CN115508833A - 一种gnss bi-sar河流边界探测系统 - Google Patents

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CN115508833A CN202211141265.4A CN202211141265A CN115508833A CN 115508833 A CN115508833 A CN 115508833A CN 202211141265 A CN202211141265 A CN 202211141265A CN 115508833 A CN115508833 A CN 115508833A
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杨鹏瑜
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Abstract

本发明涉及一种GNSS BI‑SAR河流边界探测系统，具体涉及河流边界探测技术领域。所述系统包括：GNSS‑R接收机和上位机；GNSS‑R接收机包括左旋圆极化天线和右旋圆极化天线；上位机包括：获取模块和河流边界确定模块；右旋圆极化天线用于接收导航卫星发射的待探测区域的直射信号；左旋圆极化天线用于接收反射信号；获取模块，用于获取GNSS‑R接收机的位置、直射信号、反射信号和导航卫星的位置；河流边界确定模块，用于根据GNSS‑R接收机的位置、直射信号、反射信号和导航卫星的位置，采用BP算法和OTSU算法确定待探测区域的河流边界。

Description

一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统
技术领域
本发明涉及河流边界探测技术领域，特别是涉及一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统。
背景技术
目前探测河流边界与宽度探测的常用手段有：
1、遥感技术：如流速摄像和甚高频雷达等技术，但该技术仅通过经验关系实现探测，使得探测结果不准确。
2、应用合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)成像和星载雷达高度计等方法进行探测，但该方法采样率低，且受到大气层的影响，分辨率低易受天气情况影响，造成探测的结果不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，可提高河流边界的探测精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，包括：
GNSS-R接收机和与所述GNSS-R接收机连接的上位机；
所述GNSS-R接收机包括左旋圆极化天线和右旋圆极化天线；所述上位机包括：获取模块和河流边界确定模块；
所述右旋圆极化天线用于接收导航卫星发射的待探测区域的直射信号；
所述左旋圆极化天线用于接收经各点反射的所述导航卫星的反射信号，一个点对应一个反射信号；所述点位于所述待探测区域内；
所述获取模块，用于获取所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置；
所述河流边界确定模块，用于根据所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置，采用BP算法和OTSU算法确定所述待探测区域的河流边界。
可选的，所述河流边界确定模块，具体包括：
SAR图像确定子模块，用于根据所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置，采用BP算法得到所述待探测区域的SAR图像；
像素值确定子模块，用于利用OTSU算法对所述待探测区域的SAR图像进行二值化处理得到所述待探测区域中河流的像素点；
河流边界确定子模块，用于根据所述待探测区域中河流的像素点确定所述所述待探测区域的河流边界。
可选的，所述SAR图像确定子模块包括：
回波信号确定单元，用于将所述待探测区域内所有点反射的导航卫星的反射信号进行叠加得到回波信号；
距离向脉冲压缩结果确定单元，用于对所述回波信号进行匹配滤波处理得到距离向脉冲压缩结果；
