CN105116409B - 基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，该方法的步骤包括：步骤S1：构建各处等高的理想输电线高度与单通道圆迹合成孔径雷达的方位角、下视角，以及成像平面高度之间关系的理想输电线高度模型；步骤S2：选取一个高于或低于实际输电线高度的成像平面，对各处非等高但高度变化小于实际输电线平均高度10％的实际输电线，进行圆迹合成孔径雷达二维成像；步骤S3：根据各处等高的理想输电线高度模型，从圆迹合成孔径雷达二维图像中提取实际输电线的高程初始值；步骤S4：获取一系列实际输电线在不同位置处聚焦的二维图像，以聚焦好的位置处的高度作为样本进行曲线拟合，得到整条实际输电线的高程。

Description

基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理领域，尤其涉及一种基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，用于获取实际输电线高程，进而获取聚焦好的输电线二维图像。

背景技术

圆迹合成孔径雷达是一种雷达围绕目标进行360度圆周飞行的合成孔径成像模式，理论上不仅具有亚波长级的二维地距分辨率，而且具有一定的三维成像能力。圆迹合成孔径雷达的独特优势使其在高分辨率和三维成像等应用领域具有重要的意义。

圆迹合成孔径雷达模式下，二维图像包含了目标的三维信息。当成像平面高度和点目标高度不一致时，点目标将散焦成圆环，圆环半径与雷达下视角、目标高度有关。在此基础上，Palm等人推导了两个不同方位角下目标二维图像的像素偏移量、雷达方位角、下视角和目标高度之间的关系。通过图像配准方式获取了都市建筑物在不同方位角下的二维图像的像素偏移量，并进一步结合雷达方位角和下视角，提取了建筑物的高程(StephanPalm，Helene M.Oriot，Hubert M.Cantallouble，“Radargrammetric DEM ExtractionOver Urban Area Using Circular SAR Imagery”，IEEE Transaction on Geoscienceand Remote Sensing，2012，50(11)：4720-4725)。然而，此种高程提取方法不适用于线状目标，原因是难以实现线状目标二维图像的配准。

输电线对人们生活和社会经济发展具有非常重要的意义。由于实际输电线的有限方位散射特性，常规条带模式下，若飞行轨迹不合理，则输电线有可能无法被检测到；而圆迹合成孔径雷达模式下，实际输电线不仅能够被检测到，而且能实现二维成像。进一步地，若能利用圆迹合成孔径雷达二维图像获取实际输电线的高程，则将有助于获得聚焦的输电线二维图像，进而获取实际输电线的分布和朝向等信息。

发明内容

本发明目的是提供一种基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，利用实际输电线的高程进行二维成像，能够获得聚焦好的实际输电线二维图像。

为达到上述目的，本发明提供一种基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，该方法的步骤包括：

步骤S1：构建各处等高的理想输电线高度与单通道圆迹合成孔径雷达的方位角、下视角，以及成像平面高度之间关系的理想输电线高度模型；

步骤S2：选取一个高于或低于实际输电线高度的成像平面，对各处非等高但高度变化小于实际输电线平均高度10％的实际输电线，进行圆迹合成孔径雷达二维成像；

步骤S3：根据各处等高的理想输电线高度模型，从圆迹合成孔径雷达二维图像中提取实际输电线的高程初始值；

步骤S4：获取一系列实际输电线在不同位置处聚焦的二维图像，以聚焦好的位置处的高度作为样本进行曲线拟合，得到整条实际输电线的高程。

本发明的有益效果是：

本发明中构建各处等高的理想输电线高度与单通道圆迹合成孔径雷达的方位角、下视角，以及成像平面高度之间关系的理想输电线高度模型，解决了圆迹合成孔径雷达模式下，线状目标难以通过图像配准方法实现高程提取的问题；

本发明根据理想输电线高度模型，从圆迹合成孔径雷达二维图像中提取实际输电线的高程初始值，解决了圆迹合成孔径雷达模式下，难以从单幅二维图像中获取实际输电线的高程问题；

