CN109946697A - 一种数字高程模型的重建装置及重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字高程模型的重建装置及重建方法，重建装置包括圆弧地基干涉雷达，圆弧地基干涉雷达包括：转动平台和天线单元，所述天线单元包括至少两个天线，所述天线与所述转动平台连接，通过所述转动平台实现所述天线作连续的圆弧运动，所述天线用于信号的同时收发，通过所述天线获取观测目标区域的雷达原始回波并进行合成孔径成像处理，获取成像区域的单视复数图像；所述转动平台的高度是可调的，用于获取不同高度下的观测目标区域的单视复数图像序列，获取不同高度下的干涉图像序列；对获取的多组干涉图像序列进行联合相位解缠绕处理，获取解缠绕后的相位图，通过相位与高程之间的转换完成数字高程模型的精确重建。

Description

一种数字高程模型的重建装置及重建方法

技术领域

本发明涉及雷达研制以及安全监测领域，具体涉及一种数字高程模型的重建装置及重建方法。

背景技术

数字高程模型重建技术是一种高精度复杂的地形测绘技术，对于军事应用、反恐维稳、抗震救灾等领域有着重要的应用。根据其技术原理主要有如下几类：一类是摄影测量技术，通过不同视角下的图像重叠，还原地形的高程信息；第二类是基于激光雷达，通过激光点云实现对被监测区域的三维重建；最后一类是新兴的干涉合成孔径雷达技术，通过不同基线下的SAR图像干涉处理实现，实现地形的三维重建，比较著名的是美国在80年代开展的STRM计划，利用星载SAR实现了全球80％区域的高程测绘。

基于干涉合成孔径雷达技术的数字高程重建一般基于星载或者机载平台，利用地基干涉合成孔径雷达由于其成像区域有限，雷达视角等原因导致其作业效率较低、同时对于复杂跳变、悬崖、陡坡地形的高程重建能力较弱，因此，在目前的地基形变监测系统中形变的三维可视化主要通过激光点云或者测量的高程数据还原地形的高程模型，其时效性差、作业成本高，限制了其大范围应用。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种数字高程模型的重建装置及重建方法。本发明采用圆弧地基合成孔径雷达体制，通过在距离横向进行圆弧连续运动扫描和孔径综合技术获取大范围高分辨率成像结果，通过在高度维建立多个基线实现对复杂地形下的干涉相位解缠绕，有效解决了大范围复杂地形区域(如跳变、悬崖、陡坡地形)数字高程精确高效重建的问题，可以实现区域形变的三维显示，该技术和装置可以广泛应用于形变的地基监测系统中。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种数字高程模型的重建装置，包括圆弧地基干涉雷达，圆弧地基干涉雷达包括：转动平台和天线单元，所述天线单元包括至少两个天线，所述天线与所述转动平台连接，通过所述转动平台实现所述天线作连续的圆弧运动，所述天线用于信号的同时收发，通过所述天线获取观测目标区域的雷达原始回波并进行合成孔径成像处理，获取成像区域的单视复数图像；

所述转动平台的高度是可调的，用于获取不同高度下的观测目标区域的单视复数图像序列，获取不同高度下的干涉图像序列；

对获取的多组干涉图像序列进行联合相位解缠绕处理，获取解缠绕后的相位图，通过相位与高程之间的转换完成数字高程模型的精确重建。

在本发明的某些实施例中，转动平台包括转台和杆臂，杆臂的一端设置在转台上，另一端设置天线，转台的高度可调，并且能够做旋转运动，带动杆臂转动，从而使得天线以转台的旋转中心O为中心，以杆臂的至少部分长度为半径，实现最大3600的圆弧运动。

在本发明的某些实施例中，天线为喇叭天线。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种数字高程模型的重建方法，利用上述的数字高程模型的重建装置，包括以下步骤：

