本发明属于遥感图像处理技术领域，涉及基于波程差序列的insar图像配准方法。
背景技术：
合成孔径雷达干涉测量(interferometricsyntheticapertureradar,insar)技术是随着信息技术、摄影测量技术、数字信号处理技术等相关技术的发展而迅速发展起来的一种高精度对地观测新技术。它在地形测绘、地表形变检测、冰川运动研究等方面都表现出全天时、全天候、高精度、高效率、大区域等突出优势。insar获取高程模型的基本原理是利用合成孔径雷达(syntheticapertureradar,sar)系统的两副天线来获取同一地区具有一定视角差的两幅具有相干性的单视复图像，并根据其干涉相位信息来提取地表的高程信息和重建高程模型。由于insar系统的两副天线存在位置差异，成像得到的两幅复图像的像素在方位和距离上的对应关系被打乱，图像配准的目的就是要使配准后的两幅图像中同一位置的像素对应地面同一小块区域，以保证两幅图像的相干性。现有的图像配准方法主要分为三类：基于图像特征的配准、基于灰度的配准及基于变换域的配准。基于图像特征的配准是目前使用最多的遥感图像配准方法，它将整个图像的分析转化为对图像的某种特征的分析，抗噪性强，且对图像灰度变化也不敏感，但是提取图像特征的过程复杂，增加了整个配准过程的运算量。基于灰度的配准方法对尺寸较小、灰度变化不大的图像配准精度高，但对于视角、灰度、结构变化较大的遥感图像配准精度差；基于变换域的配准方法易于硬件实现，而且抗低频噪声强，能做到实时的配准，但无法处理非线性形变，通常碰到高频噪声配准精度差，所以基于灰度和变换域的配准方法都不适于sar图像的配准。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有基于图像特征的配准方法提取图像特征的过程复杂，增加了整个配准过程的运算量；基于灰度的配准方法对于视角、灰度、结构变化较大的遥感图像配准精度差；以及基于变换域的配准方法无法处理非线性形变，对高频噪声配准精度差的问题，而提出一种基于波程差序列的insar图像配准方法。
一种基于波程差序列的insar图像配准方法具体过程为：
步骤一：insar平台系统对任意地面场景进行成像，由insar平台系统参数计算成像场景的地面宽度wg；
insar平台系统参数包括：基线长度b、基线倾角α、天线下视角θ0、insar平台系统飞行高度h、方位向波束宽度θd；
步骤二：根据步骤一中成像场景的地面宽度wg计算成像场景内地面点目标到insar平台系统两副天线的波程差序列δr；
步骤三：对步骤二中的波程差序列δr所有元素取整得到新的序列δr'，求δr'的众数和平均数；
步骤四：求解步骤三中的众数与平均数之差，将该差作为距离向配准的偏移量δx；
步骤五：将insar平台系统的两副天线中海拔高度低的天线所成的图像作为主图，另一副天线所成图像作为辅图，根据偏移量δx对辅图进行偏移，实现配准。
本发明的有益效果为：
(1)本发明适用于雷达平台参数已知的insar图像配准问题，本发明根据已知平台参数求解波程差序列，继而估算出距离向偏移量，可以实现insar图像的像素级配准，在方位向偏移可以忽略的情况下，本发明相对于现有配准技术具有更高的配准精度，经过点目标仿真实验的验证，本发明对不同场景配准前后相干系数能够提升几倍甚至十几倍，解决了现有基于灰度的配准方法对于视角、灰度、结构变化较大的遥感图像配准精度差；以及基于变换域的配准方法无法处理非线性形变，对高频噪声配准精度差的问题。
(2)本发明的偏移量只与insar平台系统参数有关，在insar平台系统参数不变的情况下，偏移量可以重复使用于该平台系统产生的insar图像的像素级配准，避免了依赖于数据的偏移量需要随数据更新而更新的弊端，简化了提取图像特征的过程，降低了整个配准过程的运算量。解决了现有基于图像特征的配准方法提取图像特征的过程复杂，增加了整个配准过程的运算量的问题。
从表1及图3a、3b、3c、3d、4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d可以看出，基线长度为30m，配准前相干系数为0.084505，配准偏移量(δx,δy)为(-1,0)，配准后相干系数为0.13258；基线长度为50m，配准前相干系数为0.013113，配准偏移量(δx,δy)为(-3,0)，配准后相干系数为0.13724；基线长度为100m，配准前相干系数为0.0054737，配准偏移量(δx,δy)为(-7,0)，配准后相干系数为0.15152；可得出本发明在倾角一定、基线长度不同的情况下，利用由波程差序列求得的偏移量进行配准能够提高相干系数，实现像素级配准。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2a为insar平台与成像场景在航向法平面内的几何关系示意图，航向垂直于纸面向外，a1为insar系统两副天线中的任意一副天线，a2为insar系统两副天线中的另一副天线，b为基线长度，h为insar平台飞行高度，θ0为天线下视角，θd为俯仰向波束宽度，y1为距离insar平台最近的场景边界线，y2为距离insar平台最远的场景边界线，y0为场景中心线，rs为insar平台至场景中心线的距离，r1min为a1天线至最近场景边界线的距离，r1max为a1天线至最远场景边界线的距离，wr为成像场景的距离向宽度，wg为成像场景的地面宽度；
