一种ATI‑SAR海面单视复图像配准的方法与流程

本发明涉及海洋微波遥感技术领域，具体涉及一种ATI-SAR海面单视复图像配准方法。

背景技术：

顺轨干涉合成孔径雷达(Along-Track Interferometric SAR，ATI-SAR)是一种重要的海洋遥感手段，ATI-SAR不仅具有普通SAR全天时、全天候、分辨率高的优势，并且由于ATI-SAR干涉相位对海浪与电磁波的调制传递函数依赖性弱于SAR图像，所以能够更好地获取海洋动态信息，例如反演海洋表面洋流，浅海地形，内波以及舰船尾迹等，ATI-SAR海洋探测相关应用已在机载以及星载平台上得到不断的发展。

ATI-SAR利用其在平台运动方向上设置的两个天线先后对海面同一区域进行成像，对前后天线分别获取的两幅单视复图像(Single Look Complex image，SLC)进行精确配准是获取有效顺轨干涉相位的必要前提，目前国际上处理ATI-SAR海面SLC配准时，通常选取陆地目标作为配准参考点，利用相关系数法对其进行配准搜索。

相关系数法配准搜索过程如图1所示，在前天线SLC数据块F_i中心选择一个m x n大小的匹配窗G₁，窗内各点像素记为在后天线SLC数据块A_i中心选择一个M x N大小的搜索窗S(M＞m，N＞n)。G₂同G₁窗口大小相同，G₂在S中心位置处时，与G₁位置严格对应，其与G₁之间的像素偏移记为(u，v)＝(0，0)。在S内选取不同偏移位置的G₂，并同G₁进行相关，达到配准搜索的目的，用相关系数表征G₂在像素偏移(u，v)处与G₁的相关程度，相关系数表达式如下：

其中分别表示方位向和距离向的像素偏移。配准搜索后，获得相关系数分布图，由最大相关系数点对应的像素偏移(u_max，v_max)对整个SLC数据块作配准获得干涉相位图，相关系数法配准流程如图2所示。

然而，人们关注的大量流场区域往往不包含陆地，尤其是对于机载ATI-SAR，由于其幅宽较窄，多数情况下不能覆盖陆地，进而导致无参考点可用于配准。对于无参考点的海面SLC，仅能对海浪纹理进行基于相关系数最大准则的配准。ATI-SAR成像间隔即使是毫秒量级，前后天线SLC的相关性受海面随机运动影响也会急剧下降。海面后面散射系数远低于陆地，且频率较高的小尺度波在合成孔径时间内变化剧烈，已不能聚焦而间接转化为“噪声”，进一步降低了回波信噪比。利用相关系数法对低相关的海浪纹理进行配准时，在噪声影响下，由最大相关系数点对应的像素偏移获得的干涉相位图质量往往不是最优，会产生像素级配准误差，严重时甚至出现配准错误。

技术实现要素：

为解决现有技术中的至少一问题而提出本发明。本发明在下文中参考实施例的示例将更详细的描述，但本发明并不局限于所述实施例。

本发明提供了一种ATI-SAR海面单视复图像配准的方法，包括具体以下步骤：

S1：将ATI-SAR前后天线的海面单视复图像分成多个数据块，并在每一前天线数据块获取匹配窗，在每一后天线数据块获取搜索窗；

S2：所述匹配窗在所述搜索窗中进行配准搜索获得相关系数最大点对应的配准像素偏移，同其他数据块配准结果以及由实际系统参数计算的像素偏移进行对比，判断配准结果是否出现像素级误差；

S3：如果所述配准像素偏移出现像素级配准误差，则计算所述ATI-SAR的海面单视复图像中大尺度海浪对应的方位谱范围，并对所述匹配窗和搜索窗内数据在方位向进行FFT，根据大尺度海浪对应方位谱范围，保留匹配窗和搜索窗数据方位谱的大尺度海浪对应分量，方位向IFFT获得新的匹配窗和搜索窗，再次进行配准；

S4：如果所述配准像素偏移没有出现像素级配准误差，则根据配准像素偏移对整个数据块进行配准，获得对应的干涉相位图。

优选地，所述匹配窗位于所述每一前天线数据块的中心。

优选地，所述搜索窗位于所述每一后天线数据块的中心。

优选地，所述匹配窗包含在所述搜索窗内。

优选地，所述实际系统参数为所述ATI-SAR的基线长度和飞机的平台速度。

优选地，所述配准像素偏移为方位向像素偏移和距离向像素偏移。

其中，所述步骤S3还包括设置迭代次数n≥0且n为整数，迭代步长为Δf。

根据所述迭代次数n≥0且n为整数，迭代步长为Δf，将所述步骤S3分为两种情况如下：

(1)、n＝0：步骤S2对所述匹配窗在所述搜索窗中进行配准存在较大的误差，需要提取所述大尺度海浪对应的方位谱分量再次进行配准，计算所述大尺度海浪分量对应的频谱范围，并在所述频谱范围中心选择相应带宽的频谱进行截取；

