一種干涉圓跡sar高程估計處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種干涉圓跡SAR高程估計方法，包括：步驟1，粗估計出場景DEM；步驟2，在粗估計出的場景DEM的基礎上，對InSAR平臺主、副天線分別獨立進行BP成像，其中采用分子孔徑的方式對主副天線獲取的圓跡SAR數(shù)據(jù)進行BP成像，每n度為一個子孔徑，得到360/n個子孔徑圖像對，n是大于等于1的自然數(shù)；步驟3，對于每個子孔徑圖像對，進行干涉處理；步驟4，將步驟3獲得的各子孔徑圖像對干涉處理估計的場景高程，根據(jù)其干涉系數(shù)的大小，進行加權平均，得到360度觀測下的高程圖；步驟5，將步驟4估計出的高程圖作為步驟2中的參考DEM輸入，重復步驟2到4若干次，直到干涉圖像的干涉系數(shù)不再下降。
【專利說明】—種干涉圓跡SAR高程估計處理方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及高程估計【技術領域】，具體涉及一種干涉圓跡SAR高程估計方法。
【背景技術】
[0002]合成孔徑雷達(SAR)具有全天時全天候，高分辨大區(qū)域成像的能力，已經(jīng)成為軍用和民用的重要工具。考慮到傳統(tǒng)直線SAR模式成像幾何下存在由于迭掩、透視縮短和陰影等SAR影像固有變形現(xiàn)象以及僅能獲取觀測對象在某小范圍方向上的后向散射的問題，為了進一步提高SAR的觀測能力，90年代初，美國學者Knaell等最早提出了圓跡合成孔徑雷達(Circular SAR, CSAR)概念，此后CSAR因其特有的優(yōu)勢得到了廣泛的研究。CSAR模式觀測幾何下，圓跡SAR通過對觀測場景的360°全方位觀測，能夠獲取目標在各方向的散射特征，同時其理論分辨率可以達到亞波長量級，以及具有3維成像能力，大地拓展了現(xiàn)有SAR成像系統(tǒng)的性能和應用領域。
[0003]如何利用圓跡SAR數(shù)據(jù)對場景進行精確重建，是圓跡SAR技術得以廣泛應用的前提條件。有別于傳統(tǒng)直線SAR成像，圓跡SAR成像時需要用到精確的場景DEM數(shù)據(jù)。這是由于，圓跡SAR的多角度成像幾何通常采用正射成像的方法得到不同360°全方位觀測的結果，若成像時所參考DEM數(shù)據(jù)與實際不符，回波在圖像上的體現(xiàn)為朝觀測方向發(fā)生偏移，尤其是對于各向同性的點目標而言，當參考高程不準確時，其在圖像上將形成一個半徑與參考高程的誤差有關的圓環(huán)。因此，圓跡SAR成像時所采用的參考DEM數(shù)據(jù)的精確程度影響著最終的圓跡SAR圖像質量?，F(xiàn)有機載圓跡SAR實驗中，成像時所參考的場景DEM主要通過激光雷達(Lidar)獲取。由于激光雷達成本高、激光穿透性與SAR使用的微波波段不同、平臺飛行高度有限等方面的局限性，僅僅依賴Iidar獲取場景DEM將會影響圓跡SAR技術應用的進一步推廣(尤其是一些需要實時獲取場景圖像的軍事應用)。若能夠直接利用圓跡SAR數(shù)據(jù)本身進行場景高程信息提取，則可以有效實現(xiàn)成像處理的一體化，做到實時成像。在通過CSAR數(shù)據(jù)獲取場景高程信息的研究方面，國內(nèi)外僅對體現(xiàn)圓跡SAR三維分辨能力的立體測量方法進行了相關研究，2007年，法國宇航局利用SETHI機載SAR系統(tǒng)采集的X波段機載圓跡SAR數(shù)據(jù)獲取了法國城區(qū)的全方位觀測DEM。該試驗中DEM的獲取是通過立體測量方法實現(xiàn)，精度達2m。該試驗主要是為了驗證圓跡SAR的三維分辨能力，從而體現(xiàn)360度觀測在城市測繪中的潛力，實際上獲取的高程精度仍不能滿足高分辨率CSAR精確成像需求。
[0004]實際上，通過SAR圖像獲取場景的DEM信息也是SAR的重要應用之一，其獲取方法可以分為兩種，即“合成孔徑雷達干涉測量(InterfeiOmetric SAR, InSAR) ”和“合成孔徑雷達立體測量(Radargrammetry) ”。SAR干涉測量利用雷達圖像的相位信息而SAR立體測量利用其強度(灰度)信息獲取場景DEM數(shù)據(jù)，因而，前者獲取的DEM精度遠高于后者。由于圓跡SAR技術的研究目前還處于實驗初級階段，國內(nèi)外關于干涉圓跡SAR技術僅僅局限于小目標、小場景三維成像方面的研究，鮮有關于干涉圓跡SAR技術獲取場景DEM的研究以及實驗。圓跡SAR由于其全方位觀測能力，可獲得多角度乃至全方位的目標散射特性分布及其最大信噪比SAR回波信號，若利用圓跡SAR的不同子孔徑觀測目標區(qū)域，則得到不同視角方向的場景，其中的某個或某幾個子孔徑具有最大信噪比SAR回波信號。對于干涉SAR而言，信噪比越高，相干系數(shù)越高，從而干涉相位越精確。因此，通過干涉圓跡SAR觀測，可以獲取到目標的最高相位精度，相比于傳統(tǒng)干涉SAR，圓跡干涉SAR方法獲取的DEM將更為精確。