CN111127348A - Sar图像几何校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于雷达成像技术领域，公开了一种SAR图像几何校正方法，包括：利用SAR获取斜距成像并计算斜距成像距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏；然后根据SAR的雷达参数与上述距离向采样间隔和方位向多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标；根据斜距成像的各像素相对位置坐标计算出斜距成像的方位向幅宽和距离向幅宽；根据预定的地距网格像素尺度，及上述斜距成像的方位向幅宽和距离幅宽得出校正后的地距网格数量；及根据斜距图像各像素位置与地距图像最小像素位置的对应关系得出斜距图像各像素与地距图像像素的对应关系，并根据上述对应关系进行像素网格搬移来实现SAR图像的几何校正。
Description
技术领域
本发明涉及雷达成像技术领域，尤其涉及一种SAR图像几何校正方法。
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，但运算量较庞大，对于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。现有技术中的像素映射方法在SAR图像几何校正的应用存在所需样本数据过多，计算过程复杂，误差较大，应用场景受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SAR图像几何校正方法，其旨在解决现有技术中的SAR图像几何校正方法在应用时存在所需样本数据大、计算过程复杂且计算结果误差大的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的方案是一种SAR图像几何校正方法，包括：
利用SAR获取斜距成像；
计算斜距成像距离向采样间隔；
计算斜距成像方位向各采样点的多普勒频偏；
根据SAR的雷达参数，上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标；
根据斜距成像的各像素相对位置坐标计算出斜距成像的方位向幅宽和距离向幅宽；
根据预定的地距网格像素尺度，及上述斜距成像的方位向幅宽和距离幅宽得出校正后的地距网格数量；及
根据斜距图像各像素位置与地距图像最小像素位置的对应关系得出斜距图像各像素与地距图像像素的对应关系，并根据上述对应关系进行像素网格搬移来实现SAR图像的几何校正。
优选地，所述SAR图像几何校正方法不仅可用于机载SAR成像平台，也可用于弹载末制导雷达平台。
优选地，所述根据SAR的雷达参数，上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标的计算依据为：
利用多普勒频偏定义计算方位向各采样点的实时斜视角度，再基于所述实时斜视角度与成像距离的几何关系得出方位向各像素的相对位置坐标。
优选地，所述地距图像像素个数既可选用计算结果值，也可以设定输出图像尺寸选用小于计算结果值。
优选地，所述地距图像最小像素位置坐标的选取还可以根据实际图像场景计算需求，选取指定的相对位置坐标作为地距图像最小像素位置坐标。
优选地，所述计算斜距成像距离向采样间隔及方位向各采样点的多普勒频偏的计算方程如下：
斜距成像距离向采样间隔：
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；
方位向各采样点的多普勒频偏：
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。
优选地，所述根据SAR的雷达参数，上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标包括：
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。
优选地，所述计算出斜距成像的方位向幅宽和距离向幅宽方程的表达式如下：
距离向计算方程表达式：Wr＝max(Rr)-min(Rr)，
方位向计算方程表达式：Wa＝max(Ra)-min(Ra)，
其中，max表示最大值，min表示最小值。
优选地，所述地距网格数量计算方程的表达式如下：
距离向计算方程表达式：nrn_z＝Wr/ΔR，
方位向计算方程表达式：nan_z＝Wa/ΔA，
其中，ΔR与ΔA为预设的地距网格像素尺度。
优选地，所述斜距图像各像素与地距图像像素的对应关系如下：
距离向：
方位向：
本发明通过SAR获取斜距成像，计算斜距成像距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏，然后根据SAR的雷达参数及上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标，再根据斜距成像的各像素相对位置坐标计算出斜距成像的方位向幅宽和距离向幅宽，根据预定的地距网格像素尺度得出校正后的地距网格数量，最后根据斜距图像各像素位置与地距图像最小像素位置的对应关系得出斜距图像各像素与地距图像像素的对应关系，进而根据上述对应关系进行像素网格搬移来实现SAR图像的几何校正。相比现有技术，本发明不依靠精确的DEM搞成数据或平台定位信息即可实现斜距图像转换成地距图像；在转换过程中，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，不仅运算简单且能够运用于实时性要求高的环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的SAR图像几何校正方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的SAR图像几何校正方法一实施例中俯视的大前斜视成像几何关系示意图；
图3是本发明实施例提供的SAR图像几何校正方法一实施例中的地距网格安放示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明实施例提供的SAR图像几何校正方法包括：
步骤S10：利用SAR获取斜距成像；
本实施例中，SAR是英语Synthetic Aperture Radar的缩写，意为合成孔径雷达。SAR是分辨率较高的相干成像雷达系统，它是通过天线给物体发射能量，同时也通过SAR接收能量，全部的能量都通过电子设备记录下来，最后形成图像。其中，合成孔径雷达中的孔径就是天线的长度，SAR系统通过卫星或者飞机的向前运动形成合成孔径，即一个长的天线，只要物体返回的能量能达到孔径发射出的光束宽度内，这个物体就可以形成图像被保存下来。
步骤S20：计算斜距成像距离向采样间隔；
本实施例中，通过以下方程计算斜距成像距离向采样间隔：
