CN111127334A - 基于rd平面像素映射的sar图像实时几何校正方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法及系统，包含RD成像平面与地距平面的映射对应和地距像素尺度确定两部分方法。该方法利用SAR雷达成像原理计算原始RD成像平面中的距离采样间隔及方位多普勒采样间隔，计算原始成像结果RD平面像素坐标，进而通过成像几何关系推算出实时SAR成像结果各像素的地距位置坐标。同时在像素地距网格定位过程中，利用地距位置坐标实现了地距像素尺度调整。本发明可应用于实时SAR成像系统中，可实现处理过程简单、实时性较强的图像几何校正、解决了实时机载/弹载SAR场景匹配系统输入图像的几何校正难题。
Description
技术领域
本发明属于遥感、制导领域的图像处理技术领域，尤其涉及一种基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法及系统。
背景技术
对于实时SAR景象匹配系统，其基准图像大多是由星载或机载图像传感器获取的正下方地面目标特征。而由于实时SAR雷达成像平台在大前斜视RD平面的成像原理，导致成像结果较正下视基准测绘图像产生了明显的斜地几何畸变，且由于雷达实时姿态不同导致成像结果像素尺度也有所变化，这两种变化严重制约了SAR景象匹配系统的匹配概率与精度。为了解决上述矛盾，通常采用两种方法：一种是依赖与图像对应的DEM信息，通过成像几何三角函数关系实现图像几何校正；另一种方法是利用点扩展函数旁瓣的非对称特性，构造一种新的二维Sinc插值函数，用于大前斜SAR图像的几何校正。
利用图像对应的DEM信息进行几何校正，使得SAR实时成像系统需要庞大的DEM数据支撑，或利用SAR测高等手段对成像地区进行高精度的测量以获取精准的高程数据。虽然基于DEM的几何校正方法可以精确还原由SAR高度遮掩带来的成像失真，但应用于实时SAR景象匹配系统并不实际。采用类似点扩展原理的像素插值几何校正方法具有不需要DEM信息且精度较高的优点，但运算量较大庞大，对于N×N像素的图像往往需要N2次的二维插值，工程应用中实时性较差。采用基于RD平面像素映射的方法是是解决上述问题的另一种有效途径。通过文献检索，多篇专利文献和非专利文献中对像素映射方法在SAR几何校正中的应用进行了描述。
专利文献(基于薄板样条插值的非线性SAR图像几何校正方法，CN201610948742.6)提出了一种基于薄板样条插值的非线性SAR图像几何校正方法，该种方法无需二维插值及DEM信息，但该种方法需要利用基准图与实时图的特征点匹配算法得到图像的非线性映射关系，实现对实时图的精确几何校正，主要应用于对固定地点测绘成像的雷达系统。专利文献(一种新的星载SAR图像几何校正方法，CN201610300936.5提出了一种星载SAR图像几何校正方法，该算法建立数字高程模型控制点网格，并采用RD模型计算图像位置，采用最小二乘法求解模型参数，最终逐点计算RD平面网络点在地距网格位置完成校正。该方法建立了数字高程模型控制点网格结合RD模型进行像素映射，且该专利中对星载使用场景做出了明确限定，限制了其应用范围。
非专利文献(俯冲弹道前斜视SAR图像几何校正算法研究，刘高高)根据雷达俯冲运动特点，使用高阶逼近模型建立了SAR的回波模型，然后分析俯冲弹道前斜视SAR的几何关系，利用矢量表达式建立了斜距与地距图像的像素关系，但此种利用多项式参数拟合的较真方法多元函数求解复杂度较高，误差较大。非专利文献(未知DEM下的机载SAR图像几何校正方法研究，卜彦龙)提出一种适用于机载环境且无需DEM信息的SAR图像几何校正方法，但提出的几种方案模型均需要不同的先验信息支撑，不可独立完成为对SAR图的几何校正。非专利文献(引入坐标映射原理的弹载SAR图像几何校正算法，叶晓明)提出了针对针载SAR下降段利用采用频谱分析实现RD平面与地平面像素映射的几何校正方法，该方法计算简便但精度严重依赖于平台高度信息，由惯性导航设备提供的平台高度抖动将引起地距校正结果的较大失真。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法及系统，能够对SAR图像的实现高实时性、无需DEM信息的高精度几何校正处理。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：通过距离向采样间隔计算距离向各采样点距离，并通过雷达参数计算各方位向采样点的多普勒频偏；步骤二：计算RD平面图像各距离向采样点距离，利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标；步骤三：利用RD成像平面的各像素相对位置坐标计算当前斜距成像结果幅宽；结合期望校正后的地距网格距离尺度，得到几何校正后的地距图像像素个数；步骤四：RD平面图像左上角像素相对位置坐标同样为地据平面最小像素位置坐标，利用斜距图像各像素位置与地据平面最小像素的对应关系，得到RD平面图像各像素与地据像素的对应关系，再依据对应关系进行像素网格搬移，即完成了SAR图像的几何校正。
上述基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法中，在步骤一中，各方位向采样点的多普勒频偏为
其中nan为方位向采样点数，PRF为雷达发射重频。
上述基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法中，在步骤二中，RD平面图像各距离向采样点距离为
