一种分布式卫星sar系统的主辅sar图像融合方法
【专利摘要】本发明属于SAR图像方位向分辨率提升【技术领域】，特别涉及一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法。其具体步骤为：多普勒谱包络校正；雷达几何法图像配准；地形相位反演；(SAR图像最大对比度法估计配准误差及残留相位偏差；主辅SAR图像精配准及相位偏差校正；多普勒谱拼接。本发明具有在沿航向长基线分布式卫星SAR系统的多普勒谱重叠度近似为零情况下，能够对主辅SAR图像对进行有效的图像融合以提高方位向分辨率，满足高质量InSAR处理的性能要求。
【专利说明】-种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于SAR图像方位向分辨率提升【技术领域】，特别涉及一种分布式卫星SAR 系统的主辅SAR图像融合方法，当沿航向长基线分布式卫星SAR系统的多普勒谱重叠度近 似为零，方位预滤波后SAR图像的分辨率非常低，传统处理估计得到的图像配准偏移量及 补偿相位估计精度难以满足后续处理需求时，本发明可以通过对主辅SAR图像对进行有效 的图像融合以提高方位向分辨率。
【背景技术】
[0002] SAR图像方位分辨率与雷达观测目标的合成孔径长度（对应方位角带宽）密切相 关，它随合成孔径长度的增大而提高。SAR图像融合技术利用多幅具有不同视角范围的SAR 图像融合处理得到一幅具有更高分辨率的SAR图像，该技术的处理性能与各幅SAR图像获 取时间间隔内的地物变化（即时间去相干）及方位角范围密切相关。分布式卫星SAR系统 单次航过即可获取同一地区的多幅SAR图像，这些SAR图形间的时间去相干可忽略不计。
[0003] 此外，通过有效调节卫星编队构型并利用波束同步技术，分布式卫星SAR系统 在沿航向长基线构型下可获取方位视角重叠度近似为零的多幅SAR图像，此时利用图 像融合技术科有效提升SAR图像方位分辨率。因此该技术可视为高分辨率宽测绘带 (High-Resolution and Wide-Swath, HRWS) SAR 系统对地观测的一种有效实现。Prats P. , Scheiber R. and Mittermayer J.在文献"TanDEM-X experiments in pursuit monostatic configuration" （9th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR), 2012:159-162.)中提出了一种分布式卫星SAR图像融合提升方位分辨率的 方法。该方法的具体步骤为：1)对主辅SAR图像多普勒包络进行校正；2)通过方位向预滤 波截取具有公共多普勒的主辅SAR图像；3)利用雷达几何和图像相关法对方位预滤波后的 主辅SAR图像进行配准；4)对配准后的主辅SAR图像进行干涉相位提取及相位偏差校正； 5)进行多普勒谱拼接。该方法的性能依赖于公共多普勒谱分量的大小。当沿航向长基线分 布式卫星SAR系统的多普勒谱重叠度近似为零时，方位预滤波后SAR图像的分辨率非常低 时，此时传统处理估计得到的图像配准偏移量及补偿相位估计精度难以满足后续融合处理 要求，从而造成融合后SAR图像散焦（分辨率损失、旁瓣抬高等问题）。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法。本发 明首先利用外部先验DEM信息及主辅雷达成像几何反演观测场景的地形干涉相位，然后利 用最大对比度准则估计主辅SAR图像配准误差及残留干涉相位偏差，最后利用上述估计值 对主辅SAR图像进行相干相加得到一高分辨率的SAR图像。
[0005] 为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0006] -种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法包括以下步骤：
[0007] 步骤1，利用分布式卫星SAR系统获取主SAR图像数据和辅SAR图像数据；
[0008] 步骤2,分别对主SAR图像数据和辅SAR图像数据进行多普勒谱包络校正，得出多 普勒谱包络校正后的主SAR图像数据和多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据；
[0009] 步骤3,对多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据进行雷达几何配准，得出几何配 准后的辅SAR图像数据；
[0010] 步骤4,得出多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据中每个数据点对应的地形相 位估计值；
[0011] 步骤5,在时域将几何配准后的辅SAR图像数据和多普勒谱包络校正后的主SAR图 像数据进行相干叠加，获得初步融合后的SAR图像；以初步融合后的SAR图像的对比度最大 为目标，建立优化模型，通过求解所述优化模型得出方位向配准误差△ ta、距离向配准误差 Δ τ以及残留相位偏差（J)ras;
[0012] 步骤6,针对多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据，按照步骤5得出的方位向配 准误差和距离向配准误差进行精配准，得出精配准后的辅SAR图像数据；根据步骤5得出的 残留相位偏差对精配准后的辅SAR图像数据进行相位偏差校正，得到相位偏差校正后的辅 SAR图像数据；