高阶相位残差补偿项确定单元，用于基于所述距离向脉冲压缩结果和所述直射信号得到高阶相位残差补偿项；
成像区域确定单元，用于根据所述左旋圆极化天线和所述右旋圆极化天线得到成像区域；
时延计算单元，用于根据所述成像区域、所述GNSS-R接收机的位置和所述导航卫星的位置确定所述成像区域内各像素点的时延；
SAR图像确定单元，用于基于所述高阶相位残差补偿项对各像素点的时延依次进行相位补偿、相干累加和方位向匹配滤波得到所述待探测区域的SAR图像。
可选的，所述成像区域确定单元，具体包括：
覆盖区域确定子单元，用于确定所述左旋圆极化天线和所述右旋圆极化天线的覆盖区域；
成像区域确定子单元，用于根据所述覆盖区域确定成像区域。
可选的，所述高阶相位残差补偿项确定单元，具体包括：
峰值点的相位信息确定子单元，用于基于所述距离向脉冲压缩结果提取峰值点的相位信息；
高阶相位残差补偿项确定子单元，用于根据直射信号的相位信息与峰值点的相位信息得到高阶相位残差补偿项。
可选的，所述SAR图像确定单元，具体包括：
补偿子单元，用于采用所述高阶相位残差补偿项对各像素点的时延进行相位补偿得到各像素点补偿后的时延；
SAR图像确定子单元，用于对各像素点补偿后的时延依次进行相干累加和方位向匹配滤波得到所述待探测区域的SAR图像。
可选的，所述像素值确定子模块，具体包括：
归一化直方图确定单元，用于计算所述SAR图像的归一化直方图；
OTSU阈值确定单元，用于根据所述归一化直方图得到OTSU阈值；
二值化单元，用于对所述SAR图像进行二值化处理得到二值化图像；
河流边界确定单元，用于将所述二值化图像中像素值小于所述OTSU阈值的像素确定为河流得到所述待探测区域的河流边界。
可选的，所述距离向脉冲压缩结果确定单元，具体包括：
距离向脉冲压缩结果确定子单元，用于对所述回波信号依次进行脉冲内多普勒调制消除、导航数据码调制消除、干扰相位误差消除得到距离向脉冲压缩结果。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明将GNSS反射信号成像技术用于河流边界探测，利用BP算法得到待探测流域的SAR图像，根据陆地与河流在SAR图像中的差异，实现河流边界探测，检测精度高，算法复杂度低。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的GNSS BI-SAR河流边界探测系统的组成示意图；
图2为GNSS-R接收机的工作示意图；
图3为本发明实施例提供的GNSS BI-SAR河流边界探测系统中上位机的工作流程图；
图4为本发明实施例提供的BP算法流程图。
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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
利用GNSS反射信号进行海洋遥感是卫星遥感技术的新型技术之一，具有信源多，探测范围广，重量轻，扩频处理，应用面宽等优势。GNSS-R(Global Navigation Satellitesystem-Reflected)技术通过采用岸基、机载以及空载的特殊接受设备接受GNSS直射信号和以及经反射面散射的回波信号，对直射信号和反射信号进行处理来反演目标物的特性。
合成孔径雷达是一种微波成像雷达，该技术具有全天时、全天候观测能力。其发射电磁波信号并接收观测区域的反、散射回波信号，通过二维匹配滤波信号处理获得观测区域的二维图像。以导航卫星信号为机会源的无源双站SAR具有资源丰富、隐蔽性强等特点，全球卫星导航系统(GNSS)发射的导航信号位于适合微波遥感的L波段。无源双站SAR系统兼具两者优势的同时具有灵活的双站构型。目前在军事对地观测和民用遥感领域有了广泛的应用。
基于此，本发明实施例提供了一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，如图1所示，包括：