S1、设置初始基线值和雷达参数，调整相应的转台高度，获取观测目标区域的雷达原始回波，对其进行成像处理，得到初始基线下的单视复图像L1；

S2、调整转台高度，更新基线值，采用相同的雷达参数，获取观测目标区域的雷达原始回波，对其进行成像处理，得到该基线下的单视复图像L2；

S3、重复步骤S2，根据观测目标区域地形的复杂程度选取合适的基线个数，获取不同基线下的干涉图像对，进行联合相位解缠绕，得到观测目标区域的数字高程图。

从上述技术方案可以看出，本发明数字高程模型的重建装置及重建方法至少具有以下有益效果：本发明结合新型的圆弧地基干涉雷达技术和多基线干涉技术的优点，有效地解决了地基形变监测应用中的地面大范围复杂地形下的数字高程模型重建问题，极大地扩展了地基干涉雷达的实用性，具有分辨率高、测量范围大、精度高的优点。

附图说明

图1为本发明实施例数字高程模型的重建装置的构成俯视图。

图2为本发明实施例数字高程模型的重建装置的构成侧视图。

图3为本发明实施例数字高程模型的重建方法的多基线干涉处理结果。

图4为本发明实施例实测数据高程重建的结果。

【标记说明】

1-转台；

O-旋转中心；

2-杆臂；

3-喇叭天线；

4-观测目标区域；

A-扫描起始角；

B-扫描终止角。

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。

在本发明的实施例中，提供了一种数字高程模型的重建装置。如图1所示，本发明数字高程模型的重建装置包括圆弧地基干涉雷达，圆弧地基干涉雷达包括：转动平台和天线单元，转动平台用于实现天线的圆弧运动，其包括高精度的转台1和杆臂2，天线单元包括至少两个天线，用于信号的同时收发，在本实施例中采用两个喇叭天线3，杆臂2的一端设置在转台1上，另一端设置喇叭天线3，转台1能够做旋转运动，带动杆臂2转动，从而使得喇叭天线3以转台1的旋转中心O为中心，以杆臂2的至少部分长度为半径，实现最大3600的圆弧移动，称为圆弧运动。

再如图1所示，进行测量时，天线从扫描起始角A旋转到扫描终止角B为一个数据录取周期，在这一数据录取周期内，转台1以恒定的角速度进行连续运动，期间没有步进和驻留，可以极大地缩短扫描周期，而传统的直线导轨采用步进运动的方式，将整个运动行程分为N个位置点，以一定的时间间隔进行位置的移动，其扫描速度慢。

喇叭天线3通过转台1实现大范围的圆弧移动，获取观测目标区域4的雷达原始回波并进行合成孔径成像处理，实现被监测区域大范围、高精度、高分辨率成像处理，获取成像区域的单视复数图像(SLC图像)。

转台1的高度是可调节的，在保证图像间相干性的前提下，通过动态调整转台1的高度，可以获取不同高度(基线)下的观测目标区域4的SLC图像序列，采用其中一幅SLC图像作为基准图像，获取不同高度(基线)下干涉图像序列。

对上述获取的多组干涉图像序列进行联合相位解缠绕处理(是指通过多个不同基线下的干涉图像的相位联合处理)，获取解缠绕后的相位图，通过相位与高程之间的转换完成数字高程模型的精确重建。

传统的地基干涉雷达并不能很好的获取复杂地形(如露天矿区)的数字高程模型，或其获取的模型范围极其有限，不利于干涉形变结果的判读。圆弧地基干涉雷达作为一种创新的地基干涉体制，能够对大范围的复杂地形区域开展高精度的形变监测。同时，结合高精度的转台可以实现自动化的数字高程测量，满足对形变结果可视化分析的需求。

在本实施例中，还提供了一种数字高程模型的重建方法，包括以下步骤：

S1、设置初始基线值和雷达参数，调整相应的转台高度，获取观测目标区域的雷达原始回波，对其进行成像处理，得到初始基线下的单视复图像L1；

S2、调整转台高度，更新基线值，优选采用初始基线长度的质数倍数的基线值，采用相同的雷达参数，获取观测目标区域的雷达原始回波，对其进行成像处理，得到该基线下的单视复图像L2；