[0013] 步骤7,分别对多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据和相位偏差校正后的辅SAR 图像数据进行过采样，得出过采样后的主SAR图像数据和过采样后的辅SAR图像数据；分别 对过采样后的主SAR图像数据和过采样后的辅SAR图像数据进行傅里叶变换，得到主SAR 图像多普勒域数据和辅SAR图像多普勒域数据；对主SAR图像多普勒域数据和辅SAR图像 多普勒域数据在多普勒域进行多普勒谱拼接，得到多普勒谱拼接后的SAR图像多普勒域数 据；将多普勒谱拼接后的SAR图像多普勒域数据进行傅里叶逆变换，得到融合后的SAR图像 数据。
[0014] 本发明的有益效果为：本发明首先利用先验DEM及主辅SAR图像雷达成像几何模 拟计算地形干涉相位，然后利用融合后SAR图像最大对比度估计残留相位偏差及配准偏移 量，克服了现有技术分布式卫星SAR数据处理方法中的提升方位分辨率方法在主辅SAR图 像多普勒谱重叠近零时，处理性能不能满足工程应用要求的缺陷，使得分布式SAR产品可 以达到高精度测绘产品的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法的流程图；
[0016] 图2a为实测数据实验中观测区域的主SAR图像；
[0017] 图2b为实测数据实验中观测区域的辅SAR图像；
[0018] 图2c为实测数据实验中采用传统谱拼接提升方位分辨率算法（参见"Liu Y. , Li Z.and Suo Z.et. al. . Azimuth resolution improvement of spaceborne SAR images with nearly non-overlapped Doppler bandwidth. IET International Radar Conference，2013:1-4.，'）融合 SAR 图像；
[0019] 图2d为实测数据实验中采用本发明得出的融合SAR图像；
[0020] 图3为实测数据实验得出的角反射器的方位向包络示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0022] 参照图1，为本发明的一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法的流程 图，其具体步骤为：
[0023] 步骤1，利用分布式卫星SAR系统获取主SAR图像数据（主SAR图像数据通过分布 式卫星合成孔径雷达的主合成孔径雷达获取）和辅SAR图像数据（辅SAR图像数据通过分 布式卫星合成孔径雷达的辅合成孔径雷达获取）。主SAR图像数据和辅SAR图像数据要满 足干涉处理的在相干性和成像质量等方面的质量要求。
[0024] 设置SAR成像处理参数，本发明实施例中，SAR成像处理参数包括：原始回波信号 的多普勒中心频率、最近斜距、斜距上的采样间隔、方位向采样间隔等。
[0025] 步骤2,分别对主SAR图像数据和辅SAR图像数据进行多普勒谱包络校正，得出多 普勒谱包络校正后的主SAR图像数据和多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据。
[0026] 其具体子步骤为：
[0027] (2. 1)根据分布式卫星SAR系统的主合成孔径雷达的天线方向图、分布式卫星SAR 系统的主合成孔径雷达的波束指向（发射波束指向）、以及设定的成像处理窗函数，得出主 SAR图像数据的多普勒中心频率fdc;1。根据分布式卫星SAR系统的辅合成孔径雷达的天线 方向图、分布式卫星SAR系统的辅合成孔径雷达的波束指向（发射波束指向）、以及设定的 成像处理窗函数，得出辅SAR图像数据的多普勒中心频率f dc;2。本发明中，得出主SAR图像 数据的多普勒中心频率和辅SAR图像数据的多普勒中心频率的方法为现有方法。
[0028] 然后，得出主SAR图像数据的多普勒包络校正函数氏和辅SAR图像数据的多普勒 包络校正函数H 2,氏=exp (j2 π *fa*fdel)，H2 = exp (j2 π *fa*fde2)，其中，fa表示方位频率。
[0029] (2. 2)将主SAR图像数据的多普勒包络校正函数在多普勒域与主SAR图像数据相 乘，进行主SAR图像多普勒谱包络校正，得出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据。对辅 SAR图像数据的多普勒包络校正函数在多普勒域与辅SAR图像数据相乘，进行辅SAR图像多 普勒谱包络校正，得出多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据。在进行主辅SAR图像多普 勒谱包络校正之后，获得了多普勒带宽内包络平坦的主辅SAR图像数据。
[0030] 步骤3,对多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据进行雷达几何配准，得出几何配 准后的辅SAR图像数据。
[0031] 其具体子步骤为：
