CN113030968B - 基于csar模式提取dem的方法、装置及存储介质 - Google Patents

基于csar模式提取dem的方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN113030968B CN202110271429.4A CN202110271429A CN113030968B CN 113030968 B CN113030968 B CN 113030968B CN 202110271429 A CN202110271429 A CN 202110271429A CN 113030968 B CN113030968 B CN 113030968B
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Abstract

本申请涉及一种基于CSAR模式提取DEM的方法、装置及存储介质。所述方法将非相干处理的CSAR回波按照预定子孔径尺寸进行分割，将得到的多个子孔径数据利用后向投影算法进行成像，将得到子孔径图像进行高度向投影，得到子孔径图像组；按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，根据得到的相关系数与高度的对应关系确定估计高程；按照子孔径的相关计算原则遍历整个圆周子孔径，将所有估计高程进行融合，得到全目标区域的DEM信息。该方法涉及的主要计算是相邻两个子孔径图像之间的相关性计算，大幅度提高算法效率和数字高程信息精准度，并且可给出场景的立体化视图，视觉效果更为直观。

Description

基于CSAR模式提取DEM的方法、装置及存储介质
技术领域
本申请涉及雷达图像处理技术领域，特别是涉及一种基于CSAR模式提取DEM的方法、装置及存储介质。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像技术作为一种重要的高分辨率对地观测技术手段，与光学雷达相比，具有全天时全天候的特点，近年来得到了迅速发展和广泛关注。而圆迹合成孔径雷达(circular SAR，CSAR)作为一种新体制SAR模式，与以往传统直线轨迹SAR(LSAR)模式相比，CSAR成像围绕观测场景形成360°合成孔径，具有高平面分辨率、三维重建能力和360°全方位观测能力。
20世纪90年代，CSAR成像探测的概念被首次提出，因其独特优势，迅速成为国内外研究的热点。该时期，研究人员以CSAR的成像机理研究为主，结果表明，CSAR成像模式理论上具有亚波长级高分辨能力及三维成像能力。
目前，现有的对观测场景三维成像在激光等可见光领域已经比较成熟，并在军用、民用领域得到了广泛关注。相比之下，雷达三维成像技术研究仍处于初级阶段，如何获得高质量雷达三维图像仍是人们研究的热点之一。近年来，有学者借鉴多基线直线SAR三维成像思想，开展基于多基线CSAR的观测区域全景三维成像技术研究。与多基线直线SAR有限角度范围内的三维成像相比，多基线CSAR能够实现对观测场景的全方位高精度三维成像，因此有助于实现更高精度的目标分类识别，以及获取更为全面、高精度的地物信息。此外，与单基线LSAR只能进行二维成像不同，单基线CSAR也可实现观测目标的三维图像重构，从而获得更多维度的成像信息。
在CSAR三维信息获取方面，法国宇航局于2007年采用SETHI机载SAR系统在法国Nimes地区开展了X-波段CSAR试验。基于雷达立体测量技术，通过CSAR图像参数反演获得了场景中竞技场区域的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，但是对于提取DEM的具体方法没有进行详尽的分析。现有的基于CSAR模式提取DEM的方法DEM信息提取精度不高，并且计算量大。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种计算量小并且能够提高数字高程信息提取精确的基于CSAR模式提取DEM的方法、装置及存储介质。
一种基于CSAR模式提取DEM的方法，所述方法包括：
获取非相干处理的CSAR回波。
按照预定的子孔径尺寸将所述CSAR回波分为多个角度相同的子孔径数据。
通过后向投影算法对所述子孔径数据进行处理，得到子孔径图像。
建立三维空间坐标系，所述三维空间坐标系的高度向坐标轴垂直于二维成像平面。
将所述子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组；所述子孔径图像组包括多层高度子孔径图像。
按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；所述相邻的两个子孔径图像组是根据多个角度相同的子孔径数据的位置关系确定的。
根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。
将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。
在其中一个实施例中，建立三维空间坐标系，还包括：
对成像目标和场景实际高程范围进行估测，得到高程范围。
根据所述高程范围建立高度向坐标轴，所述高度向坐标轴和与所述高度向坐标轴垂直的二维成像平面构成三维空间坐标系。
在其中一个实施例中，将所述子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组，还包括：