其中fs为距离向采样频率，RS为成像斜距，c为光速，nrn为距离向点数。
上述基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法中，在步骤二中，利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标包括如下步骤：首先通过公式
计算每个采样点与成像中心的相对位置，再通过成像几何关系计算RD成像平面的各像素相对位置坐标
其中fdc为多普勒中心频率，λ为发射波长，vavg为合成孔径期间平均速度。
上述基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法中，在步骤三中，当前斜距成像结果幅宽为：距离向为Wr＝max(Rr)-min(Rr)，方位向为Wa＝max(Ra)-min(Ra)。
上述基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法中，在步骤三中，几何校正后的地距图像像素个数为：距离向nrn_z＝Wr/ΔR个，方位向nan_z＝Wa/ΔA个，其中ΔR与ΔA为期望得到的地距网格像素尺度。
上述基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法中，在步骤四中，RD平面图像各像素与地据像素的对应关系为：地面距离向
地面方位向
一种基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正系统，其特征在于包括：第一模块，用于通过距离向采样间隔计算距离向各采样点距离，并通过雷达参数计算各方位向采样点的多普勒频偏；第二模块，用于计算RD平面图像各距离向采样点距离，利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标；第三模块，用于利用RD成像平面的各像素相对位置坐标计算当前斜距成像结果幅宽；结合期望校正后的地距网格距离尺度，得到几何校正后的地距图像像素个数；第四模块，用于RD平面图像左上角像素相对位置坐标同样为地据平面最小像素位置坐标，利用斜距图像各像素位置与地据平面最小像素的对应关系，得到RD平面图像各像素与地据像素的对应关系，再依据对应关系进行像素网格搬移，即完成了SAR图像的几何校正。
上述基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正系统中，各方位向采样点的多普勒频偏为
其中nan为方位向采样点数，PRF为雷达发射重频。
上述基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正系统中，RD平面图像各距离向采样点距离为
其中fs为距离向采样频率，RS为成像斜距，c为光速，nrn为距离向点数；利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标包括如下步骤：首先通过公式
计算每个采样点与成像中心的相对位置，再通过成像几何关系计算RD成像平面的各像素相对位置坐标
其中fdc为多普勒中心频率，λ为发射波长，vavg为合成孔径期间平均速度；当前斜距成像结果幅宽为：距离向为Wr＝max(Rr)-min(Rr)，方位向为Wa＝max(Ra)-min(Ra)；几何校正后的地距图像像素个数为：距离向nrn_z＝Wr/ΔR个，方位向nan_z＝Wa/ΔA个，其中ΔR与ΔA为期望得到的地距网格像素尺度；RD平面图像各像素与地据像素的对应关系为：地面距离向
地面方位向
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明无须依赖精确的DEM高程数据或平台定位信息即可实现斜距图像转地距；
(2)本发明可在完成斜距成像转地距成像的过程中，可根据景象匹配系统的输入需求，调整地距图像的输出像素个数及尺度；
(3)本发明处理过程简单，无须插值、仿射变换等复杂运算，适用于强实时性需求环境；
(4)本发明可实现SAR图像的实时几何校正，具有较低的位置信息需求及处理复杂度，作为一种场景匹配系统的输入预处理方法，可应用于实时机载及弹载SAR成像平台。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例的SAR图像实时几何校正方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式涉及的大前斜视成像几何关系(俯视)示意图；
图3为本发明具体实施方式涉及的地距网格安放示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明实施例的SAR图像实时几何校正方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤一：通过距离向采样间隔计算距离向各采样点距离，并通过雷达参数计算各方位向采样点的多普勒频偏；
步骤二：计算RD平面图像各距离向采样点距离，利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标；
步骤三：利用RD成像平面的各像素相对位置坐标计算当前斜距成像结果幅宽；结合期望校正后的地距网格距离尺度，得到几何校正后的地距图像像素个数；
步骤四：RD平面图像左上角像素相对位置坐标同样为地据平面最小像素位置坐标，利用斜距图像各像素位置与地据平面最小像素的对应关系，得到RD平面图像各像素与地据像素的对应关系，再依据对应关系进行像素网格搬移，即完成了SAR图像的几何校正。
