一种干涉圆迹sar高程估计处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种干涉圆迹SAR高程估计方法，包括：步骤1，粗估计出场景DEM；步骤2，在粗估计出的场景DEM的基础上，对InSAR平台主、副天线分别独立进行BP成像，其中采用分子孔径的方式对主副天线获取的圆迹SAR数据进行BP成像，每n度为一个子孔径，得到360/n个子孔径图像对，n是大于等于1的自然数；步骤3，对于每个子孔径图像对，进行干涉处理；步骤4，将步骤3获得的各子孔径图像对干涉处理估计的场景高程，根据其干涉系数的大小，进行加权平均，得到360度观测下的高程图；步骤5，将步骤4估计出的高程图作为步骤2中的参考DEM输入，重复步骤2到4若干次，直到干涉图像的干涉系数不再下降。
【专利说明】—种干涉圆迹SAR高程估计处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高程估计【技术领域】，具体涉及一种干涉圆迹SAR高程估计方法。
【背景技术】
[0002]合成孔径雷达(SAR)具有全天时全天候，高分辨大区域成像的能力，已经成为军用和民用的重要工具。考虑到传统直线SAR模式成像几何下存在由于迭掩、透视缩短和阴影等SAR影像固有变形现象以及仅能获取观测对象在某小范围方向上的后向散射的问题，为了进一步提高SAR的观测能力，90年代初，美国学者Knaell等最早提出了圆迹合成孔径雷达(Circular SAR, CSAR)概念，此后CSAR因其特有的优势得到了广泛的研究。CSAR模式观测几何下，圆迹SAR通过对观测场景的360°全方位观测，能够获取目标在各方向的散射特征，同时其理论分辨率可以达到亚波长量级，以及具有3维成像能力，大地拓展了现有SAR成像系统的性能和应用领域。
[0003]如何利用圆迹SAR数据对场景进行精确重建，是圆迹SAR技术得以广泛应用的前提条件。有别于传统直线SAR成像，圆迹SAR成像时需要用到精确的场景DEM数据。这是由于，圆迹SAR的多角度成像几何通常采用正射成像的方法得到不同360°全方位观测的结果，若成像时所参考DEM数据与实际不符，回波在图像上的体现为朝观测方向发生偏移，尤其是对于各向同性的点目标而言，当参考高程不准确时，其在图像上将形成一个半径与参考高程的误差有关的圆环。因此，圆迹SAR成像时所采用的参考DEM数据的精确程度影响着最终的圆迹SAR图像质量。现有机载圆迹SAR实验中，成像时所参考的场景DEM主要通过激光雷达(Lidar)获取。由于激光雷达成本高、激光穿透性与SAR使用的微波波段不同、平台飞行高度有限等方面的局限性，仅仅依赖Iidar获取场景DEM将会影响圆迹SAR技术应用的进一步推广(尤其是一些需要实时获取场景图像的军事应用)。若能够直接利用圆迹SAR数据本身进行场景高程信息提取，则可以有效实现成像处理的一体化，做到实时成像。在通过CSAR数据获取场景高程信息的研究方面，国内外仅对体现圆迹SAR三维分辨能力的立体测量方法进行了相关研究，2007年，法国宇航局利用SETHI机载SAR系统采集的X波段机载圆迹SAR数据获取了法国城区的全方位观测DEM。该试验中DEM的获取是通过立体测量方法实现，精度达2m。该试验主要是为了验证圆迹SAR的三维分辨能力，从而体现360度观测在城市测绘中的潜力，实际上获取的高程精度仍不能满足高分辨率CSAR精确成像需求。
[0004]实际上，通过SAR图像获取场景的DEM信息也是SAR的重要应用之一，其获取方法可以分为两种，即“合成孔径雷达干涉测量(InterfeiOmetric SAR, InSAR) ”和“合成孔径雷达立体测量(Radargrammetry) ”。SAR干涉测量利用雷达图像的相位信息而SAR立体测量利用其强度(灰度)信息获取场景DEM数据，因而，前者获取的DEM精度远高于后者。由于圆迹SAR技术的研究目前还处于实验初级阶段，国内外关于干涉圆迹SAR技术仅仅局限于小目标、小场景三维成像方面的研究，鲜有关于干涉圆迹SAR技术获取场景DEM的研究以及实验。圆迹SAR由于其全方位观测能力，可获得多角度乃至全方位的目标散射特性分布及其最大信噪比SAR回波信号，若利用圆迹SAR的不同子孔径观测目标区域，则得到不同视角方向的场景，其中的某个或某几个子孔径具有最大信噪比SAR回波信号。对于干涉SAR而言，信噪比越高，相干系数越高，从而干涉相位越精确。因此，通过干涉圆迹SAR观测，可以获取到目标的最高相位精度，相比于传统干涉SAR，圆迹干涉SAR方法获取的DEM将更为精确。因此，有必要针对CSAR数据，对理论测高精度可以达到波长量级的干涉SAR方法进行研究。现有关于圆迹干涉SAR的研究主要有小型目标三维成像以及地球表面地形形变估计，根据目前能够掌握的研究现状来看，基于圆迹干涉SAR的场景DEM估计还未开展深入的研究。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种干涉圆迹SAR高程估计方法。