在所述高程范围内，将等间隔的高度值作为成像高度，将所述子孔径图像按照不同高度在三维空间坐标系中的高度向进行投影，得到多层高度子孔径图像。
根据多层高度子孔径图像，得到高度向的子孔径图像组。
在其中一个实施例中，按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数，还包括：
根据滑动窗口，按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行归一化相关系数计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数。
两个子孔径图像之间相关系数计算公式如下：
Figure GDA0003023582610000031
其中，ρ代表相关系数；
IA和IB分别代表相邻的两个子孔径图像A和B中滑块窗口的像素幅度值；所述滑块窗口的大小为(2×K+1)×(2×K+1)个像素点，所述滑块窗口内的中心像素为待估计像素，窗口内周围像素与所述待估计像素处于同一高度；
Figure GDA0003023582610000032
和/>
Figure GDA0003023582610000033
分别代表两个子孔径图像A和B中滑块窗口内像素幅度平均值。
在其中一个实施例中，根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息，还包括：
统计整个圆周子孔径的所有相邻两个子孔径图像组之间的相关系数与高度的关系，得到整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。
在其中一个实施例中，将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息，还包括：
将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息求和取平均，得到全目标区域的DEM信息。
一种基于CSAR模式提取DEM的装置，所述装置包括：
CSAR回波获取模块：用于获取非相干处理的CSAR回波。
子孔径回波序列划分模块：用于按照预定的子孔径尺寸将所述CSAR回波分为多个角度相同的子孔径数据。
子孔径图像高度向投影模块：用于通过后向投影算法对所述子孔径数据进行处理，得到子孔径图像。
子孔径图像相关性计算模块：用于建立三维空间坐标系，所述三维空间坐标系的高度向坐标轴垂直于二维成像平面；将所述子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组；所述子孔径图像组包括多层高度子孔径图像；按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；所述相邻的两个子孔径图像组是根据多个角度相同的子孔径数据的位置关系确定的。
相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息确定模块：用于根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。
全目标区域的DEM信息确定模块：用于将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。
在其中一个实施例中，所述子孔径图像相关性计算模块，还用于对成像目标和场景实际高程范围进行估测，得到高程范围；根据所述高程范围建立高度向坐标轴，所述高度向坐标轴和与所述高度向坐标轴垂直的二维成像平面构成三维空间坐标系。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取非相干处理的CSAR回波。
按照预定的子孔径尺寸将所述CSAR回波分为多个角度相同的子孔径数据。
通过后向投影算法对所述子孔径数据进行处理，得到子孔径图像；
建立三维空间坐标系，所述三维空间坐标系的高度向坐标轴垂直于二维成像平面。
将所述子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组；所述子孔径图像组包括多层高度子孔径图像。
按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；所述相邻的两个子孔径图像组是根据多个角度相同的子孔径数据的位置关系确定的。
根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。
将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取非相干处理的CSAR回波。
按照预定的子孔径尺寸将所述CSAR回波分为多个角度相同的子孔径数据。
通过后向投影算法对所述子孔径数据进行处理，得到子孔径图像；
建立三维空间坐标系，所述三维空间坐标系的高度向坐标轴垂直于二维成像平面。
将所述子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组；所述子孔径图像组包括多层高度子孔径图像。
按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；所述相邻的两个子孔径图像组是根据多个角度相同的子孔径数据的位置关系确定的。
根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。
将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。
