的关系式可以得到Δh的值，则目标的实际高度为Δh，即目标的Z坐标是Δh。
其中，Δh和Δr之间的关系式如下：
Δh＝k·Δr
步骤S6：利用所述目标实际高度和等效入射角得到目标的平面坐标。
利用步骤S5得到的Δh进行目标的完整三维位置信息解算，这一步主要是其前两维X坐标和Y坐标的解算，通过求解二元二次方程组得到。
其中，上文提到的二元二次方程组如下：
Figure GDA0002168904880000105
式中xr和yr分别是X坐标值和Y坐标值。
上述实施例可以看出，本发明利用同一条观测航迹上长孔径内的两个不同角度的子孔径图像来估计场景区域的地形高度充分利用了不同子孔径地距图像之间的差异，工程实现条件简单，具有低成本、普适性强的特点。本发明中所陈述的场景区域地形高度估计主要是为星载SAR针对重要地物目标长孔径合成精确聚焦服务的，将得到的地形高度设置为成像参考平面高度，得到没有虚假目标的聚焦良好的长孔径SAR图像，这样可以获得目标更加精确且丰富的信息。
还需要说明的是，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的步骤。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
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，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 (10)

1.一种长孔径星载SAR地形估计方法，包括：
S1：将观测航迹段划分成多个等分的子孔径，并选取其中两个子孔径分别进行成像，得到两幅不同角度的子孔径图像；
S2：将所述两幅不同角度的子孔径图像进行图像配准，并获得位置偏移量；
S3：获取两个子孔径的等效入射角和两个子孔径之间的方位角差；
S4：利用所述等效入射角和方位角差得到当前场景的比例系数；
S5：利用所述比例系数和位置偏移量得到目标的实际高度。
2.根据权利要求1所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，还包括S6：利用所述目标实际高度和等效入射角得到目标的平面坐标。
3.根据权利要求1或2所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，所述步骤S1包括：
将观测航迹段按等分辨率的原则划分成N个等子孔径；
在所述N个等子孔径中选取两个子孔径，并在参考高度为零的地距平面分别进行相干累加地距成像，得到两幅不同角度的相干累加子孔径地距图像。
4.根据权利要求1或2所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，所述步骤S2进一步包括：
选取其中一个子孔径图像作为参考图像，则另一个子孔径图像为待配准图像；
在参考图像中以待配准像素点为中心选定匹配模板窗口，在待配准图像中选定搜索区域；
匹配模板窗口在搜索区域内滑动，在每一个位置计算匹配模板窗口和搜索区域中每个像素点对应部分的归一化互相关系数；
在搜索区域滑动遍历完后，互相关系数最大值对应的像素点即为与参考图像中待配准像素点的对应位置，进而得到参考图像任意像素点与待配准图像对应像素点的位置偏移量。
5.根据权利要求1或2所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，所述步骤S3进一步包括：
S31：选定场景中心处一个高度不为零的点目标P，记其坐标为(xp，yp，zp)＝(0，0，h0)；
S32：所述两个子孔径分别为第一子孔径和第二子孔径，两幅子孔径图像分别为第一子孔径图像和第二子孔径图像，利用点目标P信息求解第一子孔径的等效入射角参数θ1，其中，设第一子孔径中心处SAR平台的坐标为(x1，y1，z1)，该位置处的速度矢量为(vx1，vy1，vz1)，(x0，y0，z0)是过点目标P的零多普勒面与速度矢量(或其延长线)的交点坐标，在第一子孔径图像中点目标P的投影点坐标为(xpj_1，ypj_1)，记
Figure FDA0002168904870000021
Figure FDA0002168904870000022
进而记
Figure FDA0002168904870000023
则有
Figure FDA0002168904870000024
又记
Figure FDA0002168904870000025
则有
Figure FDA0002168904870000026
又有
Figure FDA0002168904870000027
所以有θ1＝arccos(cosθ1)；
同理，利用点目标P信息求解第二子孔径的等效入射角参数θ2；
S33：利用点目标P信息求解第一子孔径和第二子孔径之间的方位角差
Figure FDA0002168904870000031
其中，第一子孔径图像中点目标P的投影点坐标为(xpj_1，ypj_1)，第二子孔径图像中点目标P的投影点坐标为(xpj_2，ypj_2)，记
Figure FDA0002168904870000032
Figure FDA0002168904870000033
Figure FDA0002168904870000034
则
Figure FDA0002168904870000035
其中，p表示第一子孔径图像中点目标P的投影点与场景坐标系中心的距离，q表示第二子孔径图像中点目标P的投影点与场景坐标系中心的距离，r表示同一点目标P在两个子孔径图像中对应投影点之间的距离。
6.根据权利要求5所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，所述步骤S4中的比例系数为目标实际高度与所述位置偏移量之间的比值，其计算公式为：
Figure FDA0002168904870000036
其中，θ1为第一子孔径的等效入射角参数，θ2为第二子孔径的等效入射角参数，
Figure FDA0002168904870000037
为两个子孔径之间的方位角差。
7.根据权利要求6所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，目标实际高度计算公式为：Δh＝k·Δr，其中，Δh为目标实际高度，Δr为位置偏移量，k为比例系数。
8.根据权利要求7所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，步骤S6中目标的平面坐标计算公式为：
其中，xr和yr分别是目标的X坐标值和Y坐标值，Δh为目标实际高度，(xpj_1，ypj_1)为第一子孔径图像中点目标P的投影点坐标，(xpj_2，ypj_2)为第二子孔径图像中点目标P的投影点坐标。
9.根据权利要求3所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，
等分辨率原则是指方位向的分辨率各子孔径内相同，依据公式
Figure FDA0002168904870000041
来进行长孔径的划分，其中，λ是SAR系统的工作波长，
Figure FDA0002168904870000042
是各子孔径之间方位向夹角；
相干累加子孔径地距图像通过将照射角度内的全部方位内的回波信号采用后向投影算法实现方位向聚焦，获取子孔径复数图像，后向投影算法的公式为：
g(x，y)＝∫s(x，y，θ)exp(j·2KRxy(θ))dθ
其中，s(x，y，θ)是距离向脉冲压缩之后的回波信号，K是波数，且满足
Figure FDA0002168904870000043
Rxy(θ)是SAR平台与像素点(x，y，z)的距离函数。
10.根据权利要求4所述的长孔径星载SAR地形估计方法，其中，归一化互相关系数计算公式为：
其中，
Figure FDA0002168904870000045
和IB分别为待配准图像Ai和B中模板窗口的像素幅度值，
Figure FDA0002168904870000046
和
Figure FDA0002168904870000047
为相应的平均值，ρ∈[-1，+1]，匹配模板窗口大小为(2n+1)×(2n+1)个像素点。
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