CN114067058B - 多角度sar立体成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的多角度SAR立体成像方法涉及通过数学模型得到多角度的SAR立体成像方法,目的是为了现有多角度SAR立体成像过程需要结合几何关系求解,求解过程不够顺畅,以及在斜视情况下,求解出的目标三维坐标存在大误差的问题,具体步骤如下:步骤一、获得多个角度的SAR回波数据和SAR运动轨迹;步骤二、得到多个不同角度的SAR图像,组成多角度的SAR图像序列;步骤三、构建本质矩阵;以及获取多角度的SAR图像序列中的同名点坐标;步骤四、通过多角度的SAR图像序列中的同名点坐标与本质矩阵构建投影方程,计算目标的三维坐标,进而通过目标的三维坐标对目标进行立体成像。
Description
技术领域
本发明涉及通过数学模型得到多角度的SAR立体成像方法。
背景技术
SAR立体成像是SAR目标探测与地理测量的重要研究方向。经过多年的发展,目前SAR立体成像技术实现主要方法包含:层析SAR三维成像、干涉SAR三维成像、圆迹SAR三维成像、阵列SAR三维成像和多角度SAR三维成像。如今SAR三维成像技术研究重点聚焦在如何减少三维重建需要的基线数目,多角度SAR立体成像技术能够在单次航过中实现目标立体成像,因此多角度SAR立体成像技术备受关注。
目前,多角度SAR立体成像主要实现方法两类:第一类是根据多普勒调频率误差与目标高度的关系式,计算目标高度;第二类是建立多角度SAR几何投影模型,根据目标在不同角度观测下SAR图像中偏移量计算目标高度。上述的方法仅仅建立了几何模型,但是没有分析目标与SAR图像中目标投影点的数学关系式,导致立体成像过程需要结合几何关系求解,求解过程不够顺畅;同时大部分算法都是分析SAR航迹为正侧视情况下多角度SAR图像三维重建问题,在斜视情况下,上述几何投影方法求解出的目标三维坐标存在大误差。
发明内容
本发明的目的是为了现有多角度SAR立体成像过程需要结合几何关系求解,求解过程不够顺畅,以及在斜视情况下,求解出的目标三维坐标存在大误差的问题,提供了一种多角度SAR立体成像方法。
本发明的多角度SAR立体成像方法,具体步骤如下:
步骤一、通过合成孔径雷达SAR在多个角度观测目标,获得多个角度的SAR回波数据和SAR运动轨迹;
步骤二、利用多个角度的SAR回波数据在成像平面上对目标进行成像,得到多个不同角度的SAR图像,组成多角度的SAR图像序列;
步骤三、基于SAR运动轨迹与SAR图像的中心点,构建本质矩阵;
以及根据测度函数对多角度的SAR图像序列进行配准,获取多角度的SAR图像序列中的同名点坐标;
步骤四、通过多角度的SAR图像序列中的同名点坐标与本质矩阵构建投影方程,计算目标的三维坐标,进而通过目标的三维坐标对目标进行立体成像。
进一步地,SAR运动轨迹为直线。
进一步地,步骤二中的成像平面为地距成像平面。
进一步地,步骤三中构建的本质矩阵如下:
E=CrHRT
其中,C为像素点转换矩阵、r为逆旋转变换矩阵、H为基础矩阵、R为旋转矩阵、T为平移矩阵;
且基础矩阵为:
其中,θ为SAR的下视角,O′(x′O,y′O,z′O)为SAR图像的中心点坐标;
为SAR运动轨迹的俯仰角;T(xT,yT,zT)为SAR运动轨迹的相位中心坐标点,其中xT=0;T0(xT0,yT0,zT0)为SAR运动轨迹上除相位中心坐标点外其余的轨迹点;
进一步地,步骤四的具体方法如下:
步骤四一、构建投影方程m=(CrHRT)M=EM;m为多角度的SAR图像序列中的同名点坐标;M为目标坐标点P的矩阵表达式,且M中包含目标的三维坐标;
步骤四二、求解M矩阵,得到目标三维坐标。
进一步地,像素点转换矩阵C通过SAR的图像分辨率获得,且:
其中,ρx为SAR图像沿X轴方向上一个像素的长度,ρy为SAR图像沿Y轴方向上一个像素的长度。
进一步地,平移矩阵用于经SAR运动轨迹运动轨迹相位中心坐标点的X轴坐标平移到原点上方。
进一步地,旋转矩阵用于使SAR运动轨迹的相位中心与目标连线的投影与Y轴重合。