上述基于CSAR模式提取DEM的方法、装置及存储介质，所述方法将非相干处理的CSAR回波按照一定的子孔径尺寸进行分割，将得到的多个角度相同的子孔径数据利用后向投影算法进行成像，将得到每一个子孔径图像都进行高度向投影，得到高度向的子孔径图像组；按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，根据得到的相关系数与高度的对应关系确定估计高程；按照子孔径的相关计算原则遍历整个圆周子孔径，将所有的估计高程信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。该方法中涉及的主要计算是相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像之间的相关性计算，大幅度提高算法效率和数字高程信息精准度，并且可以给出场景的立体化视图，视觉效果更为直观。
附图说明
图1为一个实施例中基于CSAR模式提取DEM的方法的流程示意图；
图2为其中一个实施例中CSAR模式成像几何图；
图3为其中一个实施例中基于CSAR模式提取DEM的方法流程示意图；
图4为其中一个实施例中子孔径图像高度向投影示意图；
图5为其中一个实施例中原始回波数据成像结果；
图6为其中一个实施例中原始回波数据成像结果；其中图6(a)为相关法DEM提取俯视图，图6(b)为相关法DEM提取三维图；
图7为一个实施例中基于CSAR模式提取DEM的装置的结构框图；
图8为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于CSAR模式提取DEM的方法，包括以下步骤：
步骤100，获取非相干处理的CSAR回波。
步骤102，按照预定的子孔径尺寸将CSAR回波分为多个角度相同的子孔径数据。
步骤104，通过后向投影算法对子孔径数据进行处理，得到子孔径图像。
对每一个子孔径数据利用后向投影法进行成像，得到多个子孔径图像。
步骤106，建立三维空间坐标系，三维空间坐标系的高度向坐标轴垂直于二维成像平面。
建立三维空间坐标系是为了在后边步骤中对子孔径图像进行空间投影。
步骤108，将子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组；子孔径图像组包括多层高度子孔径图像。
将子孔径按照不同高度进行投影对应至三维空间坐标系中，获得子孔径图像在每一层高度的成像图像，得到高度向的子孔径图像组。
步骤110，按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；
相邻的两个子孔径图像组是根据多个角度相同的子孔径数据的位置关系确定的。
两个子孔径图像组之间的相关系数包括按照高度轴方向计算每一层对应高度子孔径图像间的相关系数。
步骤112，根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。
通过相关性计算相邻两幅子孔径图像的相关系数，统计相关系数与高度的对应关系，得到对应的DEM信息，按照此方法得到整个圆环所有子孔径对应的DEM信息。
步骤114，将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。
上述基于CSAR模式提取DEM的方法中，将非相干处理的CSAR回波按照一定的子孔径尺寸进行分割，将得到的多个角度相同的子孔径数据利用后向投影算法进行成像，将得到的每一个子孔径图像都进行高度向投影，得到高度向的子孔径图像组；按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，根据得到的相关系数与高度的对应关系确定估计高程；按照子孔径的相关计算原则遍历整个圆周子孔径，将所有的估计高程信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。该方法中涉及的主要计算是相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像之间的相关性计算，大幅度提高算法效率和数字高程信息精准度，并且可以给出场景的立体化视图，视觉效果更为直观。
在其中一个实施例中，步骤106还包括：对成像目标和场景实际高程范围进行估测，得到高程范围；根据高程范围建立高度向坐标轴，高度向坐标轴和与高度向坐标轴垂直的二维成像平面构成三维空间坐标系。
在其中一个实施例中，步骤108还包括：在高程范围内，将等间隔的高度值作为成像高度，将子孔径图像按照不同高度在三维空间坐标系中的高度向进行投影，得到多层高度子孔径图像；根据多层高度子孔径图像，得到高度向的子孔径图像组。
在其中一个实施例中，步骤110还包括：根据滑动窗口，按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行归一化相关系数计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；两个子孔径图像之间相关系数计算公式如下：
Figure GDA0003023582610000091
其中，ρ代表相关系数；IA和IB分别代表相邻的两个子孔径图像A和B中滑块窗口的像素幅度值；滑块窗口的大小为(2×K+1)×(2×K+1)个像素点，滑块窗口内的中心像素为待估计像素，窗口内周围像素与待估计像素处于同一高度；
Figure GDA0003023582610000092
和/>