因此，有必要針對CSAR數(shù)據(jù)，對理論測高精度可以達到波長量級的干涉SAR方法進行研究。現(xiàn)有關于圓跡干涉SAR的研究主要有小型目標三維成像以及地球表面地形形變估計，根據(jù)目前能夠掌握的研究現(xiàn)狀來看，基于圓跡干涉SAR的場景DEM估計還未開展深入的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明提出了一種干涉圓跡SAR高程估計方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明提出的干涉圓跡SAR高程估計方法，包括步驟:步驟1，粗估計出場景DEM ;步驟2，在粗估計出的場景DEM的基礎上，對InSAR平臺主、副天線分別獨立進行BP成像，其中采用分子孔徑的方式對主副天線獲取的圓跡SAR數(shù)據(jù)進行BP成像，每η度為一個子孔徑，得到360/η個子孔徑圖像對，η是大于等于I的自然數(shù)；步驟3，對于每個子孔徑圖像對，進行干涉處理；步驟4，將步驟3獲得的各子孔徑圖像對干涉處理估計的場景高程，根據(jù)其干涉系數(shù)的大小，進行加權平均，得到360度觀測下的高程圖；步驟5，將步驟4估計出的高程圖作為步驟2中的參考DEM輸入，重復步驟2到4若干次，直到干涉圖像的干涉系數(shù)不再下降。
[0007]相比激光雷達測量成本高、平臺飛行高度有限以及立體測量精度低的缺點，本發(fā)明的方法可以為圓跡SAR成像提供高精度的DEM，從而有效地實現(xiàn)圓跡SAR成像處理的一體化，做到實時的高精度高分辨率圓跡SAR成像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是干涉圓跡SAR幾何模型。
[0009]圖2是干涉圓跡SAR局部幾何關系圖。
[0010]圖3是干涉圓跡SAR高程測量處理流程圖。
【具體實施方式】
[0011]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0012]本發(fā)明提出了一種干涉圓跡SAR高程估計方法。該方法包括的具體步驟如下:
[0013]步驟1，粗估計出場景DEM。在該步驟，可采用立體像對測量的方法粗估計出場景DEM。
[0014]圓跡SAR具有三維成像能力，在進行二維成像時，位于成像參考平面外的目標在不同方位角度觀測時，將投影到成像平面的不同位置，因此可以通過立體像對的方法對場景的高程進行測量(具體參見 Stephan Palm, Helene M.0riot, and Hubert M.Cantalloube.Radargrammetric DEM Extraction Over Urban Area Using Circular SAR Imagery.1EEETRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, 2012，VOL.50，N0.11，pp:4720-4725.)。立體測量方法的高程估計精度與高分辨率圓跡SAR精確成像的所需的高程精度相比略顯粗糖(具體參見 Stephan Palm, Helene M.0riot, and Hubert M.Cantalloube.Radargrammetric DEM Extraction Over Urban Area Using Circular SAR Imagery.1EEETRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, 2012，VOL.50，N0.11:4720-4725.)，但該方法粗估計出的高程可以作為場景初始估計高度，從而可以避免由于成像參考高程與實際高程差距大導致的干涉圖像對像素偏移大于分辨單元以及成像結果散焦現(xiàn)象。
[0015]利用圓跡SAR數(shù)據(jù)進行立體測量法進行DEM估計的過程如下:將360度干涉SAR(Interferometric SAR, INSAR)平臺軌跡圓環(huán)劃分為多段圓弧，對每段圓弧分割為多個子孔徑，利用子孔徑圖像間的相似性，通過相關系數(shù)最大法(參見Tupin F, NicolasJ M.Matching criteria for radargrammetrie Remote and Geoscience InternationalIEEE[C]2002Sensing Symposium(IGARSS).2002, 5:2608-2610.)，在其他子孔徑圖像上尋找與中心圖像匹配的像素點，得到二者的位置偏移，進而提取地面場景的DEM。
[0016]步驟2，在粗估計出的DEM的基礎上，對InSAR平臺主、副天線分別獨立進行BP成像。
