一种低高度平台的层析SAR三维成像方法技术

本发明专利技术公开了一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，包括以下步骤：获取SAR图像；基于柱面波TomoSAR成像模型在下视角约束范围内对SAR图像进行稀疏反演，确定像素中散射体的信号沿着高程向的散射系数；根据散射系数计算下视角参数；基于下视角参数生成散射体在地面坐标系中的位置坐标；本发明专利技术通过构建基于柱面波TomoSAR成像模型来进行稀疏反演，可以校正散射体的几何形变，可以大大提高散射体的三维成像精度，同时基于高度约束自适应确定高程搜索范围，来实现高程解模糊，进一步提升成像精度。进一步提升成像精度。进一步提升成像精度。

【技术实现步骤摘要】
一种低高度平台的层析SAR三维成像方法


[0001]本专利技术属于层析SAR三维成像
，尤其涉及一种低高度平台的层析SAR三维成像方法。

技术介绍

[0002]TomoSAR成像技术是通过对同一目标地物的多次观测，可以反演其在高程向(垂直于方位向和距离向平面)上不同高度的散射信号，从而还原真实的SAR成像三维场景。TomoSAR成像需要多基线数据，在发展初始，由于基线数目少、轨道不稳等因素的限制，进步得比较缓慢。随着星载、机载SAR系统的不断成熟，高质量多基线SAR影像被成功获取，于是TomoSAR技术对地物高度向结构的重建成为可能，进而实现三维成像。
[0003]TomoSAR成像技术因其独特的高程向成像能力，在还原建筑三维结构方面具有显著优势。TomoSAR能够沿高程向重建单个像元内的散射剖面，并提取各个散射体的高程位置和强度信息，进而还原建筑整体的三维结构并获得场景范围内的高精度三维城市模型。
[0004]近些年来，许多高分辨SAR数据是从低空飞机或无人机等低高度平台获得的，飞行高度只有几千米甚至几百米。与星载平台等相比，低高度平台SAR有分辨率优势，但是同时低高度平台的SAR数据的斜距(SAR天线到地物的距离)较小，这会导致最大不模糊高度的降低，甚至接近场景建筑的高度，产生难以滤除的高程模糊。TomoSAR的高程模糊成为影响建筑三维成像的一个重要问题。同时低高度平台的飞行高度导致原来TomoSAR成像模型的平面波假设不再适用，会导致三维成像结果发生一定的几何形变。