(2)、n＞0：检测出(1)存在像素级配准误差，而(1)配准截取的频谱范围过小导致配准精度急剧下降，需根据迭代次数n，以及迭代步长Δf，扩大方位谱截取范围以提高配准精度，再对所述匹配窗和搜索窗内的数据选取新的方位谱截取频谱范围，设置n＝n+1，再次进行配准。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：不依赖陆地静止参考点，利用大尺度海浪在单视复图像中纹理特征明显且在干涉时间间隔内基本静止的特点，仅保留ATI-SAR海面单视复图像中的大尺度海浪成分，既提高了复图像的相关性和信噪比，也提升了大尺度海浪在配准过程中所占的权重，进而提高了海面单视复图像的配准精度，获得更高质量的干涉相位图，从而能够从干涉相位中反演更高精度的海洋流场信息。

附图说明

图1是现有采用相关系数法配准搜索的示意图；

图2是现有采用相关系数法配准搜索的流程图；

图3是本发明ATI-SAR单视复图像配准方法的流程图；

图4是本发明ATI-SAR前后天线单视复图像对应的灰度图(上图：前天线单视复图像灰度图，下图：后天线单视复图像灰度图)；

图5是2种方法对虚线框内数据块配准后的干涉相位图(左图：本发明方法，右图：相关系数法)；

图6是2种方法对ATI-SAR前后天线单视复图像配准像素偏移统计结果(上图：方位向像素偏移，下图：距离向像素偏移)。

具体实施方式

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，对本发明作进一步的详细说明。

图3是本发明ATI-SAR海面单视复图像配准的方法的流程图。如图所示，本发明提供的具体实施例以机载ATI-SAR数据进行说明。受飞机运动误差以及实际天线安装精度的影响，ATI-SAR在交轨向会存在基线分量，导致单视复图像在距离向产生像素偏移。ATI-SAR前后天线的单视复图像之间一般不存在旋转或形变，因此只需对其在方位向和距离向进行平移配准。对于机载ATI-SAR，其单视复图像为条带状，考虑到其整个条带数据在方位向上尺寸较大，且实际顺轨基线时变等原因，需在方位向对数据进行分块配准，ATI-SAR前后天线单视复图像分别记为F_i，A_i数据块(i≤[Q/q]，其中Q为整个条带数据方位向点数，q为数据块方位向点数)，本发明是以大尺度海浪纹理为主要配准对象的迭代配准方法，下面以机载ATI-SAR海面单视复图像配准为例进行说明，本发明方法同样适用于星载ATI-SAR，方法主要步骤如下：

步骤S1：在ATI-SAR前天线单视复图像数据块F_i中心选择一个m x n大小的匹配窗G₁，在ATI-SAR后天线单视复图像数据块A_i中心选择一个M x N大小的搜索窗S(M＞m，N＞n)。先根据ATI-SAR的基线长度和飞机平台速度计算F_i和A_i在方位向上可能的像素偏移数，M-m应大于该像素偏移数若干像素，以防止配准搜索时超出搜索窗范围。距离向像素偏移个数可根据平台惯导数据估计得到，在保证ATI-SAR成像质量良好的运动误差内，距离向像素偏移一般不会超过2个像素。匹配窗尺寸越小，进行精配准插值时的计算量越小，算法效率越高，然而本发明方法是基于海浪纹理特征进行配准，由于海浪纹理具有自相似性，若匹配窗选取过小，窗内只包含完整海浪纹理的一部分，导致在明显错误的方位向和距离向偏移点处产生最大相关系数而产生配准错误。因此关于匹配窗和搜索窗大小的选择标准，应兼顾匹配搜索效率和降低配准搜索模糊两个原则。

步骤S2：G₁在S中进行配准搜索，包括像素级配准以及亚像素级配准两步获得相关系数分布图，关于具体的配准搜索算法，可以采用相关系数法。配准搜索过程得到G₁在S中不同位置处的相关系数，相关系数最大点对应的像素偏移即是F_i和A_i之间配准所需移动的像素个数。F_i和A_i的配准结果(包括配准像素偏移以及最大相关系数)同其他数据块配准结果以及依据系统参数计算的配准像素偏移进行比较，判断是否出现像素级误差。