[0017]干涉圓跡SAR的幾何模型如圖1所示，兩個雷達天線間的基線長度為b，與水平面的夾角為β。天線I為主天線，天線2為副天線，基線方向始終與雷達平臺的速度方向保持垂直，即本發(fā)明采用交軌干涉模式。雷達平臺在距離地面的高度平面作圓周運動，形成兩條獨立的圓形孔徑。方位角Θ e [0，2 π]，天線I的軌跡半徑為R，高度為H。在本發(fā)明，假設兩天線采用乒乓收發(fā)模式，即輪流自發(fā)自收，每個天線各自發(fā)射Chirp信號，中心頻率為fc,帶寬為Brt,設場景中有一個任意點目標P,為了便于分析假設散射系數(shù)在方位角[Θρε-Δ θ/2, Θρε+Λ Θ/2]范圍內(nèi)保持一致(其中θρ。為目標零多普勒位置對應的方位角，△ Θ為合成孔徑的方位角度)，在其他方向，散射系數(shù)為O。對于機載單航過圓跡干涉SAR而言，由于基線長度有限，兩幅天線視角十分接近，可以假設兩幅天線視角下目標P的散射系數(shù)相同。
[0018]基于時域處理的后向投影(Back Projection, BP)成像算法具有逐點成像的特性，適用于進行圓跡 SAR 成像(Soumekh, M.Synthetic Aperture Radar Signal Processingwith MATLAB Algorithms.Wiley.1999)。BP成像算法首先計算每個散射點到天線位置的距離，然后對距離壓縮后的回波數(shù)據(jù)進行插值，得到各個脈沖對某個散射點所作出的貢獻，最后通過相干累加對該散射點聚焦進而實現(xiàn)高分辨率成像。概括地說，BP成像算法是根據(jù)天線位置到成像區(qū)域中某一像素點的相對位置，取出對應回波信號中的相應時延處的能量，沿孔徑方向疊加起來，使來自該像素點的回波信號為同相，從而信號得到加強，而來自其它點的回波信號則由于相位不同，疊加結果趨于零，因此可認為最終疊加結果即為該像素點的聚焦結果。對整個成像區(qū)域，按照上述過程逐像素點地進行相干疊加處理，即可獲得最終圖像。下面以對天線I獲取的圓跡數(shù)據(jù)成像為例，簡要敘述BP成像的主要實現(xiàn)步驟(Soumekh, M.Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MATLAB Algorithms.Wiley.1999.)。
[0019]首先，對SAR原始回波信號進行距離向匹配濾波處理，如下所示，
[0020]Λ',,, (l,O)=s(l,e)0 P (-/)[0021]其中:?表示時域卷積，*表示復數(shù)共軛，p(t)表示雷達反射信號，s(t，Θ)=p(t-t0)表示SAR原始回波信號，t0表示回波延時，Θ表示天線相位中心方位角，Θ e ( Θ pc- Δ Θ /2, Qpc+Δ Θ /2) ο
[0022]然后，將成像區(qū)域網(wǎng)格化，每個像素所在合成孔徑的數(shù)據(jù)相干累加實現(xiàn)方位向聚焦。對于目標P而言，其成像結果可以表示為
[0023]
【權利要求】
1.一種干涉圓跡SAR高程估計方法，該方法包括: 步驟1，粗估計出場景DEM，作為首次干涉處理時成像采用的參考場景DEM ； 步驟2，在參考場景DEM的基礎上，對InSAR平臺主、副天線分別獨立進行BP成像，其中采用分子孔徑的方式對主副天線獲取的圓跡SAR數(shù)據(jù)進行BP成像，每η度為一個子孔徑，得到360/η個子孔徑復圖像對，η是大于等于I的自然數(shù)； 步驟3，對于每個子孔徑復圖像對，進行干涉處理； 步驟4，將步驟3獲得的各子孔徑復圖像對干涉處理估計的場景DEM，根據(jù)其干涉系數(shù)的大小，進行加權平均，得到360度觀測下的場景DEM ； 步驟5，將步驟4估計出的場景DEM，作為步驟2中的參考場景DEM，重復步驟2到4若干次，直到干涉圖像的干涉系數(shù)不再下降。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I采用立體像對測量法粗估計出場景DEM。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟I進一步包括:將360度雷達平臺軌跡圓環(huán)劃分為多段圓弧，對每段圓弧分割為多個子孔徑，利用子孔徑圖像間的相似性，通過相關系數(shù)最大法，在其他子孔徑圖像上尋找與中心圖像匹配的像素點，得到二者的位置偏移，進而提取地面場景的DEM。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟3進一步包括: 步驟31，將步驟2得到的子孔徑復圖像對進行共軛相乘，得到干涉圖像； 步驟32，去除干涉圖像中干涉系數(shù)低的區(qū)域； 步驟33，對經(jīng)步驟32處理后的干涉圖像進行濾波去噪； 步驟34，在步驟2獲取的復圖像對的基礎上進行基線估計； 步驟35，基于所述基線估計，反演參考地形與真實地形的相對高度信息，然后進行地面位置校正。
【文檔編號】G01S13/90GK104007439SQ201410238847
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權日:2014年5月30日
【發(fā)明者】劉燕, 林赟, 譚維賢, 洪文, 王彥平 申請人:中國科學院電子學研究所