[0032] (3. 1)得出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点的雷达斜距，多 普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位向坐标为m距离向坐标为η的数据点的雷达斜 距表示为r M(m，η)。得出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点在其方位时 刻对应的主天线相位中心位置、以及多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点 在其方位时刻对应的速度矢量；多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位向坐标为m 距离向坐标为η的数据点的方位时刻表示为tM(m)，多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据 中方位向坐标为m距离向坐标为η的数据点在方位时刻t M(m)对应的主天线相位中心位置 表示为PM(m, n ;tM)，多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位向坐标为m距离向坐标 为η的数据点在方位时刻t M(m)对应的速度矢量表示为vM(m, n ;tM)。
[0033] (3. 2)根据多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点的雷达斜距、多 普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点在其方位时刻对应的主天线相位中心 位置、以及多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点在其方位时刻对应的速度 矢量，并基于先验数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM)，进行目标点定位， 得出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点对应的目标高程。
[0034] 在子步骤（3. 2)中，得出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位向坐标为 m距离向坐标为η的数据点对应的目标高程的过程包括如下子步骤：
[0035] (3. 2. 1)预设目标高程为hQ ;令h = h0
[0036] (3. 2. 2)求解SAR几何定位方程，得到多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方 位向坐标为m距离向坐标为η的数据点对应的目标点空间位置p t :
[0037] Pt = (pt,x，Pt,y，Pt,z)T
[0038] 其中，pt，x表示对应数据点在WGS-84坐标系下（World Geadetic system_1989Coordinate System)的x轴坐标，pt，y表示对应数据点在WGS-84坐标系下的 y轴坐标，Pt，z表示对应数据点在WGS-84坐标系下的z轴坐标，上标T表示矩阵或向量的转 置。
[0039] 在子步骤（3. 2. 2)中，SAR几何定位方程为：
[0040]
【权利要求】
1. 一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，利用分布式卫星SAR系统获取主SAR图像数据和辅SAR图像数据； 步骤2,分别对主SAR图像数据和辅SAR图像数据进行多普勒谱包络校正，得出多普勒 谱包络校正后的主SAR图像数据和多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据； 步骤3,对多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据进行雷达几何配准，得出几何配准后 的辅SAR图像数据； 步骤4,得出多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据中每个数据点对应的地形相位估 计值； 步骤5,在时域将几何配准后的辅SAR图像数据和多普勒谱包络校正后的主SAR图像数 据进行相干叠加，获得初步融合后的SAR图像；以初步融合后的SAR图像的对比度最大为目 标，建立优化模型，通过求解所述优化模型得出方位向配准误差、距离向配准误差Λ τ 以及残留相位偏差 步骤6,针对多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据，按照步骤5得出的方位向配准误 差和距离向配准误差进行精配准，得出精配准后的辅SAR图像数据；根据步骤5得出的残留 相位偏差对精配准后的辅SAR图像数据进行相位偏差校正，得到相位偏差校正后的辅SAR 图像数据； 步骤7,分别对多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据和相位偏差校正后的辅SAR图像 数据进行过采样，得出过采样后的主SAR图像数据和过采样后的辅SAR图像数据；分别对过 采样后的主SAR图像数据和过采样后的辅SAR图像数据进行傅里叶变换，得到主SAR图像 多普勒域数据和辅SAR图像多普勒域数据；对主SAR图像多普勒域数据和辅SAR图像多普 勒域数据在多普勒域进行多普勒谱拼接，得到多普勒谱拼接后的SAR图像多普勒域数据； 将多普勒谱拼接后的SAR图像多普勒域数据进行傅里叶逆变换，得到融合后的SAR图像数 据。