[0006]根据本发明提出的干涉圆迹SAR高程估计方法，包括步骤:步骤1，粗估计出场景DEM ;步骤2，在粗估计出的场景DEM的基础上，对InSAR平台主、副天线分别独立进行BP成像，其中采用分子孔径的方式对主副天线获取的圆迹SAR数据进行BP成像，每η度为一个子孔径，得到360/η个子孔径图像对，η是大于等于I的自然数；步骤3，对于每个子孔径图像对，进行干涉处理；步骤4，将步骤3获得的各子孔径图像对干涉处理估计的场景高程，根据其干涉系数的大小，进行加权平均，得到360度观测下的高程图；步骤5，将步骤4估计出的高程图作为步骤2中的参考DEM输入，重复步骤2到4若干次，直到干涉图像的干涉系数不再下降。
[0007]相比激光雷达测量成本高、平台飞行高度有限以及立体测量精度低的缺点，本发明的方法可以为圆迹SAR成像提供高精度的DEM，从而有效地实现圆迹SAR成像处理的一体化，做到实时的高精度高分辨率圆迹SAR成像。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是干涉圆迹SAR几何模型。
[0009]图2是干涉圆迹SAR局部几何关系图。
[0010]图3是干涉圆迹SAR高程测量处理流程图。
【具体实施方式】
[0011]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0012]本发明提出了一种干涉圆迹SAR高程估计方法。该方法包括的具体步骤如下:
[0013]步骤1，粗估计出场景DEM。在该步骤，可采用立体像对测量的方法粗估计出场景DEM。
[0014]圆迹SAR具有三维成像能力，在进行二维成像时，位于成像参考平面外的目标在不同方位角度观测时，将投影到成像平面的不同位置，因此可以通过立体像对的方法对场景的高程进行测量(具体参见 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.)。立体测量方法的高程估计精度与高分辨率圆迹SAR精确成像的所需的高程精度相比略显粗糖(具体参见 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.)，但该方法粗估计出的高程可以作为场景初始估计高度，从而可以避免由于成像参考高程与实际高程差距大导致的干涉图像对像素偏移大于分辨单元以及成像结果散焦现象。
[0015]利用圆迹SAR数据进行立体测量法进行DEM估计的过程如下:将360度干涉SAR(Interferometric SAR, INSAR)平台轨迹圆环划分为多段圆弧，对每段圆弧分割为多个子孔径，利用子孔径图像间的相似性，通过相关系数最大法(参见Tupin F, NicolasJ M.Matching criteria for radargrammetrie Remote and Geoscience InternationalIEEE[C]2002Sensing Symposium(IGARSS).2002, 5:2608-2610.)，在其他子孔径图像上寻找与中心图像匹配的像素点，得到二者的位置偏移，进而提取地面场景的DEM。
[0016]步骤2，在粗估计出的DEM的基础上，对InSAR平台主、副天线分别独立进行BP成像。
[0017]干涉圆迹SAR的几何模型如图1所示，两个雷达天线间的基线长度为b，与水平面的夹角为β。天线I为主天线，天线2为副天线，基线方向始终与雷达平台的速度方向保持垂直，即本发明采用交轨干涉模式。雷达平台在距离地面的高度平面作圆周运动，形成两条独立的圆形孔径。方位角Θ e [0，2 π]，天线I的轨迹半径为R，高度为H。在本发明，假设两天线采用乒乓收发模式，即轮流自发自收，每个天线各自发射Chirp信号，中心频率为fc,带宽为Brt,设场景中有一个任意点目标P,为了便于分析假设散射系数在方位角[Θρε-Δ θ/2, Θρε+Λ Θ/2]范围内保持一致(其中θρ。为目标零多普勒位置对应的方位角，△ Θ为合成孔径的方位角度)，在其他方向，散射系数为O。对于机载单航过圆迹干涉SAR而言，由于基线长度有限，两幅天线视角十分接近，可以假设两幅天线视角下目标P的散射系数相同。