Figure GDA0003023582610000093
分别代表两个子孔径图像A和B中滑块窗口内像素幅度平均值。
在其中一个实施例中，所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。步骤112还包括：统计整个圆周子孔径的所有相邻两个子孔径图像组之间的相关系数与高度的关系，得到整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息。
在其中一个实施例中，步骤114还包括：将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息求和取平均，得到全目标区域的DEM信息。
该方法利用CSAR模式下，子孔径图像间具有一定相关性的特点，合理划分好子孔径大小后，只计算相邻两副子孔径图像的相关性，能够准确地提取出目标区域的三维信息，实现数字高程信息的精确提取。与现有的对场景区域数字高程信息提取方法相比，该方法对数据处理方式更为合理，无需目标分布的先验信息，只需要单圆周的子孔径数据，并选取部分子孔径图像进行计算，在大幅度提高算法效率的同时，所得到的数字高程信息更为精准，并且可以给出场景的立体化视图，视觉效果更为直观。本发明适用于多种波段的雷达信号，所涉及的主要计算为相关性计算，人工参数少，易于实际处理应用；方法中所涉及的运算均为雷达信号处理中的常见运算，高效且易于实现；结果能够呈现目标场景的立体视图，更为直观。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
CSAR子孔径图像序列分析：
对于CSAR模式成像几何，以地面为成像平面，构建空间直角坐标系XYZ。雷达平台在特定高度平面上作圆周运动。根据分辨率要求确定子孔径方位角宽度，然后将360°圆环划分为多个相同宽度的子孔径，通过后向投影算法，对各个子孔径图像数据进行聚焦成像处理，获取CSAR子孔径图像序列。
但是，由于目标所在真实高度的不确定性，目标所在的高度平面与其真实所在的平面存在高度差，这将导致子孔径图像发生几何形变。CSAR成像几何模型如图2所示。子孔径在平面位置与其实际位置的偏移量为：
Figure GDA0003023582610000101
其中：
Figure GDA0003023582610000102
为子孔径A的方位角，θA为子孔径A的下视角，Δh为目标P所在的高度平面与其真实所在的平面存在高度差。
根据子孔径在平面位置与其实际位置的偏移量计算公式可知，子孔径的几何形变与目标的实际高程和成像平面高程差值有关，二者差值越大，子孔径的几何形变越大。同时，雷达平台的下视角θ和方位角
Figure GDA0003023582610000103
也会影响子孔径图像的几何形变。对于目标P在子孔径B上的成像平面相对于其在子孔径A上的位置偏移为：
Figure GDA0003023582610000111
其中，
Figure GDA0003023582610000112
为子孔径B的方位角，/>
Figure GDA0003023582610000113
为子孔径B的下视角，ΔxB为子孔径B在平面位置与其实际位置的水平方向偏移量，ΔyB为相对应的垂直方向偏移量。
根据位置偏移计算公式可知，子孔径图像间的几何形变与子孔径之间的方位夹角有关，子孔径间的方位夹角越大，子孔径之间的几何形变也会越大。同时，子孔径间的相关性也会随着子孔径间方位夹角的增大而降低。
在一个实施例中，基于CSAR模式提取DEM的方法，包括以下步骤：
第一步，子孔径图像序列划分：将回波数据按照一定的子孔径尺寸分割为多个角度相同的子孔径数据，并对每一个子孔径数据利用后向投影算法进行成像，获得多个子孔径图像。
子孔径间的相关性与子孔径间的方位夹角有关，子孔径间的相关性的强弱也会影响提取DEM信息精度的高低。子孔径间的方位夹角越大，子孔径之间的相关性越弱，子孔径之间位置偏移过大，会降低DEM信息提取精度。子孔径间方位角较小时，目标平面位置偏移量对目标高程不敏感，DEM提取精度较低。由此可知，子孔径划分时方位夹角的选取很重要，要考虑子孔径之间的相关性。
第二步，子孔径图像高度向投影：对单个子孔径图像进行高度向投影，获得每一个高度的成像图像，得到高度向的子孔径图像组。
对成像目标和场景实际高程范围进行估测，再根据高程范围建立高度向坐标轴，高度向坐标轴垂直于二维成像平面，构成三维空间坐标系；在高程范围内，等间隔取高度值作为成像高度，将子孔径按照不同高度进行投影对应至三维空间坐标系中。按照此方法将所有子孔径图像进行处理，得到多个子孔径图像组。
第三步，子孔径图像相关性计算：选取相邻的子孔径图像组进行相关计算，得到其相关系数，将相关性最强所对应的高度作为估计高程。
在子孔径序列中，选取两个子孔径图像按照对应成像高度进行归一化互相关，逐一对其余子孔径图像进行相关计算，遍历全部子孔径图像。子孔径图像间相关系数计算公式如下：
Figure GDA0003023582610000121
其中，IA和IB分别为两个子孔径图像A和B中滑块窗口的像素幅度值，
Figure GDA0003023582610000122
和/>
Figure GDA0003023582610000123
分别为滑块窗口内像素幅度平均值，滑块窗口的大小为(2×K+1)×(2×K+1)个像素点。滑块窗口内的中心像素为待估计像素，窗口内周围像素与待估计像素处于同一高度。按照高度方向计算每一层对应高度子孔径图像间的相关系数，统计出相关系数ρ随高度轴的变化，最后选取相关系数ρ最大时所对应的高度值作为该位置的真实高程。