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。
步骤S30：计算斜距成像方位向各采样点的多普勒频偏；
本实施例中，通过以下方程计算斜距成像方位向各采样点的多普勒频偏：
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。
步骤S40：根据SAR的雷达参数，上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标；
本实施例中，基于上述步骤得到的斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标，参照图2的几何关系，首先通过公式
计算各像素与成像中心的相对位置，再通过成像几何关系计算各像素相对坐标
其中，fdc为多普勒中心频率，λ为发射波长，vavg为合成孔径期间的平均速度。
步骤S50：根据斜距成像的各像素相对位置坐标计算出斜距成像的方位向幅宽和距离向幅宽；
本实施例中，根据斜距成像的各像素相对位置坐标，计算出斜距成像的方位向幅宽和距离向幅宽的计算方程如下：
距离向计算方程表达式：Wr＝max(Rr)-min(Rr)，
方位向计算方程表达式：Wa＝max(Ra)-min(Ra)，
其中，max表示最大值，min表示最小值。
步骤S60：根据预定的地距网格像素尺度，及上述斜距成像的方位向幅宽和距离幅宽得出校正后的地距网格数量；
本实施例中，根据预定的地距网格像素尺度，及上述计算得出的斜距成像的方位向幅宽和距离幅宽得出校正后的地距网格数量具体计算方程如下：
距离向计算方程表达式：nrn_z＝Wr/ΔR，
方位向计算方程表达式：nan_z＝Wa/ΔA，
其中，ΔR与ΔA为预设的地距网格像素尺度。
步骤S70：根据斜距图像各像素位置与地距图像最小像素位置的对应关系得出斜距图像各像素与地距图像像素的对应关系，并根据上述对应关系进行像素网格搬移来实现SAR图像的几何校正。
本实施例中，由于斜距图像各像素位置同样为地距图像最小像素位置。利用斜距图像像素位置与地距图像最小像素位置的对应关系，得出斜距图像像素与地距图像像素的对应关系。其中，通过以下表达式表示斜距图像各像素在地距图像中的对应关系：
距离向：
方位向：
通过上述对应关系进行地距图像像素网格搬移，实现SAR图像的几何校正，其中，地距网格安放示意图参照图3。
优选地，本发明不仅可用于机载SAR成像平台，也可用于弹载末制导雷达平台。
优选地，根据SAR的雷达参数，上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标的计算依据为：
利用多普勒频偏定义计算方位向各采样点的实时斜视角度，再基于实时斜视角度与成像距离的几何关系得出方位向各像素的相对位置坐标。
优选地，地距图像像素个数既可选用计算结果值，也可以设定输出图像尺寸选用小于计算结果值。
优选地，地距图像最小像素位置坐标的选取还可以根据实际图像场景计算需求，选取指定的相对位置坐标作为地距图像最小像素位置坐标。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种SAR图像几何校正方法，其包括：
利用SAR获取斜距成像；
计算斜距成像距离向采样间隔；
计算斜距成像方位向各采样点的多普勒频偏；
根据SAR的雷达参数，上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标；
根据斜距成像的各像素相对位置坐标计算出斜距成像的方位向幅宽和距离向幅宽；
根据预定的地距网格像素尺度，及上述斜距成像的方位向幅宽和距离幅宽得出校正后的地距网格数量；及
根据斜距图像各像素位置与地距图像最小像素位置的对应关系得出斜距图像各像素与地距图像像素的对应关系，并根据上述对应关系进行像素网格搬移来实现SAR图像的几何校正。
2.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述SAR图像几何校正方法至少可用于机载SAR成像平台和弹载末制导雷达平台。
3.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述根据SAR的雷达参数，上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标的计算依据为：
利用多普勒频偏定义计算方位向各采样点的实时斜视角度，再基于所述实时斜视角度与成像距离的几何关系得出方位向各像素的相对位置坐标。
4.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述地距图像像素个数既可选用计算结果值，也可以设定输出图像尺寸选用小于计算结果值。
5.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述地距图像最小像素位置坐标的选取还可以根据实际图像场景计算需求，选取指定的相对位置坐标作为地距图像最小像素位置坐标。
6.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述计算斜距成像距离向采样间隔及方位向各采样点的多普勒频偏的计算方程如下：
斜距成像距离向采样间隔：
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；
方位向各采样点的多普勒频偏：
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。
7.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述根据SAR的雷达参数，上述斜距成像的距离向采样间隔和方位向各采样点的多普勒频偏计算出斜距成像的各像素相对坐标包括：
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。
8.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述计算出斜距成像的方位向幅宽和距离向幅宽方程的表达式如下：
距离向计算方程表达式：Wr＝max(Rr)-min(Rr)，
方位向计算方程表达式：Wa＝max(Ra)-min(Ra)，
其中，max表示最大值，min表示最小值。
9.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述地距网格数量计算方程的表达式如下：
距离向计算方程表达式：nrn_z＝Wr/ΔR，
方位向计算方程表达式：nan_z＝Wa/ΔA，
其中，ΔR与ΔA为预设的地距网格像素尺度。
10.如权利要求1所述的SAR图像几何校正方法，其特征在于，所述斜距图像各像素与地距图像像素的对应关系如下：
距离向：
方位向：
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