一种长基线无人机SAR三维成像方法技术

本发明专利技术提出一种长基线无人机SAR三维成像方法，解决了在三维层析成像中，由于观测孔径基线过长导致成像几何不一致，使得成像结果配准失败传统处理方法失效的问题。具体包括：步骤一、通过对目标进行几何定位，得到目标成像位置，获得高程信号；步骤二、将获得的所述高程信号乘以去斜信号滤波器，去除信号高阶相位，若格点存在目标，则其信号频谱峰值搬移至零频位置处，利用CS估计信号频谱完成目标位置估计；步骤三、根据所述目标位置估计信息，利用最小二乘法进行目标幅度、相位散射信息的重建。小二乘法进行目标幅度、相位散射信息的重建。小二乘法进行目标幅度、相位散射信息的重建。

【技术实现步骤摘要】
一种长基线无人机SAR三维成像方法


[0001]本专利技术涉及一种长基线无人机SAR三维成像方法，可应用于星载、机载层析SAR成像等领域，可以克服高度维长基线引起的目标徙动过大而无法配准的问题，从而大幅增强SAR三维成像能力。

技术介绍

[0002]层析合成孔径雷达(TomoSAR)通过在高度维合成孔径，获取第三维的分辨能力，通过恢复目标真实的三维(3D)空间信息，避免了叠掩和顶底倒置问题，从而优于传统的二维(2D)SAR成像。无人机(UAV)是未来机载TomoSAR重要发展方向[8,9]，特别是小型UAV，其部署快、飞行灵活，在城市三维重建、城市管理、危情检测等方面具有广阔的应用前景。
[0003]分辨率是评判成像性能的重要指标之一。TomoSAR的高程分辨率可以表示为，
[0004]ρ
sr
＝σρ
s
[0005]其中ρ
s
表示瑞利分辨率，σ为超分辨因子。
[0006]瑞利分辨率与基线孔径的长度成正比。超分辨率因子由信噪比、采样数量、目标散射特征等因素决定。在给定超分辨率因子的情况下，提升高程分辨率的方式是增大高程孔径。但是，随着高程基线长度的增加，图像的几何一致性会变差，即同一目标会被置于不同的成像位置。例如，原本叠掩的目标将在两幅图像中出现在不同的距离
‑
方位单元，这种现象在机载TomoSAR中尤其普遍。这种情况下，基于图像配准的传统TomoSAR处理会失败。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出一种长基线无人机SAR三维成像方法，解决了在三维层析成像中，由于观测孔径基线过长导致成像几何不一致，使得成像结果配准失败传统处理方法失效的问题。
[0008]本专利技术通过以下技术方案实现。
[0009]一种长基线无人机SAR三维成像方法，包括：
[0010]步骤一、通过对目标进行几何定位，得到目标成像位置，获得高程信号；
[0011]步骤二、将获得的所述高程信号乘以去斜信号滤波器，去除信号高阶相位，若格点存在目标，则其信号频谱峰值搬移至零频位置处，利用CS估计信号频谱完成目标位置估计；
[0012]步骤三、根据所述目标位置估计信息，利用最小二乘法进行目标幅度、相位散射信息的重建。
[0013]本专利技术的有益效果：
[0014]本专利技术与传统方法相比，该方法利用成像几何关系实现高程信号的精确提取，避免了二维图像配准。通过计算机仿真和P波段无人机TomoSAR实验结果表明，该方法比传统方法具有更高的精度。
附图说明
[0015]图1为本专利技术长基线无人机SAR三维成像方法流程图；
[0016]图2为本专利技术具体实施方式中空间目标在成像平面上的几何投影关系图；
[0017]图3为本专利技术具体实施方式中不同采样高度情况下的徙动情况及成像结果对比图；
[0018]图4为本专利技术具体实施方式中逐格点TomoSAR成像一维信号仿真结果对比图；
[0019]图5为本专利技术具体实施方式中长基线面目标仿真结果对比图；
[0020]图6为本专利技术具体实施方式中面目标三维成像仿真结果对比图；
[0021]图7为本专利技术具体实施方式中不同高度采样成像结果对比图；
[0022]图8为本专利技术具体实施方式中角反三维成像结果对比图；
[0023]图9为本专利技术具体实施方式中建筑区域不同高度采样成像结果对比图；
[0024]图10为本专利技术具体实施方式中楼房区域成像结果相干性对比图；
[0025]图11为本专利技术具体实施方式中三维成像结果对比图；