步骤S3：如果配准结果出现像素级误差，设置迭代次数n(n≥0且n为整数)，迭代步长为Δf，根据迭代次数n，本步骤可分为以下两种情况：

(1)、n＝0：步骤S2对所述匹配窗在所述搜索窗中进行配准存在较大的误差，需要提取所述大尺度海浪对应的方位谱分量再次进行配准(方位谱由对数据进行方位向FFT得到)，计算所述SAR的海面单视复图像大尺度海浪分量对应的频谱范围主要分为以下几步：

(1)估计海面相关时间

海浪沿着雷达视向传播时，海面相关时间可以近似表示为：

其中，λ为雷达波长，u_wind为海面10m高处的风速，ρ为ATI-SAR方位分辨率，erf为误差函数，其表达式如下所示：

(2)计算海面实际方位分辨率

ATI-SAR在海面实际方位分辨率一般可表示为：

其中，λ为雷达波长，R为最近斜距，V_p为飞机的平台速度，T_i为合成孔径时间，τ_s为海面相关时间。根式中的第一项是ATI-SAR相对于静止目标的方位分辨率，第二项是海面随机运动导致的实际分辨率下降。

(3)计算大尺度海浪对应的方位谱范围

ATI-SAR方位向多普勒带宽一般可表示为：

其中ρ_a为ATI-SAR方位向分辨率，v_p为飞机的平台速度。对于海面而言，实际方位向分辨率ρ_oa远大于ρ_a，ATI-SAR图像上所能“体现”的，也是波长大于2ρ_oa的大尺度海浪，显然用f_DB对实际方位分辨率为ρ_oa的海面进行采样是冗余的，最小采样带宽可以表示为：

(4)计算流场径向速度导致的多普勒中心偏移

多普勒中心偏移可表示为：

其中v_d为流场径向速度，入为雷达波长。当流场速度均匀时，由海面单视复图像获取的方位谱多普勒中心出现一致性偏移，此时的单视复图像已非“基带”信号，方位谱滤波应是在估计多普勒中心之后，在中心附近选择相应带宽的频谱进行截取。对匹配窗和搜索窗内的数据进行方位向FFT，得到方位谱，按上述计算得到的方位谱截取范围保留大尺度海浪对应的方位谱分量，IFFT得到新的配准窗和搜索窗数据，设置n＝n+1，对新的配准窗和搜索窗再次进行配准。

(2)、n＞0：检测出(1)存在像素级配准误差，而(1)配准截取的频谱范围过小导致配准精度急剧下降，需根据迭代次数n，以及迭代步长Δf，扩大方位谱截取范围以提高配准精度。Δf的设定需兼顾算法效率和配准精度，步长越小配准精度越高，但算法效率较差，一般可设为对匹配窗和搜索窗内的数据选取新的方位谱截取范围设置n＝n+1，再次进行配准。

步骤S4：如果配准像素偏移未出现像素级误差，则依据此像素偏移对数据块F_i和A_i进行配准，获得对应的干涉相位图。

下面结合实例数据以及附图对本发明的效果做进一步的说明。

图4是本发明ATI-SAR前后天线单视复图像对应的灰度图(上图：前天线单视复图像灰度图，下图：后天线单视复图像灰度图)；如图所示，本发明实施例的数据采用的是Ku波段机载ATI-SAR获取的中国渤海海面单视复图像数据，在方位向对ATI-SAR前后天线单视复图像进行分块配准，每块数据大小为1024 x 4096(方位向x距离向)。虚线框中为示例的问题数据块，由相关系数法配准得到其像素偏移(-5.5，1.6)，同其他正常数据块配准结果(-5～-7，0.5～0.7)相比，距离向存在像素级误差，需用本发明方法对该数据块重新进行配准。

本发明的方法对该问题数据块重新配准后，获得的像素偏移为(-6.1，0.6)，同其他正常数据块配准结果相近，图5是2种方法对虚线框内数据块配准后的干涉相位图(左图：本发明方法，右图：相关系数法)；，对比可知，本发明方法获得的干涉相位质量明显优于相关系数法，说明本发明方法对无参考点顺轨干涉SAR海面单视复图像的配准精度较高，达到亚像素级。

为了验证本发明中方法的稳健性，对整个条带的数据块均用本发明方法进行配准，并同相关系数法的配准结果对比，如图6所示。由统计结果可知，距离向像素偏移稳定在0.5～0.7个像素之间，证明本发明的方法可使海面单视复图像距离向的配准精度达到亚像素级，方位向像素虽然变化相对较大，但是考虑到方位向像素本身比距离向像素小4倍，所以本发明方法并未对方位向像素配准精度造成明显的降低，且由配准得到的干涉相位图质量可知，距离向配准精度提升带来的增益远大于方位向配准精度下降导致的损失。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。