GNSS-R接收机和与所述GNSS-R接收机连接的上位机。所述GNSS-R接收机包括左旋圆极化天线LHCP和右旋圆极化天线RHCP；所述上位机包括：获取模块和河流边界确定模块。如图2所示，所述右旋圆极化天线RHCP用于接收导航卫星发射的待探测区域的直射信号。所述左旋圆极化天线LHCP用于接收经各点反射的所述导航卫星的反射信号，一个点对应一个反射信号；所述点位于所述待探测区域内。所述获取模块，用于获取所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置。所述河流边界确定模块，用于根据所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置，采用BP算法和OTSU算法确定所述待探测区域的河流边界。
在实际应用中，所述河流边界确定模块，具体包括：
SAR图像确定子模块，用于根据所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置，采用BP算法得到所述待探测区域的SAR图像；
像素值确定子模块，用于利用OTSU算法对所述待探测区域的SAR图像进行二值化处理得到所述待探测区域中河流的像素点；
河流边界确定子模块，用于根据所述待探测区域中河流的像素点确定所述所述待探测区域的河流边界。
在实际应用中，所述SAR图像确定子模块包括：
回波信号确定单元，用于将所述待探测区域内所有点反射的导航卫星的反射信号进行叠加得到回波信号；
距离向脉冲压缩结果确定单元，用于对所述回波信号进行匹配滤波处理得到距离向脉冲压缩结果；
高阶相位残差补偿项确定单元，用于基于所述距离向脉冲压缩结果和所述直射信号得到高阶相位残差补偿项；
成像区域确定单元，用于根据所述左旋圆极化天线LHCP和所述右旋圆极化天线RHCP得到成像区域；
时延计算单元，用于根据所述成像区域、所述GNSS-R接收机的位置和所述导航卫星的位置确定所述成像区域内各像素点的时延；
SAR图像确定单元，用于基于所述高阶相位残差补偿项对各像素点的时延依次进行相位补偿、相干累加和方位向匹配滤波得到所述待探测区域的SAR图像。
在实际应用中，所述成像区域确定单元，具体包括：
覆盖区域确定子单元，用于确定所述左旋圆极化天线LHCP和所述右旋圆极化天线RHCP的覆盖区域；
成像区域确定子单元，用于根据所述覆盖区域确定成像区域。
在实际应用中，所述高阶相位残差补偿项确定单元，具体包括：
峰值点的相位信息确定子单元，用于基于所述距离向脉冲压缩结果提取峰值点的相位信息；
高阶相位残差补偿项确定子单元，用于根据直射信号的相位信息与峰值点的相位信息得到高阶相位残差补偿项。
在实际应用中，所述SAR图像确定单元，具体包括：
补偿子单元，用于采用所述高阶相位残差补偿项对各像素点的时延进行相位补偿得到各像素点补偿后的时延；
SAR图像确定子单元，用于对各像素点补偿后的时延依次进行相干累加和方位向匹配滤波得到所述待探测区域的SAR图像。
在实际应用中，所述像素值确定子模块，具体包括：
归一化直方图确定单元，用于计算所述SAR图像的归一化直方图；
OTSU阈值确定单元，用于根据所述归一化直方图得到OTSU阈值；
二值化单元，用于对所述SAR图像进行二值化处理得到二值化图像；
河流边界确定单元，用于将所述二值化图像中像素值小于所述OTSU阈值的像素确定为河流得到所述待探测区域的河流边界。
在实际应用中，所述距离向脉冲压缩结果确定单元，具体包括：
距离向脉冲压缩结果确定子单元，用于对所述回波信号依次进行脉冲内多普勒调制消除、导航数据码调制消除、干扰相位误差消除得到距离向脉冲压缩结果。
本发明实施例可以根据内陆水域的SAR图像探测陆地与河流的边界，以全球卫星导航系统为信号源，利用双站SAR系统对待测区域进行成像，通过比较陆地与河流在SAR图像中的差异，实现对陆地与河流的边界区分，并根据河流所在像素块的大小和位置来确定探测区域内河流的宽度。
本发明实施例提供了一种更加具体的GNSS BI-SAR河流边界探测系统中上位机进行处理的步骤，如图3所示：
第一步：接收GNSS直射信号与反射信号。
第二步：建立成像区域几何模型。根据GNSS反射信号接收机的位置信息(左旋圆极化天线的坐标位置)，对成像区域(待探测区域)进行几何建模得到成像区域几何模型。
第三步：BP算法成像。
BP算法的计算过程为：假定待探测区域内的点集为(xi,yj),则区域内任意一点的反射信号可以表示为：
Figure BDA0003853640960000071
t为方位向时间，也称作慢时间；η为距离向时间，也称为快时间；Rij(η)表示像素点(xi,yj)对应的斜距，c为光速而接收机收到的回波信号为探测区内所有点的反射信号的叠加。