[0026]图12为本专利技术具体实施方式中楼房区域三维成像结果误差对比(LiDAR为标准)图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图对本专利技术做详细说明。
[0028]如图1所示，本专利技术具体实施方式的长基线无人机SAR三维成像方法，具体包括以下步骤：
[0029]步骤一、通过对目标进行几何定位，得到目标成像位置，获得高程信号；
[0030]本实施例中，所述信号几何定位利用散射体与成像平台之间的成像几何关系实现目标几何定位；对于长基线孔径，目标对应的成像位置由等距离
‑
多普勒方程计算获取；这一步骤的提取方式能够避免二维图像配准。
[0031]如图2所示目标在成像平面的投影关系，P为散射点，P
’
为目标P在成像平面的位置，O为P正侧视照射时的方位位置，O
’
为O在成像平面上的位置，X为雷达平台的速度方向，Y为距离向，Z为天向。从雷达成像原理可知，在SAR成像中，投影点P
’
和P应具有相同的斜距和多普勒。因此，利用斜距
‑
多普勒方程，完成P
’
(X,Y)的求解。
[0032][0033]在正侧条带成像模式中，fdc＝0，因此认为多普勒平面是一个过OO
’
和P且垂直于成像面的平面。假设P坐标为(P
A
,P
B
,P
C
)，则P
’
是
[0034][0035]其中f(x)表示成像平面中O
’
P
’
的线性方程，其为成像平面与多普勒平面的交线。因此，x可表示为
[0036](1+k2)x2+2(kb
‑
P
A
‑
kP
B
)x
‑
Con＝0
[0037][0038]x的解如下式所示，带入直线方程可以得到目标的成像位置P
’
坐标。
[0039][0040]经过几何定位后，得到P的成像位置。
[0041]具体实施时，在上述几何定位得到P的成像位置结果后，该结果通常不会恰好落入2D成像的格点中。因此，为了准确获取该坐标位置的图像信息，本实施例进一步进行双线性插值操作，对多航过数据重复上述步骤，最终完成高程信号向量的获取。
[0042]步骤二、将获得的所述高程信号乘以去斜信号滤波器，去除信号高阶相位，若格点存在目标，则其信号频谱峰值搬移至零频位置处，利用CS估计信号频谱完成目标位置估计；
[0043]这一步骤的实现原理是：由于逐格点构建参考信号完成去斜处理，因此对应位置处高程回波信号残余高阶项非常小，相较于传统方法可获得更准确的频谱估计结果。
[0044]现有技术中的去斜(dechirp)处理中高程仅与垂直基线有关，存在降低恢复效能的隐患；而本实施例中高程信号的提取是利用已知空间网格进行目标定位后插值获得，因此对于三维成像格点而言，其高程信息可认为准确已知，故可基于该成像网格实现对参考信号的精确构建，而在该构建过程中没有任何近似，不存在残余相位和平行基线的影响。
[0045]因此本实施例中，去斜后的信号公式如下：
[0046][0047]其中，g
n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种长基线无人机SAR三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：通过对目标进行几何定位，得到目标成像位置，获得高程信号；将获得的所述高程信号乘以去斜信号滤波器，去除信号高阶相位，若格点存在目标，则其信号频谱峰值搬移至零频位置处，利用CS估计信号频谱完成目标位置估计；根据所述目标位置估计信息，利用最小二乘法进行目标幅度、相位散射信息的重建。2.如权利要求1所述的一种长基线无人机SAR三维成像方法，其特征在于，所述几何定位利用散射体与成像平台之间的成像几何关系实现目标几何定位，对于长基线孔径，目标对应的成像位置由等距离
‑
多普勒方程计算获取。3.如权利要求2所述的一种长基线无人机SAR三维成像方法，其特征在于，在所述获得高程信号后，进一步进行双线性插值操作。4.如权利要求1或2或3所述的一种长基线无人机SAR三维成像方法，其特征在于，去斜后的信号公式如下：其中，g
n
为第n个图像去斜后高程信号，h
n
为未去斜处理的原始高程信号，α(s)为目标的复散射信息(包含幅度、相位)，R

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旻昆，黄晋洋，王岩，丁泽刚，曾涛，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：