在步骤一中，各方位向采样点的多普勒频偏为
其中nan为方位向采样点数，PRF为雷达发射重频。
在步骤二中，RD平面图像各距离向采样点距离为
其中fs为距离向采样频率，RS为成像斜距，c为光速，nrn为距离向点数。
利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标包括如下步骤：
首先通过公式
计算每个采样点与成像中心的相对位置，再通过成像几何关系计算RD成像平面的各像素相对位置坐标
其中fdc为多普勒中心频率，λ为发射波长，vavg为合成孔径期间平均速度。
在步骤三中，当前斜距成像结果幅宽为：距离向为Wr＝max(Rr)-min(Rr)，方位向为Wa＝max(Ra)-min(Ra)。
几何校正后的地距图像像素个数为：距离向nrn_z＝Wr/ΔR个，方位向nan_z＝Wa/ΔA个，其中ΔR与ΔA为期望得到的地距网格像素尺度。
在步骤四中，RD平面图像各像素与地据像素的对应关系为：地面距离向
地面方位向
具体的，附图1给出了本发明的具体实施流程。包括获取方位向多普勒域采样点频偏、计算RD平面图像各像素点相对位置坐标、计算原始成像幅宽和地距网格像素安放步骤。
利用公式计算方位向各采样点多普勒频偏
其中nan为方位向采样点数，PRF为雷达发射重频，计算出的多普勒频偏不包含多普勒中心频率，呈中心为0的奇对称分布。
计算RD平面图像各距离向采样点距离
其中fs为距离向采样频率，RS为成像斜距，c为光速，nrn为距离向点数；利用逐个方位向采样的多普勒频偏计算其相对距离坐标，首先通过公式
计算每个采样点与成像中心的相对位置，再通过成像几何关系计算其相对距离坐标
其中fdc为多普勒中心频率，λ为发射波长，vavg为合成孔径期间平均速度。附图2为俯视的大前斜视成像几何关系示意图。
计算RD平面成像幅宽，距离向为Wr＝max(Rr)-min(Rr)，方位向为Wa＝max(Ra)-min(Ra)；再结合期望得到校正后的地距网格距离尺度，计算地距网格数量，距离向nrn_z＝Wr/ΔR个，方位向nan_z＝Wa/ΔA个，其中ΔR与ΔA为期望得到的地距网格像素尺度。
RD平面图像左上角像素相对位置坐标同样为地据平面最小像素位置坐标。利用斜距图像各像素位置与地据平面最小像素的对应关系，得到RD平面图像各像素与地据像素的对应关系。任意RD平面像素在地距网格中的对应关系为：地面距离向
地面方位向
依据此对应关系进行像素网格搬移，即完成了SAR图像的几何校正。附图3为地距网格安放示意图。
本实施例还提供了一种基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正系统，包括：第一模块，用于通过距离向采样间隔计算距离向各采样点距离，并通过雷达参数计算各方位向采样点的多普勒频偏；第二模块，用于计算RD平面图像各距离向采样点距离，利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标；第三模块，用于利用RD成像平面的各像素相对位置坐标计算当前斜距成像结果幅宽；结合期望校正后的地距网格距离尺度，得到几何校正后的地距图像像素个数；第四模块，用于RD平面图像左上角像素相对位置坐标同样为地据平面最小像素位置坐标，利用斜距图像各像素位置与地据平面最小像素的对应关系，得到RD平面图像各像素与地据像素的对应关系，再依据对应关系进行像素网格搬移，即完成了SAR图像的几何校正。
上述实施例中，各方位向采样点的多普勒频偏为
其中nan为方位向采样点数，PRF为雷达发射重频。
上述实施例中，RD平面图像各距离向采样点距离为
其中fs为距离向采样频率，RS为成像斜距，c为光速，nrn为距离向点数；
利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标包括如下步骤：
首先通过公式
计算每个采样点与成像中心的相对位置，再通过成像几何关系计算RD成像平面的各像素相对位置坐标
其中fdc为多普勒中心频率，λ为发射波长，vavg为合成孔径期间平均速度；
当前斜距成像结果幅宽为：距离向为Wr＝max(Rr)-min(Rr)，方位向为Wa＝max(Ra)-min(Ra)；
几何校正后的地距图像像素个数为：距离向nrn_z＝Wr/ΔR个，方位向nan_z＝Wa/ΔA个，其中ΔR与ΔA为期望得到的地距网格像素尺度；
RD平面图像各像素与地据像素的对应关系为：地面距离向
地面方位向
本发明所述的SAR图像实时几何校正方法，不仅限于机载SAR雷达成像平台，也可用于弹载末制导雷达平台。
本发明所述的SAR图像实时几何校正方法，对于地距图像像素个数可以选用方法中阐述的计算结果值，也可以设定输出图像尺寸选用小于计算结果值。
本发明所述的SAR图像实时几何校正方法，既可以选取RD平面图像左上角像素作为最小像素，也可指定相对位置坐标作为地距平面最小像素位置坐标。
通过上述技术方案可知，根据本发明的SAR图像实时几何校正方法具有有益的技术效果，包括：无须依赖精确的DEM高程数据或平台定位信息即可实现斜距图像转地距；可在完成斜距成像转地距成像的过程中，可根据景象匹配系统的输入需求，调整地距图像的输出像素个数及尺度；处理过程简单，无须插值、仿射变换等复杂运算，适用于强实时性需求环境。