本发明中获取一系列实际输电线在不同位置处聚焦的二维图像，以聚焦好的位置处的高程作为样本进行曲线拟合，得到整条实际输电线的高程，解决了难以获取随地面高程变化的实际输电线高程问题；

此外，利用实际输电线高程，能够获得聚焦的实际输电线二维图像，进而获取实际输电线的分布和朝向等信息。

附图说明

图1是本发明中基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法的流程图；

图2是单个点目标在不同聚焦平面上的二维成像示意图；

图3是圆迹合成孔径雷达模式下各处等高理想输电线的二维成像示意图；

图4是本发明提取实际输电线高程初始值的流程图；

图5是本发明获取整条实际输电线高程的流程图。

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，对本发明作进一步地详细说明。

请参阅图1示出了本发明基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法的流程图。该方法具体实现步骤如下：

步骤S1：构建各处等高的理想输电线高度与单通道圆迹合成孔径雷达的方位角、下视角，以及成像平面高度之间关系的理想输电线高度模型。

请参阅图2示出单个点目标在不同聚焦平面上的二维成像示意图，在单通道圆迹合成孔径雷达模式下，对具有一高度的理想点目标P进行二维成像，若选择的成像平面高度和目标高度不一致时，则会出现点目标散焦成圆环现象。设雷达以O′为中心进行圆周飞行，雷达的方位角为φ，下视角为θ，被测目标区域中心为O，则点目标P的三维位置P(x，y，z)与其在高度为z_plan的平面上二维成像后的像素坐标位置(x′，y′)之间的关系为

各处等高理想输电线可以看成是由无数个等高度的点目标组成。为了使得理想输电线的散射特性更接近真实情况，理想输电线的高度计算步骤如下说明：

请参阅图3示出在单通道圆迹合成孔径雷达模式下各处等高理想输电线的二维成像示意图，在HH极化方式下，当选择的成像平面高度和理想输电线高度不一致时，理想输电线上的各点不是散焦成圆环，而是仅在近似垂直于圆迹合成孔径雷达飞行方向上，即两个相差180度的方位角，理想输电线才有散射特性，根据所述散射特性设成像平面选择为z_plan，成像平面的高度与理想输电线高度z不相等，此时，各处等高的理想输电线成像结果表现为两条平行的直线。

若在中心方位角为φ₁的第一个子孔径下，成像结果为第一条直线a；在中心方位角为φ₂的第二个子孔径下，成像结果为第二条直线b；理想输电线上任意点(x，y，z)在第一个子孔径下的像素坐标为(x₁，y₁)，在第二个子孔径下的像素坐标为(x₂，y₂)，则由公式(1)可得两个子孔径下理想输电线的坐标和其在二维图像中的像素坐标之间的关系为：

和

假设两条直线的斜率为k，由(x₁，y₁)向第二条直线b作垂线，垂足为(x₀，y₀)，则(x₀，y₀)为第二条直线b和垂线的交点，即

根据公式(2)、(3)、(4)得到第二条直线b与垂线的交点(x₀，y₀)表示如下：

结合公式(2)、(3)和(5)，可得成像结果的第一条直线a与第二条直线b相互平行，所述两平行直线之间的距离d为，

由公式(6)进一步可得理想输电线目标高度z为

若成像平面高度高于理想输电线高度z，则公式(7)等号右边第一项取负号，若所述成像平面的高度z_plan低于理想输电线高度z，则上式等号右边第一取正号。

由于单通道圆迹合成孔径雷达模式下，各处非等高但高度变化小的实际输电线二维图像可近似为散焦的两条直线，因此，可采用各处等高理想输电线的高度计算公式，获取各处非等高但高度变化小的实际输电线高程的初始值。