按相邻子孔径图像计算原则遍历整个圆周子孔径图像，得到所有的估计高程信息。
第四步，全方位DEM输出：将所有的估计高程信息求和取平均，得到全目标区域的DEM信息。
将整个圆环所有子孔径对应的DEM信息进行求和取平均，把所有的DEM信息进行融合，得到全方位的DEM。全方位DEM估计的测度函数的计算公式如下：
Figure GDA0003023582610000124
其中ρi为相关系数第i个子孔径图像和第i-1个子孔径图像之间的最大相关系数，M为子孔径图像的个数，J为全方位DEM估计的测度函数。
在一个验证性实施例中，通过实测雷达回波数据对基于CSAR模式提取DEM的方法进行了验证，实验结果证明本方法的有效性。本实施例中采用Ku波段360°全方位CSAR数据，该数据由国防科技大学利用自主研制的Ku波段SAR系统录制。图4是子孔径图像高度向投影示意图，通过将子孔径图像向高度向投影，可以消除CSAR子孔径间几何形变变化对相关性的影响，根据对目标场景精度的需求，对高度向范围进行合理划分。图5是原始回波数据成像结果，方便与数字高程信息提取结果图进行对比。图6(a)是相关法DEM提取俯视图，图6(b)为相关法DEM提取三维图，可以从不同角度对目标区域高程信息提取结果全面的分析。
在一个实施例中，如图7所示，提供了一种基于CSAR模式提取DEM的装置，包括：CSAR回波获取模块、子孔径图像序列划分模块、子孔径图像高度向投影模块、子孔径图像相关性计算模块、相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息确定模块以及全目标区域的DEM信息确定模块，其中：
CSAR回波获取模块，用于获取非相干处理的CSAR回波。
子孔径图像序列划分模块，用于按照预定的子孔径尺寸将CSAR回波分为多个角度相同的子孔径数据。
子孔径图像高度向投影模块，用于通过后向投影算法对子孔径数据进行处理，得到子孔径图像。
子孔径图像相关性计算模块，用于建立三维空间坐标系，三维空间坐标系的高度向坐标轴垂直于二维成像平面；将子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组；子孔径图像组包括多层高度子孔径图像；按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；相邻的两个子孔径图像组是根据多个角度相同的子孔径数据的位置关系确定的。
相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息确定模块，用于根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。
全目标区域的DEM信息确定模块：用于将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。
在其中一个实施例中，子孔径图像相关性计算模块，还用于对成像目标和场景实际高程范围进行估测，得到高程范围；根据高程范围建立高度向坐标轴，高度向坐标轴和与高度向坐标轴垂直的二维成像平面构成三维空间坐标系。
在其中一个实施例中，子孔径图像相关性计算模块，还用于在高程范围内，将等间隔的高度值作为成像高度，将子孔径图像按照不同高度在三维空间坐标系中的高度向进行投影，得到多层高度子孔径图像；根据多层高度子孔径图像，得到高度向的子孔径图像组。
在其中一个实施例中，子孔径图像相关性计算模块，还用于根据滑动窗口，按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行归一化相关系数计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；两个子孔径图像之间相关系数计算公式如下：
Figure GDA0003023582610000141
其中，ρ代表相关系数；IA和IB分别代表相邻的两个子孔径图像A和B中滑块窗口的像素幅度值；滑块窗口的大小为(2×K+1)×(2×K+1)个像素点，滑块窗口内的中心像素为待估计像素，窗口内周围像素与待估计像素处于同一高度；
Figure GDA0003023582610000142
和/>
Figure GDA0003023582610000143
分别代表两个子孔径图像A和B中滑块窗口内像素幅度平均值。
在其中一个实施例中，相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息确定模块，还用于统计整个圆周子孔径的所有相邻两个子孔径图像组之间的相关系数与高度的关系，得到整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值。
在其中一个实施例中，全目标区域的DEM信息确定模块，还用于将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息求和取平均，得到全目标区域的DEM信息。
关于基于CSAR模式提取DEM的装置的具体限定可以参见上文中对于基于CSAR模式提取DEM的方法的限定，在此不再赘述。上述基于CSAR模式提取DEM的装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于CSAR模式提取DEM的方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于CSAR模式提取DEM的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取非相干处理的CSAR回波；