Figure BDA0003853640960000072
将不同方位采样时刻的结果进行累加得到最终的SAR图像。
f(xi,yi)＝∫∫sr(t,η)·s*[t-tij(η)]dtdη (3)
式中s*[t-tij(η)]为点(xi,yi)的匹配滤波器，该点的成像结果，就是回波信号与该点的匹配滤波器卷积的结果。
参见图4，BP算法成像的具体步骤如下：
步骤1：距离向压缩：
1)同步处理与匹配滤波
直达信号与反射信号进行同步处理后进行匹配滤波，BP算法的距离向压缩是通过构建距离向匹配滤波器实现的，其时域的表现形式为本地生成的参考信号h(t)，以h(t)作为匹配滤波器与回波信号在时域进行卷积完成匹配滤波，利用FFT转换至频域提取回波信号的时延与相位信息。
2)导航数据码调制消除
回波信号中携带了多普勒调制项、导航数据码相位及干扰相位产生的误差，先后进行脉冲内多普勒调制消除、导航数据码调制消除以提升距离向和方位向的聚焦精度，得到的距离向脉冲压缩结果。
步骤2后向投影：
3)干扰相位误差消除
基于去多普勒调制和去导航数据码调制后的距离向压缩结果提取相关峰值点的相位信息，通过多项式拟合获取直达信号的相位信息并与提取的峰值点相位作差求解高阶相位残差，生成高阶相位残差补偿项进行相位补偿。
4)后向投影处理
确定圆极化天线覆盖区域，根据天线覆盖区域确定成像区域，依据卫星、接收机和成像区域(成像区域几何模型)的几何关系，计算成像区域内各点时延。
依据成像区域内各点的时延结果，进行相位补偿。多普勒相位补偿后的距离向压缩结果作为该像素点的灰度值，在每个方位向时间生成一幅图像。
5)方位向相干累加
相干累加，进行方位向匹配滤波，通过将合成孔径时间内方位向时刻的图像进行积分，最终输出SAR图像。
第四步：图像分割提取陆河边界。
分析SAR图像，由于陆地的后向散射分量大，河流的后向散射分量少，陆地反射信号比河流的相关功率的高。在岸边进行探测时，生成的SAR图像中会有亮斑，所以利用OTSU算法对图像进行二值化处理，主要包括如下步骤：
1)计算所得SAR图像的归一化直方图。使用pi,i＝0,1,2,...,L-1,表示该直方图的各个分量。
2)计算灰度级为k＝0,1,2,...,L-1的被分类到陆地的概率P1(k)
Figure BDA0003853640960000081
和像素的平均灰度值m(k)
Figure BDA0003853640960000082
3)计算全局灰度均值：
Figure BDA0003853640960000091
4)计算类间方差
Figure BDA0003853640960000092
Figure BDA0003853640960000093
5)使得上式(5)最大的灰度级k就是OTSU阈值k*，对所得SAR图像进行二值化，分离出表示河流的像素点，大于k*的是陆地。
第五步：计算河流宽度。
统计SAR图像中表示河流边界的像素点，划分陆地与河流的边界并计算河流的宽度(以某一像素点为例：选取距离该像素点最近的对向的像素点，两者之间的距离即为河流宽度)。
本发明实施例根据土壤与河流两种介质对电磁波的反射率不同，利用反射信号求得内陆水域的SAR图像，进而在SAR图像中区分土壤与河流，并根据河流所在像素块的大小和位置来确定探测区域内河流的边界与宽度。
本发明的优点在于：
一、本发明将GNSS反射信号成像技术用于河流边界与宽度检测，利用BP算法得到待探测流域的SAR图像，根据陆地与河流在SAR图像中的差异，实现河流边界探测，检测精度高，算法复杂度低。
二、本发明使用的GNSS反射信号SAR成像技术，具有信号资源丰富，全球、全天时、全天候覆盖、探测范围广、成本低的优点。
三、本发明基于BP算法得到待探测流域的SAR图像，不受SAR系统几何构型和接收机模式等限制，成像精度高，算法复杂度低，能够大幅提升河流边界探测的准确率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，其特征在于，包括：
GNSS-R接收机和与所述GNSS-R接收机连接的上位机；
所述GNSS-R接收机包括左旋圆极化天线和右旋圆极化天线；所述上位机包括：获取模块和河流边界确定模块；
所述右旋圆极化天线用于接收导航卫星发射的待探测区域的直射信号；
所述左旋圆极化天线用于接收经各点反射的所述导航卫星的反射信号，一个点对应一个反射信号；所述点位于所述待探测区域内；