步骤S2：对各处非等高但高度变化小于实际输电线平均高度10％的实际输电线，选取一个高于或低于实际输电线高度的成像平面，进行圆迹合成孔径雷达二维成像。

步骤S3：根据各处等高的理想输电线高度模型，从圆迹合成孔径雷达二维图像中提取实际输电线的高程初始值。

请参阅图4示出从圆迹合成孔径雷达二维图像中提取实际输电线的高程初始值的具体流程分为以下四个步骤：

步骤S31：在圆迹合成孔径雷达模式下，各处非等高而且高度变化小的实际输电线二维图像近似为散焦的两条直线，从所述二维图像中选出实际输电线；

步骤S32：利用Hough变换检测二维图像中直线的斜率，挑选出对应于同一实际输电线的两条不同散焦直线；

步骤S33：根据直线斜率和直线上的任意一点坐标计算两条直线之间的距离；

步骤S34：根据理想输电线高度模型，计算实际输电线高程的初始值。

步骤S4：获取一系列实际输电线在不同位置处聚焦的二维图像，以聚焦好的位置处的高度作为样本进行曲线拟合，得到整条实际输电线的高程。

请参阅图5示出获取整条实际输电线的高程的具体流程分为以下四个步骤：

步骤S41：采用实际输电线二维成像结果和实际输电线的初始高度值，确定成像平面的变化范围和间隔；

步骤S42：改变成像平面高度，获取实际输电线在不同位置处聚焦的二维图像序列；

步骤S43：挑选出每幅图像中聚焦好的像素点，并记录聚焦好的像素点对应的成像平面高度，即实际输电线在该位置处的高度；

步骤S44：以聚焦好的像素点对应的高度作为样本进行曲线拟合，获得整条实际输电线的高程。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (9)

1.一种基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

步骤S1:构建各处等高的理想输电线高度与单通道圆迹合成孔径雷达的方位角、下视角，以及成像平面高度之间关系的理想输电线高度z模型；

步骤S2:选取一个高于或低于实际输电线高度的成像平面，对各处非等高但高度变化小于实际输电线平均高度10％的实际输电线，进行圆迹合成孔径雷达二维成像；

步骤S3:根据各处等高的理想输电线高度模型，从圆迹合成孔径雷达二维图像中提取实际输电线的高程初始值；

步骤S4:获取一系列实际输电线在不同位置处聚焦的二维图像，以聚焦好的位置处的高度作为样本进行曲线拟合，得到整条实际输电线的高程。

2.根据权利要求1所述基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，采用单通道圆迹合成孔径雷达二维图像提取实际输电线高程。

3.根据权利要求1所述基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，所述理想输电线高度z模型如下:

$z=\±\frac{d\sqrt{1+k^2}}{|({\mathrm{sin\φ}}_2-{\mathrm{sin\φ}}_1)-k({\mathrm{cos\φ}}_2-{\mathrm{cos\φ}}_1)|tan\mathrm{\θ}}+z_{plan}$

其中：d为二维成像结果中斜率相同的第一条直线与第二条直线之间的距离，k为成像结果的第一条直线或第二条直线的斜率，φ₁为圆迹合成孔径雷达的第一个子孔径的中心方位角，φ₂为圆迹合成孔径雷达的第二个子孔径的中心方位角，θ为圆迹合成孔径雷达的下视角，z_plan为成像平面的高度。

4.根据权利要求3所述基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，若所述成像平面的高度高于理想输电线高度，则所述理想输电线高度z模型等号右边第一项取负号，若所述成像平面的高度低于理想输电线高度，则所述理想输电线高度z模型等号右边第一项取正号。

5.根据权利要求3所述基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，所述成像结果的第一条直线与第二条直线相互平行，所述两条平行直线之间的距离d表示如下：