按照预定的子孔径尺寸将所述CSAR回波分为多个角度相同的子孔径数据；
通过后向投影算法对所述子孔径数据进行处理，得到子孔径图像；
建立三维空间坐标系，所述三维空间坐标系的高度向坐标轴垂直于二维成像平面；
将所述子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组；所述子孔径图像组包括多层高度子孔径图像；
按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；所述相邻的两个子孔径图像组是根据多个角度相同的子孔径数据的位置关系确定的；
根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值；
将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立三维空间坐标系，包括：
对成像目标和场景实际高程范围进行估测，得到高程范围；
根据所述高程范围建立高度向坐标轴，所述高度向坐标轴和与所述高度向坐标轴垂直的二维成像平面构成三维空间坐标系。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组，包括：
在所述高程范围内，将等间隔的高度值作为成像高度，将所述子孔径图像按照不同高度在三维空间坐标系中的高度向进行投影，得到多层高度子孔径图像；
根据多层高度子孔径图像，得到高度向的子孔径图像组。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数，包括：
根据滑动窗口，按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度的子孔径图像进行归一化相关系数计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；
两个子孔径图像之间相关系数计算公式如下：
Figure FDA0002974643560000021
其中，ρ代表相关系数；
IA和IB分别代表相邻的两个子孔径图像A和B中滑块窗口的像素幅度值；所述滑块窗口的大小为(2×K+1)×(2×K+1)个像素点，所述滑块窗口内的中心像素为待估计像素，窗口内周围像素与所述待估计像素处于同一高度；
Figure FDA0002974643560000022
和/>
Figure FDA0002974643560000023
分别代表两个子孔径图像A和B中滑块窗口内像素幅度平均值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息，包括：
统计整个圆周子孔径的所有相邻两个子孔径图像组之间的相关系数与高度的关系，得到整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；
按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息，包括：
将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息求和取平均，得到全目标区域的DEM信息。
7.一种基于CSAR模式提取DEM的装置，其特征在于，所述装置包括：
CSAR回波获取模块：用于获取非相干处理的CSAR回波；
子孔径回波序列划分模块：用于按照预定的子孔径尺寸将所述CSAR回波分为多个角度相同的子孔径图像；
子孔径图像高度向投影模块：用于通过后向投影算法对所述子孔径数据进行处理，得到子孔径图像；
子孔径图像相关性计算模块：用于建立三维空间坐标系，所述三维空间坐标系的高度向坐标轴垂直于二维成像平面；将所述子孔径图像在高度向进行投影，得到高度向的子孔径图像组；所述子孔径图像组包括多层高度子孔径图像；按照高度向对相邻的两个子孔径图像组中每一层对应高度子孔径图像进行相关性计算，得到两个子孔径图像组之间每一层对应高度的相关系数；所述相邻的两个子孔径图像组是根据多个角度相同的子孔径数据的位置关系确定的；
相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息确定模块：用于根据两个子孔径图像组之间的相关系数和高度的对应关系，得到相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息；按照相邻性计算原则遍历整个圆周子孔径，得到整个圆周子孔径的DEM信息；所述相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息为相关系数为最大值时所对应的高度值；
全目标区域的DEM信息确定模块：用于将整个圆周子孔径的相邻两个子孔径图像组对应的DEM信息进行融合，得到全目标区域的DEM信息。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述子孔径图像相关性计算模块，还用于对成像目标和场景实际高程范围进行估测，得到高程范围；根据所述高程范围建立高度向坐标轴，所述高度向坐标轴和与所述高度向坐标轴垂直的二维成像平面构成三维空间坐标系。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114442097B (zh) * 2022-04-07 2022-06-24 中国人民解放军国防科技大学 基于时域后向投影的曲线sar立体目标成像方法和装置