[0018]基于时域处理的后向投影(Back Projection, BP)成像算法具有逐点成像的特性，适用于进行圆迹 SAR 成像(Soumekh, M.Synthetic Aperture Radar Signal Processingwith MATLAB Algorithms.Wiley.1999)。BP成像算法首先计算每个散射点到天线位置的距离，然后对距离压缩后的回波数据进行插值，得到各个脉冲对某个散射点所作出的贡献，最后通过相干累加对该散射点聚焦进而实现高分辨率成像。概括地说，BP成像算法是根据天线位置到成像区域中某一像素点的相对位置，取出对应回波信号中的相应时延处的能量，沿孔径方向叠加起来，使来自该像素点的回波信号为同相，从而信号得到加强，而来自其它点的回波信号则由于相位不同，叠加结果趋于零，因此可认为最终叠加结果即为该像素点的聚焦结果。对整个成像区域，按照上述过程逐像素点地进行相干叠加处理，即可获得最终图像。下面以对天线I获取的圆迹数据成像为例，简要叙述BP成像的主要实现步骤(Soumekh, M.Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MATLAB Algorithms.Wiley.1999.)。
[0019]首先，对SAR原始回波信号进行距离向匹配滤波处理，如下所示，
[0020]Λ',,, (l,O)=s(l,e)0 P (-/)[0021]其中:?表示时域卷积，*表示复数共轭，p(t)表示雷达反射信号，s(t，Θ)=p(t-t0)表示SAR原始回波信号，t0表示回波延时，Θ表示天线相位中心方位角，Θ e ( Θ pc- Δ Θ /2, Qpc+Δ Θ /2) ο
[0022]然后，将成像区域网格化，每个像素所在合成孔径的数据相干累加实现方位向聚焦。对于目标P而言，其成像结果可以表示为
[0023]
【权利要求】
1.一种干涉圆迹SAR高程估计方法，该方法包括: 步骤1，粗估计出场景DEM，作为首次干涉处理时成像采用的参考场景DEM ； 步骤2，在参考场景DEM的基础上，对InSAR平台主、副天线分别独立进行BP成像，其中采用分子孔径的方式对主副天线获取的圆迹SAR数据进行BP成像，每η度为一个子孔径，得到360/η个子孔径复图像对，η是大于等于I的自然数； 步骤3，对于每个子孔径复图像对，进行干涉处理； 步骤4，将步骤3获得的各子孔径复图像对干涉处理估计的场景DEM，根据其干涉系数的大小，进行加权平均，得到360度观测下的场景DEM ； 步骤5，将步骤4估计出的场景DEM，作为步骤2中的参考场景DEM，重复步骤2到4若干次，直到干涉图像的干涉系数不再下降。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤I采用立体像对测量法粗估计出场景DEM。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤I进一步包括:将360度雷达平台轨迹圆环划分为多段圆弧，对每段圆弧分割为多个子孔径，利用子孔径图像间的相似性，通过相关系数最大法，在其他子孔径图像上寻找与中心图像匹配的像素点，得到二者的位置偏移，进而提取地面场景的DEM。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3进一步包括: 步骤31，将步骤2得到的子孔径复图像对进行共轭相乘，得到干涉图像； 步骤32，去除干涉图像中干涉系数低的区域； 步骤33，对经步骤32处理后的干涉图像进行滤波去噪； 步骤34，在步骤2获取的复图像对的基础上进行基线估计； 步骤35，基于所述基线估计，反演参考地形与真实地形的相对高度信息，然后进行地面位置校正。
【文档编号】G01S13/90GK104007439SQ201410238847
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】刘燕, 林赟, 谭维贤, 洪文, 王彦平 申请人:中国科学院电子学研究所