所述获取模块，用于获取所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置；
所述河流边界确定模块，用于根据所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置，采用BP算法和OTSU算法确定所述待探测区域的河流边界。
2.根据权利要求1所述的一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，其特征在于，所述河流边界确定模块，具体包括：
SAR图像确定子模块，用于根据所述GNSS-R接收机的位置、所述直射信号、经各点反射的所述导航卫星的反射信号和所述导航卫星的位置，采用BP算法得到所述待探测区域的SAR图像；
像素值确定子模块，用于利用OTSU算法对所述待探测区域的SAR图像进行二值化处理得到所述待探测区域中河流的像素点；
河流边界确定子模块，用于根据所述待探测区域中河流的像素点确定所述所述待探测区域的河流边界。
3.根据权利要求2所述的一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，其特征在于，所述SAR图像确定子模块包括：
回波信号确定单元，用于将所述待探测区域内所有点反射的导航卫星的反射信号进行叠加得到回波信号；
距离向脉冲压缩结果确定单元，用于对所述回波信号进行匹配滤波处理得到距离向脉冲压缩结果；
高阶相位残差补偿项确定单元，用于基于所述距离向脉冲压缩结果和所述直射信号得到高阶相位残差补偿项；
成像区域确定单元，用于根据所述左旋圆极化天线和所述右旋圆极化天线得到成像区域；
时延计算单元，用于根据所述成像区域、所述GNSS-R接收机的位置和所述导航卫星的位置确定所述成像区域内各像素点的时延；
SAR图像确定单元，用于基于所述高阶相位残差补偿项对各像素点的时延依次进行相位补偿、相干累加和方位向匹配滤波得到所述待探测区域的SAR图像。
4.根据权利要求3所述的一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，其特征在于，所述成像区域确定单元，具体包括：
覆盖区域确定子单元，用于确定所述左旋圆极化天线和所述右旋圆极化天线的覆盖区域；
成像区域确定子单元，用于根据所述覆盖区域确定成像区域。
5.根据权利要求3所述的一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，其特征在于，所述高阶相位残差补偿项确定单元，具体包括：
峰值点的相位信息确定子单元，用于基于所述距离向脉冲压缩结果提取峰值点的相位信息；
高阶相位残差补偿项确定子单元，用于根据直射信号的相位信息与峰值点的相位信息得到高阶相位残差补偿项。
6.根据权利要求3所述的一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，其特征在于，所述SAR图像确定单元，具体包括：
补偿子单元，用于采用所述高阶相位残差补偿项对各像素点的时延进行相位补偿得到各像素点补偿后的时延；
SAR图像确定子单元，用于对各像素点补偿后的时延依次进行相干累加和方位向匹配滤波得到所述待探测区域的SAR图像。
7.根据权利要求2所述的一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，其特征在于，所述像素值确定子模块，具体包括：
归一化直方图确定单元，用于计算所述SAR图像的归一化直方图；
OTSU阈值确定单元，用于根据所述归一化直方图得到OTSU阈值；
二值化单元，用于对所述SAR图像进行二值化处理得到二值化图像；
河流边界确定单元，用于将所述二值化图像中像素值小于所述OTSU阈值的像素确定为河流得到所述待探测区域的河流边界。
8.根据权利要求3所述的一种GNSS BI-SAR河流边界探测系统，其特征在于，所述距离向脉冲压缩结果确定单元，具体包括：
距离向脉冲压缩结果确定子单元，用于对所述回波信号依次进行脉冲内多普勒调制消除、导航数据码调制消除、干扰相位误差消除得到距离向脉冲压缩结果。
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