图2b为insar平台与场景内任意点目标几何关系示意图，p为成像场景内任意点目标，α为基线倾角，b为基线长度，h为insar平台飞行高度，r1为a1天线至点目标p的斜距，r2为a2天线至点目标p的斜距，y为点目标p的水平地面距离，θ为点目标p相对于天线a1的斜视角，o为平台在地面的垂直投影点，y为地面距离向坐标轴，z为高度坐标轴；
图3a为基线倾角α＝30°，基线长度b＝30m时主图效果图；
图3b为基线倾角α＝30°，基线长度b＝30m时辅图效果图；
图3c为基线倾角α＝30°，基线长度b＝30m时主图、辅图配准前叠加效果图；
图3d为基线倾角α＝30°，基线长度b＝30m时主图、辅图配准后叠加效果图；
图4a为基线倾角α＝30°，基线长度b＝50m时主图效果图；
图4b为基线倾角α＝30°，基线长度b＝50m时辅图效果图；
图4c为基线倾角α＝30°，基线长度b＝50m时主图、辅图配准前叠加效果图；
图4d为基线倾角α＝30°，基线长度b＝50m时主图、辅图配准后叠加效果图；
图5a为基线倾角α＝30°，基线长度b＝100m时主图效果图；
图5b为基线倾角α＝30°，基线长度b＝100m时辅图效果图；
图5c为基线倾角α＝30°，基线长度b＝100m时主图、辅图配准前叠加效果图；
图5d为基线倾角α＝30°，基线长度b＝100m时主图、辅图配准后叠加效果图；
图6a为基线长度b＝60m，基线倾角α＝30°时的主图效果图；
图6b为基线长度b＝60m，基线倾角α＝30°时的辅图效果图；
图6c为基线长度b＝60m，基线倾角α＝30°时的主图、辅图配准前叠加效果图；
图6d为基线长度b＝60m，基线倾角α＝30°时的主图、辅图配准后叠加效果图；
图7a为基线长度b＝60m，基线倾角α＝55°时的主图效果图；
图7b为基线长度b＝60m，基线倾角α＝55°时的辅图效果图；
图7c为基线长度b＝60m，基线倾角α＝55°时的主图、辅图配准前叠加效果图；
图7d为基线长度b＝60m，基线倾角α＝55°时的主图、辅图配准后叠加效果图；
图8a为基线长度b＝60m，基线倾角α＝70°时的主图效果图；
图8b为基线长度b＝60m，基线倾角α＝70°时的辅图效果图；
图8c为基线长度b＝60m，基线倾角α＝70°时的主图、辅图配准前叠加效果图；
图8d为基线长度b＝60m，基线倾角α＝70°时的主图、辅图配准后叠加效果图；
图9a为模拟场景1的主图效果图；
图9b为模拟场景1的辅图效果图；
图9c为模拟场景1的主图、辅图配准前叠加效果图；
图9d为模拟场景1的主图、辅图配准后叠加效果图；
图10a为模拟场景2的主图效果图；
图10b为模拟场景2的辅图效果图；
图10c为模拟场景2的主图、辅图配准前叠加效果图；
图10d为模拟场景2的主图、辅图配准后叠加效果图；
图11a为模拟场景3的主图效果图；
图11b为模拟场景3的辅图效果图；
图11c为模拟场景3的主图、辅图配准前叠加效果图；
图11d为模拟场景3的主图、辅图配准后叠加效果图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种基于波程差序列的insar图像配准方法具体过程为：
步骤一：insar平台系统对任意地面场景进行成像，由insar平台系统参数计算成像场景的地面宽度wg；
insar平台系统参数包括：基线长度b、基线倾角α、天线下视角θ0、insar平台系统飞行高度h、方位向波束宽度θd；这些参数都是已知；
步骤二：根据步骤一中成像场景的地面宽度wg计算成像场景内地面点目标到insar平台系统两副天线的波程差序列δr；
步骤三：对步骤二中的波程差序列δr所有元素取整得到新的序列δr'，求δr'的众数和平均数；
步骤四：求解步骤三中的众数与平均数之差，将该差作为距离向配准的偏移量δx；
步骤五：将insar平台系统的两副天线中海拔高度低的天线所成的图像作为主图，另一副天线所成图像作为辅图，根据偏移量δx对辅图进行偏移，实现配准。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中insar平台系统对任意地面场景进行成像，由insar平台系统参数计算成像场景的地面宽度wg；具体过程为：
insar平台系统参数包括：基线长度b、基线倾角α、天线下视角θ0、insar平台飞行高度h、方位向波束宽度θd；
1)由rs＝h/cos(θ0)求解出insar平台系统至场景中心线的距离rs；场景中心线如图2a中虚线段所示；
2)由wg＝rsθd/cos(θ0)计算成像场景宽度wg。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中根据步骤一中成像场景的地面宽度wg计算成像场景内地面点目标到insar平台系统两副天线的波程差序列δr；具体过程为：
1)由yc＝htan(θ0)计算场景中心的距离向长度yc，因此，成像场景的距离向区间为：[yc-wg/2,yc+wg/2]；
2)insar平台系统两副天线中的a1天线至成像场景内地面点目标p的斜距r1范围为：
3)如图2b，由余弦定理计算insar平台系统的两副天线中的a2天线至成像场景内地面点目标p的斜距为：