2. 如权利要求1所述的一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法，其特征在 于，所述步骤2的具体子步骤为： (2. 1)根据分布式卫星SAR系统的主合成孔径雷达的天线方向图、分布式卫星SAR系 统的主合成孔径雷达的波束指向、以及设定的成像处理窗函数，得出主SAR图像数据的多 普勒中心频率fdc;1，根据分布式卫星SAR系统的辅合成孔径雷达的天线方向图、分布式卫星 SAR系统的辅合成孔径雷达的波束指向、以及设定的成像处理窗函数，得出辅SAR图像数据 的多普勒中心频率fdc;2 ;得出主SAR图像数据的多普勒包络校正函数氏和辅SAR图像数据 的多普勒包络校正函数4,氏=exp(j2 π *fa*fdel)，H2 = exp(j2 π *fa*fde2)，其中，fa表示 方位频率； (2. 2)将主SAR图像数据的多普勒包络校正函数在多普勒域与主SAR图像数据相乘，得 出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据；对辅SAR图像数据的多普勒包络校正函数在多 普勒域与辅SAR图像数据相乘，得出多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据。
3. 如权利要求1所述的一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法，其特征在 于，所述步骤3的具体子步骤为： (3. 1)得出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点的雷达斜距，得出多 普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点在其方位时刻对应的主天线相位中心 位置、以及多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点在其方位时刻对应的速度 矢量； (3. 2)根据多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点的雷达斜距、多普勒 谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点在其方位时刻对应的主天线相位中心位置、 以及多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点在其方位时刻对应的速度矢量， 基于先验数字高程模型进行目标点定位，得出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每 个数据点对应的目标高程； (3. 3)根据多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点对应的目标高程，将 对应的数据点反定位到多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据上，得出多普勒谱包络校正 后的辅SAR图像数据中数据点对应的方位时刻、以及多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数 据中数据点对应的雷达斜距； (3. 4)计算多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据中每个数据点对应的斜距点、以及 多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据中每个数据点对应的方位点；对多普勒谱包络校正 后的辅SAR图像数据按照斜距点和方位点进行插值，在多普勒谱包络校正后的辅SAR图像 数据中，将每个数据点的数据值替换为对应斜距点和对应方位点的插值数据，得出几何配 准后的辅SAR图像数据。
4. 如权利要求3所述的一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法，其特征在 于，在子步骤（3.2)中，得出多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位向坐标为m距离 向坐标为η的数据点对应的目标高程的过程包括如下子步骤： (3.2.1)预设目标高程为hQ;令h = hQ (3. 2. 2)求解SAR几何定位方程，得到多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位向 坐标为m距离向坐标为η的数据点对应的目标点空间位置pt : Pt - (Pt，X，Pt，y，Pt，z) 其中，pt，x表示对应数据点在WGS-84坐标系下的X轴坐标，pt， y表示对应数据点在 WGS-84坐标系下的y轴坐标，pt，z表示对应数据点在WGS-84坐标系下的z轴坐标，上标T 表示矩阵或向量的转置； (3. 2. 3)将目标点空间位置pt转换至先验数字高程模型所在坐标系，得出坐标转换后 的目标点空间位置； (3. 2. 4)在先验数字高程模型内插值出目标点空间位置对应的高程比； (3. 2. 5)如果δ，则将&作为多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位 向坐标为m距离向坐标为η的数据点对应的目标高程，然后转至子步骤（3.3)，Ihi-h」表示 h和心的差的绝对值，δ为预设门限；如果h-h」彡δ，则返回至子步骤（3.2. 1)。