S3、重复步骤S2，根据观测目标区域地形的复杂程度选取合适的基线个数，优选3-5个基线，获取不同基线下的干涉图像对，进行联合相位解缠绕，得到观测目标区域的数字高程图。

下面对本发明的数字高程模型的重建过程行示例性说明。在本示例性说明中，采用X波段调频连续波雷达作为信号的收发设备，雷达参数如表1所示：

表1.雷达主要参数

中心频率	9.6GHz	杆臂长度	2.5m
				发射带宽	1000MHz	运动速度	5°/s
PRF	100Hz	场景中心距离	1500m
				距离横向波束宽度	60°	干涉图像对数	4对
方位扫描范围	120°	垂直基线高度	0.2m/0.3m/0.55/0.75m

位于杆臂2的喇叭天线3，通过转台1实现大范围的圆弧移动并进行合成孔径成像处理。为了保证图像初相的一致性，在雷达运行时，通过4次对转台1高度的动态调节(具体值见表1)，如图2所示，获取不同的垂直基线高度(一共4组)下的成像结果，然后采用干涉技术获取干涉图像序列，如图3所示。基于干涉图像序列采用基于图割的方法进行联合相位解缠绕，最后通过相位与高程之间的转换完成高程模型的精确重建，如图4所示。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种数字高程模型的重建装置及重建方法有了清楚的认识。本发明提供了一种高分辨率、大范围、高精度的复杂地形数字高程模型重建装置，通过圆弧连续运动、合成孔径技术、多基线干涉合成孔径雷达技术，对大范围的复杂地形区域实现高精度的数字高程模型重建。

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。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

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 (4)

1.一种数字高程模型的重建装置，其特征在于，包括圆弧地基干涉雷达，圆弧地基干涉雷达包括：转动平台和天线单元，所述天线单元包括至少两个天线，所述天线与所述转动平台连接，通过所述转动平台实现所述天线作连续的圆弧运动，所述天线用于信号的同时收发，通过所述天线获取观测目标区域的雷达原始回波并进行合成孔径成像处理，获取成像区域的单视复数图像；

所述转动平台的高度是可调的，用于获取不同高度下的观测目标区域的单视复数图像序列，获取不同高度下的干涉图像序列；

对获取的多组干涉图像序列进行联合相位解缠绕处理，获取解缠绕后的相位图，通过相位与高程之间的转换完成数字高程模型的精确重建。

2.根据权利要求1所述的数字高程模型的重建装置，其特征在于，所述转动平台包括转台(1)和杆臂(2)，所述杆臂(2)的一端设置在所述转台(1)上，另一端设置所述天线，所述转台(1)的高度可调，并且能够做旋转运动，带动所述杆臂(2)转动，从而使得所述天线以所述转台(1)的旋转中心O为中心，以所述杆臂(2)的至少部分长度为半径，实现最大3600的圆弧运动。

3.根据权利要求1所述的数字高程模型的重建装置，其特征在于，所述天线为喇叭天线(3)。

4.一种数字高程模型的重建方法，其特征在于，利用如权利要求1-3任一项所述的数字高程模型的重建装置，包括以下步骤：

S1、设置初始基线值和雷达参数，调整相应的转台高度，获取观测目标区域的雷达原始回波，对其进行成像处理，得到初始基线下的单视复图像L1；

S2、调整转台高度，更新基线值，采用相同的雷达参数，获取观测目标区域的雷达原始回波，对其进行成像处理，得到该基线下的单视复图像L2；

S3、重复步骤S2，根据观测目标区域地形的复杂程度选取合适的基线个数，获取不同基线下的干涉图像对，进行联合相位解缠绕，得到观测目标区域的数字高程图。