由
考虑到斜距长度、平台高度等参数实际数值远大于天线尺寸，所以图中天线都用点来表示。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中对步骤二中的波程差序列δr所有元素取整得到新的序列δr'，求δr'的众数和平均数；具体过程为；
1)对波程差序列δr所有元素取整得到新的序列δr'，即
其中，[·]表示取整运算，nr为成像场景对应的距离向采样点数，取值为正整数；
2)由m＝mode(δr')求δr'的众数m；mode为众数；
3)由
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中偏移量δx计算公式为：
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤五中将insar平台系统的两副天线中海拔高度低的天线所成的图像作为主图，另一副天线所成图像作为辅图，根据偏移量δx对辅图进行偏移，实现配准；具体过程为：
1)将insar平台系统的两副天线中海拔高度低的天线a1(即图2a及图2b中的a1天线)所成的图像作为主图，记为im，另一副海拔高度高的天线a2所成图像作为辅图，记为is；
2)根据偏移量δx对辅图is进行偏移：
(a)当δx＞0时，
其中，eδx和enr-δx分别表示δx×δx和(nr-δx)×(nr-δx)的单位矩阵；is'为偏移后的辅图；
(b)当δx＜0时，
其中，e|δx|和enr+δx分别表示|δx|×|δx|和(nr+δx)×(nr+δx)的单位矩阵；
(c)当δx＝0时，不存在偏移量，不需要对辅图is进行偏移。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种基于波程差序列的insar图像配准方法具体过程为：
1.仿真实验条件
本实验都是在intel(r)i7-77003.60ghz、内存16g、window7系统上使用matlabr2014a进行仿真的。
2.仿真内容与结果分析
仿真实验仿真了基于波程差序列的insar图像配准方法在不同基线长度、不同基线倾角以及不同成像场景情况下的配准效果。用于配准的主图和辅图是利用matlab随机生成总数n＝30的具有三维坐标的点目标经过sar成像得到的，且实验(1)与实验(2)中使用的点目标场景相同。已知insar系统的平台参数为：高度h＝3000m，a1天线的下视角θ0＝45°，波束宽度θd＝6°。
(1)相同基线倾角、不同基线长度的配准效果
参数设置：基线倾角固定为α＝30°，基线长度分别设为30m，50m，100m，其他条件保持不变。计算配准前相干系数、偏移量及配准后相干系数，并记录于表1中。
图3a、3b、3c、3d、4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d分别为基线长度b＝30m、50m、100m时主图、辅图及其配准前后叠加效果图。从表1及图3a、3b、3c、3d、4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d可以看出，本发明在倾角一定、基线长度不同的情况下，利用由波程差序列求得的偏移量进行配准能够提高相干系数，实现像素级配准。
表1相同基线倾角、不同基线长度仿真
(2)相同基线长度、不同基线倾角的配准效果
参数设置：基线长度b＝60m，基线倾角分别设为30°，55°，70°，其他条件保持不变。计算配准前相干系数、偏移量及配准后相干系数，并记录于表2中。
图6a、6b、6c、6d、7a、7b、7c、7d、8a、8b、8c、8d分别为基线倾角α＝30°、55°、70°时的主图、辅图及其配准前后叠加效果图，从表2及图6a、6b、6c、6d、7a、7b、7c、7d、8a、8b、8c、8d可以看出，本发明在基线长度一定、基线倾角不同的情况下具有与仿真(1)相同的结果和结论，即始终具有很好的配准效果，能够实现像素级配准。
表2相同基线长度、不同基线倾角配准仿真
(3)相同平台参数、不同观测场景的配准效果
参数设置：基线长度固定为b＝100m，基线倾角固定为α＝60°。通过多次随机生成40个点目标来模拟不同的观测场景并对其成像，计算固定参数下的配准偏移量，利用该偏移量对不同场景所成图像进行配准，并计算配准前后的相干系数，记录于表3中。
图9a、9b、9c、9d、10a、10b、10c、10d、11a、11b、11c、11d分别为参数固定的insar系统对3个不同场景成像后得到的主图、辅图及其配准前后叠加效果图。从表3及图9a、9b、9c、9d、10a、10b、10c、10d、11a、11b、11c、11d可以看出，利用平台参数计算得到的偏移量为(-6,0)，利用该偏移量对三个不同场景所成的图像进行配准均能提高相干系数，配准前后叠加效果图反映出配准效果明显，实验结果验证了本发明有益效果之一，即本发明的偏移量只与平台参数有关，在平台参数不变的情况下，偏移量可以重复使用于该平台产生的insar图像的像素级配准，避免了依赖于数据的偏移量需要随数据更新而更新的弊端。
表3相同平台参数、不同场景下的配准效果
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。