5. 如权利要求1所述的一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法，其特征在 于，所述步骤4的具体子步骤为： (4. 1)求取多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中每个数据点在主SAR图像成像几 何下的回波延时、以及多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据中每个数据点在辅SAR图像 成像几何下的回波延时； 多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位向坐标为m距离向坐标为η的数据点在 主SAR图像成像几何下的回波延时τ i、以及多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据中方位 向坐标为m距离向坐标为η的数据点在辅SAR图像成像几何下的回波延时τ 2分别为： τ 1 = 2|pM(m，n ;tM)_pt|/c τ2 = (|pM(m，n ;tM)_pt| + |ps(m，n ;ts)_pt) |/c 其中，I · I表示取模值，ps(m，n;ts)表示多普勒谱包络校正后的辅SAR图像数据中 方位向坐标为m距离向坐标为η的数据点在方位时刻ts(m)对应的辅天线相位中心位置， pM(m, n ;tM)表示多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位向坐标为m距离向坐标为η 的数据点在方位时刻tM(m)对应的主天线相位中心位置，c为光速； (4. 2)计算多普勒谱包络校正后的主/辅SAR图像数据中每个数据点对应的地形相位 估计值，多普勒谱包络校正后的主/辅SAR图像数据中方位向坐标为m距离向坐标为η的 数据点对应的地形相位估计值--ρ为：
其中，λ表示分布式卫星SAR系统的主合成孔径雷达的发射信号波长。
6. 如权利要求1所述的一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法，其特征在 于，所述步骤5的具体子步骤为： (5. 1)设置方位向配准误差Λ ta、距离向配准误差Λ τ以及残留相位偏差的初始 值； (5. 2)在时域将步骤3几何配准后的辅SAR图像数据和步骤2得出的多普勒谱包络校 正后的主SAR图像数据进行相干叠加，获得初步融合后的SAR图像； (5. 3)以初步融合后的SAR图像的对比度最大为目标，建立优化模型，通过求解所述优 化模型得出方位向配准误差、距离向配准误差△ τ以及残留相位偏差小_;所述优化 模型为：
Ssyn (m, η ； Δ ta, Δ τ , φ res) = S;m (m, η) +S;s (m, η ； Δ ta, Δ τ , φ res) 其中，F( Λ ta，Λ τ，φ@)表示初步融合后的SAR图像的对比度；I Ssyn(m，η ; Δ ta, Δ τ，φΜΕ；) I为Ssyn(m, η ; Δ ta, Δ τ，φΜΕ；)的模值，Α表示主/辅SAR图像数据中所有 数据点的坐标位置的集合；S' m(m，η)表示多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据中方位 向坐标为m距离向坐标为η的数据点的数据，S' s(m, η ; Δ ta, Δ τ，φ」表示多普勒谱包 络校正后方位向配准误差为Ata距离向配准误差为Δ τ且残留相位偏差为的辅SAR 图像数据中方位向坐标为m距离向坐标为η的数据点的数据。
7. 如权利要求1所述的一种分布式卫星SAR系统的主辅SAR图像融合方法，其特征在 于，所述步骤7的具体子步骤为： (7. 1)对步骤2得出的多普勒谱包络校正后的主SAR图像数据进行两倍过采样，得出过 采样后的主SAR图像数据，对过采样后的主SAR图像数据进行傅里叶变换，得到主SAR图像 多普勒域数据；对相位偏差校正后的辅SAR图像数据进行两倍过采样，得出过采样后的辅 SAR图像数据，对过采样后的辅SAR图像数据进行傅里叶变换，得到辅SAR图像多普勒域数 据； (7. 2)对主SAR图像多普勒域数据和辅SAR图像多普勒域数据在多普勒域进行多普勒 谱拼接，得到多普勒谱拼接后的SAR图像多普勒域数据；多普勒谱拼接后的SAR图像多普勒 域数据Se(f d)为： Sc(fd) =H1(fd)S1(fd)+H2(f d)S/2(fd) 式中，fd为多普勒频率，Si (fd)表示主SAR图像多普勒域数据，S' 2(fd)表示辅SAR图 像多普勒域数据，氏(fd)为主SAR图像多普勒域数据的多普勒谱拼接函数，H2(fd)表示辅 SAR图像多普勒域数据的多普勒谱拼接函数； 当主SAR图像数据的多普勒中心频率fdcU小于主SAR图像数据的多普勒中心频率fdc;， 2 时，
当主SAR图像数据的多普勒中心频率fd。，i大于或等于主SAR图像数据的多普勒中心频 率4。,2时，
其中，Ba:1表示主SAR图像多普勒域数据的多普勒带宽，Ba，2表示辅SAR图像多普勒域 数据的多普勒带宽，Ba,e= (fdcU+Ba,^2)-(4,23^/2); (7. 3)将多普勒谱拼接后的SAR图像多普勒域数据进行傅里叶逆变换，将其转换至时 域，得到融合后的SAR图像数据。
【文档编号】G01S13/90GK104297751SQ201410563244
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】李真芳, 李莉媛, 侯英龙, 刘艳阳, 李锦伟 申请人:西安电子科技大学