本发明可实现SAR图像的实时几何校正，具有较低的位置信息需求及处理复杂度，作为一种场景匹配系统的输入预处理方法，可应用于实时机载及弹载SAR成像平台。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：通过距离向采样间隔计算距离向各采样点距离，并通过雷达参数计算各方位向采样点的多普勒频偏；
步骤二：计算RD平面图像各距离向采样点距离，利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标；
步骤三：利用RD成像平面的各像素相对位置坐标计算当前斜距成像结果幅宽；结合期望校正后的地距网格距离尺度，得到几何校正后的地距图像像素个数；
步骤四：RD平面图像左上角像素相对位置坐标同样为地据平面最小像素位置坐标，利用斜距图像各像素位置与地据平面最小像素的对应关系，得到RD平面图像各像素与地据像素的对应关系，再依据对应关系进行像素网格搬移，即完成了SAR图像的几何校正。
2.根据权利要求1所述的基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法，其特征在于：在步骤一中，各方位向采样点的多普勒频偏为
其中nan为方位向采样点数，PRF为雷达发射重频。
3.根据权利要求1所述的基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法，其特征在于：在步骤二中，RD平面图像各距离向采样点距离为
其中fs为距离向采样频率，RS为成像斜距，c为光速，nrn为距离向点数。
4.根据权利要求3所述的基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法，其特征在于：在步骤二中，利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标包括如下步骤：
首先通过公式
计算每个采样点与成像中心的相对位置，再通过成像几何关系计算RD成像平面的各像素相对位置坐标
其中fdc为多普勒中心频率，λ为发射波长，vavg为合成孔径期间平均速度。
5.根据权利要求1所述的基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法，其特征在于：在步骤三中，当前斜距成像结果幅宽为：距离向为Wr＝max(Rr)-min(Rr)，方位向为Wa＝max(Ra)-min(Ra)。
6.根据权利要求5所述的基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法，其特征在于：在步骤三中，几何校正后的地距图像像素个数为：距离向nrn_z＝Wr/ΔR个，方位向nan_z＝Wa/ΔA个，其中ΔR与ΔA为期望得到的地距网格像素尺度。
7.根据权利要求1所述的基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正方法，其特征在于：在步骤四中，RD平面图像各像素与地据像素的对应关系为：地面距离向
地面方位向
8.一种基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正系统，其特征在于包括：
第一模块，用于通过距离向采样间隔计算距离向各采样点距离，并通过雷达参数计算各方位向采样点的多普勒频偏；
第二模块，用于计算RD平面图像各距离向采样点距离，利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标；
第三模块，用于利用RD成像平面的各像素相对位置坐标计算当前斜距成像结果幅宽；结合期望校正后的地距网格距离尺度，得到几何校正后的地距图像像素个数；
第四模块，用于RD平面图像左上角像素相对位置坐标同样为地据平面最小像素位置坐标，利用斜距图像各像素位置与地据平面最小像素的对应关系，得到RD平面图像各像素与地据像素的对应关系，再依据对应关系进行像素网格搬移，即完成了SAR图像的几何校正。
9.根据权利要求8所述的基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正系统，其特征在于：各方位向采样点的多普勒频偏为
其中nan为方位向采样点数，PRF为雷达发射重频。
10.根据权利要求8所述的基于RD平面像素映射的SAR图像实时几何校正系统，其特征在于：RD平面图像各距离向采样点距离为
其中fs为距离向采样频率，RS为成像斜距，c为光速，nrn为距离向点数；
利用逐个方位向采样点的多普勒频偏计算RD成像平面的各像素相对位置坐标包括如下步骤：
首先通过公式
计算每个采样点与成像中心的相对位置，再通过成像几何关系计算RD成像平面的各像素相对位置坐标
其中fdc为多普勒中心频率，λ为发射波长，vavg为合成孔径期间平均速度；
当前斜距成像结果幅宽为：距离向为Wr＝max(Rr)-min(Rr)，方位向为Wa＝max(Ra)-min(Ra)；
几何校正后的地距图像像素个数为：距离向nrn_z＝Wr/ΔR个，方位向nan_z＝Wa/ΔA个，其中ΔR与ΔA为期望得到的地距网格像素尺度；
RD平面图像各像素与地据像素的对应关系为：地面距离向
地面方位向
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2019
- 2019-11-15 CN CN201911121305.7A patent/CN111127334B/zh active Active
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