进一步地,逆旋转变换矩阵r为R-1的前三行与前三列构成的矩阵,且用于将SAR图像变换为原坐标系。
进一步地,步骤三中,测度函数为:
其中,Ii与Ij表示多角度的SAR图像序列中待配准两个SAR图像,2K+1为配准框大小,且K>0;μi和μj分别为两个SAR图像待配准区域的均值,所述待配准区域为配准框所框选区域;(xi,yi)和(xj,yj)分别为两个SAR图像中任意坐标点,(x,y)为配准框范围内增量。
本发明的有益效果是:
本发明提出了任意SAR直线运动轨迹下,目标与SAR图像目标点投影关系,构建目标与SAR图像投影的数学模型,给出该数学模型下三维坐标求解方法,并给出了基于本质矩阵的多角度SAR立体成像方法。解决了立体成像过程中对雷达与目标几何关系的需求,将目标三维坐标求解问题转化为数学方程组未知数求解过程;同时也解决了斜视情况下求解的目标三维坐标误差大的问题。
本发明摒弃了几何模型求解三维坐标方法,提出了多角度SAR投影的数学模型,将三维成像问题转化为数学方程求解问题;模型充分考虑了SAR不同的运动轨迹,适用于各类SAR直线运动轨迹下立体成像,包含斜视等情况,确保了模型的适用范围,符合实际需求;
本发明给出了基于该模型的三维成像的求解方法与思路,算法求解复杂度低,三维重构速度快;同时为后续三维成像提供了研究方向,具有开拓性;
本发明充分考虑三维成像过程细节问题,保证了三维成像结果质量。
附图说明
图1为SAR几何投影示意图,即目标点投影到SAR图像的示意图;
图2为SAR坐标系变换示意图;
图3为目标的三维模型。
图4是多个不同角度的SAR图像,即多角度的SAR图像序列;
图5是本发明的立体成像示意图。
具体实施方式
具体实施方式一,本发明的多角度SAR立体成像方法,如图1~图5所示包括,
1、可以采用仿真的方法进行,基于目标的三维模型(图3)与射线追踪法仿真获得多角度的SAR回波数据,并记录SAR的运动轨迹参数、雷达参数和SAR成像参数(包括SAR图像分辨率);
本实施方式中,多角度的SAR回波数据采用仿真获取,回波获取过程包括:目标三维建模、射线追踪、SAR轨迹仿真和目标回波生成;目标三维建模复杂生成仿真目标的三维模型,射线追踪负责估计目标在SAR成像场景中散射点坐标与后向散射系数;SAR轨迹仿真部分采用低轨卫星轨迹,通过卫星的轨道参数生成卫星轨迹,目标回波生成部分利用已知的SAR的运动轨迹与目标散射特性,设置雷达参数,仿真得到目标多角度回波序列,其中雷达发射信号为线性调频信号,雷达载频为10GHz。
2、如图4所示,基于后向投影BP成像算法对多角度的SAR回波数据进行成像,获得多角度的SAR图像序列,BP成像算法包括成像平面选择与图像分辨率选择;
BP成像算法包括成像平面选择与图像分辨率选择,由于在不同观测角下的SAR下视角,成像平面选择在雷达视线平面时,不利于配准;同时在推导基础矩阵时选择的成像平面为地距,所以成像平面选择地距成像平面,在本实施方式中,称地距距离分辨率为距离分辨率;图像分辨率根据SAR成像参数计算,地距距离向分辨力与下视角有关,方位向分辨力与合成孔径大小有关,一般选择图像方位向与距离向的分辨率相同,本实施方式中选择的图像方位向分辨率与距离向分辨率均为0.3米。
3、基于SAR的运动轨迹与SAR图像的中心点计算本质矩阵,本质矩阵包含基础矩阵、旋转矩阵、平移矩阵和像素点转换矩阵;
如图2所示,统一坐标系中,需要将不同角度的SAR轨迹转换到相同的坐标系,使得不同SAR轨迹下,目标的三维坐标相同,保证求解出的目标三维坐标相同,坐标转换需要对SAR轨迹进行平移与旋转。
本质矩阵E计算流程,本质矩阵E计算包括:平移矩阵T、旋转矩阵R、像素点转换矩阵C与基础矩阵H。平移矩阵T使得SAR轨迹相位中心点为坐标原点,平移矩阵为4×4矩阵;旋转矩阵R使得SAR轨迹相位中心与成像中心点向量在地距上投影为坐标Y轴,旋转矩阵为4×4矩阵;像素点转换矩阵C根据SAR图像分辨率获得,像素点转换矩阵为3×3矩阵,反映SAR每个像素点代表的距离;基础矩阵H给出了目标与SAR图像点的投影关系,基础矩阵为3×4矩阵。当SAR图像涉及到旋转时,需要乘以图像旋转矩阵r,图像旋转矩阵为3×3矩阵。根据上述:平移矩阵T、旋转矩阵R、像素点转换矩阵C与基础矩阵H计算出本质矩阵E。