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101561504A (zh) * 2008-04-16 2009-10-21 中国科学院电子学研究所 用于圆周合成孔径雷达三维成像的高程向降维处理方法
CN103744081A (zh) * 2014-01-27 2014-04-23 中国科学院电子学研究所 一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法
CN107907881A (zh) * 2017-11-07 2018-04-13 中国科学院电子学研究所 一种长孔径星载sar地形估计方法
CN109270527A (zh) * 2018-06-08 2019-01-25 西安电子科技大学 圆迹sar子孔径图像序列联合相关dem提取方法
CN109856635A (zh) * 2019-02-28 2019-06-07 中国人民解放军国防科技大学 一种csar地面动目标重聚焦成像方法
CN110599400A (zh) * 2019-08-19 2019-12-20 西安理工大学 一种基于epi的光场图像超分辨的方法
CN111190182A (zh) * 2020-01-16 2020-05-22 电子科技大学 一种太赫兹雷达超高分辨成像方法
CN111208512A (zh) * 2020-01-15 2020-05-29 电子科技大学 一种基于视频合成孔径雷达的干涉测量方法
CN112415515A (zh) * 2021-01-22 2021-02-26 南京邮电大学 一种机载圆迹sar对不同高度目标分离的方法
CN112433210A (zh) * 2020-10-26 2021-03-02 国网山西省电力公司电力科学研究院 一种双站前视探地雷达快速时域成像方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2535475B (en) * 2015-02-16 2019-09-18 Canon Kk Optimized plenoptic image encoding

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101561504A (zh) * 2008-04-16 2009-10-21 中国科学院电子学研究所 用于圆周合成孔径雷达三维成像的高程向降维处理方法
CN103744081A (zh) * 2014-01-27 2014-04-23 中国科学院电子学研究所 一种机载圆迹合成孔径雷达高精度三维成像补偿方法
CN107907881A (zh) * 2017-11-07 2018-04-13 中国科学院电子学研究所 一种长孔径星载sar地形估计方法
CN109270527A (zh) * 2018-06-08 2019-01-25 西安电子科技大学 圆迹sar子孔径图像序列联合相关dem提取方法
CN109856635A (zh) * 2019-02-28 2019-06-07 中国人民解放军国防科技大学 一种csar地面动目标重聚焦成像方法
CN110599400A (zh) * 2019-08-19 2019-12-20 西安理工大学 一种基于epi的光场图像超分辨的方法
CN111208512A (zh) * 2020-01-15 2020-05-29 电子科技大学 一种基于视频合成孔径雷达的干涉测量方法
CN111190182A (zh) * 2020-01-16 2020-05-22 电子科技大学 一种太赫兹雷达超高分辨成像方法
CN112433210A (zh) * 2020-10-26 2021-03-02 国网山西省电力公司电力科学研究院 一种双站前视探地雷达快速时域成像方法
CN112415515A (zh) * 2021-01-22 2021-02-26 南京邮电大学 一种机载圆迹sar对不同高度目标分离的方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CSAR Benchmark of Flexible MedusaDock in Affinity Prediction and Nativelike Binding Pose Selection;Praveen Nedumpully-Govindan;《2015 American Chemical Society》;1042-1052 *
Fully Polarimetric High-Resolution 3-D Imaging With Circular SAR at L-Band;Octavio Ponce;《IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING》;第第52卷卷(第第6期期);3074-3090 *
圆迹SAR子孔径图像序列联合相关DEM 提取方法;张金强;《系统工程与电子技术》;1939-1944 *
圆迹SAR模式DEM提取方法;刘婷;林;谭维贤;洪文;王彦平;;中国科学院研究生院学报(第01期);50-55 *
机载圆周SAR成像技术研究;安道祥;《雷达学报》;第第9卷卷(第第2期期);221-242 *

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