$\begin{array}{c}d=\sqrt{{\left(x_1-x_0\right)}^2+{\left(y_1-y_0\right)}^2}\\ =\frac{|z-z_{plan}|}{\sqrt{1+k^2}}|\left({\mathrm{sin\φ}}_2-{\mathrm{sin\φ}}_1\right)-k\left({\mathrm{cos\φ}}_2-{\mathrm{cos\φ}}_1\right)|\tan \mathrm{\θ}\end{array}$

其中：(x₁,y₁)为理想输电线上任意点(x,y,z)在第一个子孔径下的像素坐标，(x₀,y₀)为垂足是第二条直线和垂线的交点，所述垂线是第一个子孔径下的像素坐标(x₁,y₁)向第二条直线作的垂线。

6.根据权利要求5所述基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，所述第二条直线与垂线的交点(x₀,y₀)表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=\frac{1}{1+k^2}{x}_1+\frac{k^2}{1+k^2}{x}_2+\frac{k}{1+k^2}{y}_1-\frac{k}{1+k^2}{y}_2\\ y_0=\frac{k}{1+k^2}\left(x_1-x_2\right)+\frac{k^2}{1+k^2}{y}_1+\frac{1}{1+k^2}{y}_2\end{array}\right.$

其中，(x₂,y₂)为输电线上任意点在第二个子孔径下的像素坐标。

7.根据权利要求5所述基于圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，所述第一个子孔径下的像素坐标(x₁,y₁)和第二个子孔径下的像素坐标(x₂,y₂)计算如下：

在HH极化方式下，当选择的成像平面高度和理想输电线高度不一致时，理想输电线上的各点不是散焦成圆环，而是仅在近似垂直于圆迹合成孔径雷达飞行方向上，即两个相差180度的方位角，理想输电线才有散射特性；根据所述散射特性设成像平面选择为z_plan，成像平面的高度与理想输电线高度z不相等，则各处等高的理想输电线成像结果表现为两条平行的直线；

若在中心方位角为φ₁的第一个子孔径下，成像结果为第一条直线，在中心方位角为φ₂的第二个子孔径下，成像结果为第二条直线，理想输电线上任意点(x,y,z)在第一个子孔径下的像素坐标为(x₁,y₁)，在第二个子孔径下的像素坐标为(x₂,y₂)，则两个子孔径下输电线像素坐标和实际坐标之间的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\≈x+(z-z_{plan}){\mathrm{tan\θcos\φ}}_1\\ y_1\≈y+(z-z_{plan}){\mathrm{tan\θsin\φ}}_1\end{array}\right.$

和

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2\≈x+(z-z_{plan}){\mathrm{tan\θcos\φ}}_2\\ y_2\≈y+(z-z_{plan}){\mathrm{tan\θsin\φ}}_2\end{array}\right..$

8.根据权利要求1所述的圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，所述从圆迹合成孔径雷达二维图像中提取实际输电线的高程初始值包括步骤如下：

步骤S31：在圆迹合成孔径雷达模式下，各处非等高而且高度变化小的实际输电线二维图像近似为散焦的两条直线，从所述二维图像中选出实际输电线；

步骤S32：利用Hough变换检测二维图像中直线的斜率，挑选出对应于同一实际输电线的两条不同散焦直线；

步骤S33：根据直线斜率和直线上的任意一点坐标计算两条直线之间的距离；

步骤S34：根据理想输电线高度模型，计算实际输电线高程的初始值。

9.根据权利要求1所述的圆迹合成孔径雷达二维图像的输电线高程提取方法，其特征在于，获取整条实际输电线的高程的步骤如下：

步骤S41：采用实际输电线二维成像结果和实际输电线的初始高度值，确定成像平面的变化范围和间隔；

步骤S42：改变成像平面高度，获取实际输电线在不同位置处聚焦的二维图像序列；

步骤S43：挑选出每幅图像中聚焦好的像素点，并记录聚焦好的像素点对应的成像平面高度，即实际输电线在该位置处的高度；

步骤S44：以聚焦好的像素点对应的高度作为样本进行曲线拟合，获得整条实际输电线的高程。