E=CrHRT
该步骤中的本质矩阵将作为下一步求解目标三维坐标中的输入之一。
4、SAR图像配准需要对多角度SAR图像序列配准,选择合适的测度函数,获得同名点坐标。
SAR图像配准包含:SAR主副图像选择和测度函数选择。SAR主副图像对应轨迹的观测角度差异不能太大,否则会使得配准得到的同名点数目少,导致立体成像效果差;同时SAR主副图像对应轨迹的观测角度差异不能太小,否则会使得立体成像分辨力低。不同测度函数选择主要影响配准的精度与速度,在实施例中选择相关系数作为测度函数,给出相关系数计算表达式:
其中Ii与Ij表示待配准图像,μi和μj分别为两图图像的待配准区域的均值,γ为相关系数。在该步骤中获得主副图像之间的同名点坐标,作为下一步求解目标三维坐标中的输入之一。
5、如图5所示,根据多角度的SAR图像序列中的同名点坐标与本质矩阵构建的投影关系,对目标进行立体成像,包含本质矩阵计算、线性方程组构建和目标三维坐标求解;最终获得目标三维坐标,实现立体成像。
目标的三维坐标求解包含:线性方程组构建和奇异值分解。线性方程组构建包含本质矩阵计算与同名点坐标获取,这两部分数据均已经获取;对本质矩阵构建的投影方程m=EM进行变换,构建线性方程组ΑΜ=0,目标三维坐标包含在Μ矩阵中;随后采用奇异值分解法求解Μ矩阵,求解目标三维坐标。
其中,基础矩阵是在SAR的运动轨迹相位中心投影点为坐标系原点,并且相位中心与目标连线的投影与Y轴重合时,目标与SAR图像中目标的投影关系,此条件也为基础矩阵的求解条件。
如图1所示,SAR运动轨迹的相位中心坐标点为T(xT,yT,zT),其中xT=0,SAR轨迹上另其余的轨迹点为T0(xT0,yT0,zT0);SAR下视角为θ,目标坐标点为P(xP,yP,zP),投影到SAR图像点P′(x′P,y′P,z′O),SAR图像中心点坐标为O′(x′O,y′O,z′O)。
基础矩阵表达式为:
其中表示合成孔径雷达航迹的俯仰角。
在正侧视情况下,航迹俯仰角此时基础矩阵形式为:
像素点转换矩阵作用是将目标从坐标系(单位为米)转化为图像像素点(单位为个)中。SAR图像X轴方向上图像一个像素表示ρx米,Y轴方向上图像一个像素表示ρy米。像素点转换矩阵表达式为:
目标坐标点P(xP,yP,zP),写为矩阵形式表达式为:
目标在SAR图像中的坐标矩阵表达式为:
(x',y')表示P'的二维坐标(经过像素点转换矩阵将图像转为像素的点),第三维的1是为了使方位能够写成其次形式而增加的一个维度。
因此,在不考虑多角度的情况下,目标的关系式的数学模型表示为:
m=CHM
而根据本实施方式的基于本质矩阵变换的多角度SAR立体成像方法,
本质矩阵表示在任意的观测角度下,目标在SAR图像中的投影关系。由于不同角度观测下,SAR成像一般都是在独立的坐标系中完成。为了使得相同目标在不同观测下坐标不变,因此需要统一坐标系。
此时,SAR的运动轨迹和目标坐标关系一般都不满足基础矩阵求解条件,因此引入本质矩阵,表示该情况下的目标与投影关系。为了能够使用上述推导的基础矩阵表示投影关系,需要对成像坐标系进行变换,使得变换后的坐标系满足基础矩阵求解条件,该部分用到的基础矩阵是坐标系变换后求解出的。
平移矩阵作用是将不同观测下SAR运动轨迹统一到一个坐标系中;其目的是将运动轨迹相位中心X轴坐标平移到原点上方,平移矩阵大小为
旋转矩阵作用是使轨迹相位中心与目标连线的投影与Y轴重合,旋转矩阵大小为
基础矩阵,SAR的运动轨迹在经过旋转、平移后的坐标系中,已经满足基础矩阵的计算条件,因此可以计算出该轨迹的基础矩阵。
坐标旋转变换后BP成像选择的投影图像区域的坐标也发生了旋转,经过一个逆旋转变换矩阵r后,将SAR图像变换为原坐标系,r为R-1的前三行与前三列构成的矩阵,图像旋转矩阵大小
则本质矩阵表达式:
E=CrHRT
多观测角下投影关系数学表达式为:
m=(CrHRT)M=EM
根据本实施方式的基于本质矩阵变换的多角度SAR立体成像方法,