技术实现思路
<br/>[0005]本专利技术的目的是提供一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，以解决三维成像结果发生高程模糊和几何形变的问题。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，包括以下步骤：
[0007]获取SAR图像；
[0008]基于柱面波TomoSAR成像模型在下视角约束范围内对SAR图像进行稀疏反演，确定像素中散射体的信号沿着高程向的散射系数；
[0009]根据散射系数计算下视角参数；
[0010]基于下视角参数生成散射体在地面坐标系中的位置坐标。
[0011]进一步地，柱面波TomoSAR成像模型为：
[0012][0013]其中，g
n
为第n个天线阵元形成的图像的像素值，θ
′
＝θ
‑
θ0，θ为散射体的下视角，θ0为参考点的下视角，参考点为探测区域中斜距最小的地面点，Δθ
′
表示的约束范围，r为散射体的斜距，γ(rθ
′
)表示斜距为r、下视角参数为θ
′
的散射体的信号沿着高程向的散射系
数，ξ
n
为第n个天线阵元的高程频率，ε
n
为第n个天线阵元的图像噪声。
[0014]进一步地，下视角约束范围的生成方法为：
[0015]确定探测区域中建筑物最大高度阈值h1和最小高度阈值h2；
[0016]根据最大高度阈值h1和最小高度阈值h2；计算自适应高程搜索范围的上界和下界；
[0017]根据上界和下界生成下视角约束范围。
[0018]进一步地，确定像素中散射体的信号沿着高程向的散射系数之前还包括：
[0019]对TomoSAR图像进行散射体检测。
[0020]进一步地，采用三阈值法对SAR图像进行散射体检测；
[0021]其中，三阈值包括相干系数阈值、平均幅度阈值和振幅离差指数阈值。
[0022]进一步地，对SAR图像进行稀疏反演时的目标问题为：
[0023][0024]其中，γ为所有散射系数的集合，g为N个天线阵元形成的图像的像素值的集合，G为观测矩阵，N为天线阵元的总数，是SAR图像观测噪声ε的标准偏差。
[0025]进一步地，基于下视角参数生成散射体在地面坐标系中的位置坐标包括：
[0026]Y
P
＝k
·
Xbin，
[0027]X
P
＝r
i
·
sin(θ0+θ
′
P
)
‑
X，
[0028]Z
P
＝
‑
r
i
·
cos(θ0+θ
′
P
)+H，
[0029]其中，X
P
、Y
P
和Z
P
分别为散射体P在地面坐标系中的三轴坐标，k表示散射体P在SAR图像中方位向的列序数，Xbin为方位向分辨率，θ
′
P
为散射体P的下视角参数，X为参考点的X轴坐标值，r
i
为SAR图像中距离向的第i列像素中散射体的斜距，H为SAR天线相位中心到地面的高度。
[0030]进一步地，采用OMP贪心算法、基追踪算法或原子范数最小化算法求解目标问题。
[0031]进一步地，根据上界和下界生成下视角约束范围包括：
[0032]Δθ
′
i
＝[s
′
i min
/r
i
，s
′
i max
/r
i
]，
[0033]其中，Δθ
′
i
为第i个距离向内的下视角约束范围，s
′
i min
为第i个距离向对应的下界，s
′
i max
为第i个距离向对应的上界，r
i
为SAR图像距离向的第i列像素中散射体的斜距。
[0034]本专利技术的另一种技术方案，一种低高度平台的层析SAR三维成像装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现上述的方法。
[0035]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过构建基于柱面波TomoSAR成像模型来进行稀疏反演，可以校正散射体的几何形变，可以大大提高散射体的三维成像精度，同时基于高度约束自适应确定高程搜索范围，来实现高程解模糊，进一步提升成像精度。
附图说明
[0036]图1为本专利技术实施例中TomoSAR三维成像的几何示意图；
[0037]图2为本专利技术实施例中预处理前后的TomoSAR图像的相干系数分布示意图；
[0038]图3为本专利技术实施例中区间Δθ'的边界的在各像素的计算结果示意图；
[0039]图4为本专利技术实施例中各像素散射体个数估计结果图；
[0040]图5为本专利技术实施例散射系数γ的反演结果示意图；
[0041]图6为本专利技术实施例中数据的幅度图和谷歌地球光学图；
[0042]图7为本专利技术实施例中的三维点云实施结果的侧视图；
[0043]图8为本专利技术方法和现有方法得到的三维点云数据正视图对比图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：获取SAR图像；基于柱面波TomoSAR成像模型在下视角约束范围内对所述SAR图像进行稀疏反演，确定像素中散射体的信号沿着高程向的散射系数；根据所述散射系数计算下视角参数；基于所述下视角参数生成散射体在地面坐标系中的位置坐标。2.如权利要求1所述的一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，其特征在于，所述柱面波TomoSAR成像模型为：其中，g
n
为第n个天线阵元形成的图像的像素值，θ
′
＝θ
‑
θ0，θ为散射体的下视角，θ0为参考点的下视角，参考点为探测区域中斜距最小的地面点，Δθ
′
表示的约束范围，r为散射体的斜距，γ(rθ
′
)表示斜距为r、下视角参数为θ
′
的散射体的信号沿着高程向的散射系数，ξ
n
为第n个天线阵元的高程频率，ε
n
为第n个天线阵元的图像噪声。3.如权利要求2所述的一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，其特征在于，所述下视角约束范围的生成方法为：确定探测区域中建筑物最大高度阈值h1和最小高度阈值h2；根据最大高度阈值h1和最小高度阈值h2；计算自适应高程搜索范围的上界和下界；根据上界和下界生成所述下视角约束范围。4.如权利要求3所述的一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，其特征在于，确定像素中散射体的信号沿着高程向的散射系数之前还包括：对所述SAR图像进行散射体检测。5.如权利要求4所述的一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，其特征在于，采用三阈值法对所述SAR图像进行散射体检测；其中，三阈值包括相干系数阈值、平均幅度阈值和振幅离差指数阈值。6.如权利要求2
‑
5任一所述的一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，其特征在于，对所述SAR图像进行稀疏反演时的目标问题为：其中，γ为所有散射系数的集合，g为N个天线阵元形成的图像的像素值的集合，G为观测矩阵，N为天线阵元的总数，是SAR图像观测噪声ε的标准偏差。7.如权利要求6所述的一种低高度平台的层析SAR三维成像方法，其特征在于，基于所述下视角参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭睿，任子帅，张照，高雨欣，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：