线性方程组构建,需要根据本质矩阵与投影关系求解目标三维坐标。假设SAR在两个角度观测目标,能够得到两个投影关系(对应两个SAR图像),分别表示为:
m1和m2分别为两个SAR图像中的同名点,指任一目标点在两个SAR图像上的投影点,因此m1和m2也是目标在SAR图像中的点;E1和E2分别为两个投影关系所对应的本质矩阵,其中E11,E12,E13对应于E1的行向量,E21,E22,E23对应于E2的行向量。分别写为线性方程组形式,表示为:
将两个线性方程组合并为一个线性方程组,表示为:
ΑΜ=0
将多角度SAR三维成像问题转化为齐次方程求解问题。在有多幅SAR图像(超过两个)时,只需要在矩阵A中添加相应的行向量。
根据本发明的基于本质矩阵变换的多角度SAR立体成像方法,
目标三维坐标求解,对矩阵A每一行进行归一化处理,得到归一化后的矩阵Anorm。对Anorm进行奇异值分解得到Anorm=USVT,V矩阵的最后一列就是M的值。
图3给出的是目标的三维模型。图4为不同角度下目标的二维成像结果。图5为采用本发明得到的立体成像结果,结果表明本发明中提出的数学模型与算法能够有效的和准确的实现目标三维重建。
Claims (6)
1.多角度SAR立体成像方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤一、通过合成孔径雷达SAR在多个角度观测目标,获得多个角度的SAR回波数据和SAR运动轨迹;
步骤二、利用多个角度的SAR回波数据在成像平面上对目标进行成像,得到多个不同角度的SAR图像,组成多角度的SAR图像序列;
步骤三、基于SAR运动轨迹与SAR图像的中心点,构建本质矩阵;
以及根据测度函数对多角度的SAR图像序列进行配准,获取多角度的SAR图像序列中的同名点坐标;
步骤四、通过多角度的SAR图像序列中的同名点坐标与本质矩阵构建投影方程,计算目标的三维坐标,进而通过目标的三维坐标对目标进行立体成像;
步骤三中构建的本质矩阵如下:
E=CrHRT
其中,C为像素点转换矩阵、r为逆旋转变换矩阵、H为基础矩阵、R为旋转矩阵、T为平移矩阵;
且基础矩阵为:
其中,θ为SAR的下视角,O′(x′O,y′O,z′O)为SAR图像的中心点坐标;
为SAR运动轨迹的俯仰角;T(xT,yT,zT)为SAR运动轨迹的相位中心坐标点,其中xT=0;T0(xT0,yT0,zT0)为SAR运动轨迹上除相位中心坐标点外其余的轨迹点;
步骤三中,测度函数为:
其中,Ii与Ij表示多角度的SAR图像序列中待配准两个SAR图像,2K+1为配准框大小,且K>0;μi和μj分别为两个SAR图像待配准区域的均值,所述待配准区域为配准框所框选区域;(xi,yi)和(xj,yj)分别为两个SAR图像中任意坐标点,(x,y)为配准框范围内增量;
步骤四的具体方法如下:
步骤四一、构建投影方程m=(CrHRT)M=EM;m为多角度的SAR图像序列中的同名点坐标;M为目标坐标点P的矩阵表达式,且M中包含目标的三维坐标;
步骤四二、求解M矩阵,得到目标三维坐标;
像素点转换矩阵C通过SAR的图像分辨率获得,且:
其中,ρx为SAR图像沿X轴方向上一个像素的长度,ρy为SAR图像沿Y轴方向上一个像素的长度。
2.根据权利要求1所述的多角度SAR立体成像方法,其特征在于,SAR运动轨迹为直线。
3.根据权利要求2所述的多角度SAR立体成像方法,其特征在于,步骤二中的成像平面为地距成像平面。
4.根据权利要求1所述的多角度SAR立体成像方法,其特征在于,平移矩阵用于经SAR运动轨迹相位中心坐标点的X轴坐标平移到原点上方。
5.根据权利要求1所述的多角度SAR立体成像方法,其特征在于,旋转矩阵用于使SAR运动轨迹的相位中心与目标连线的投影与Y轴重合。
6.根据权利要求5所述的多角度SAR立体成像方法,其特征在于,逆旋转变换矩阵r为R-1的前三行与前三列构成的矩阵,且用于将SAR图像变换为原坐标系。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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