CN105403886A - 一种机载sar定标器图像位置自动提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载SAR定标器图像位置自动提取方法。使用本发明能够快速、准确地在SAR图像中自动查找到定标器，且定位精确度高。本发明首先提取定标器和SAR主天线的位置信息，以及SAR图像处理多普勒中心频率，接着将定标器和SAR主天线的经纬度信息投影至同一平面中，高度信息保持不变，然后计算定标器位置到主天线运动轨迹的最近距离，获得最近斜距和零多普勒时刻，再通过斜视几何确定定标器在波束中心穿越时刻的斜距，以及波束中心穿越时刻主天线的方位位置；进而以该斜矩和方位位置作为定标器在SAR图像中的初始距离位置和初始方位位置，最后以该初始位置为中心取一搜索窗口，该搜索窗口内强度最大的像素点的位置即为定标器在SAR图像中的位置。

Description

一种机载SAR定标器图像位置自动提取方法

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，具体涉及一种机载SAR定标器图像位置自动提取方法。

背景技术

机载合成孔径雷达(SAR)是一种主动式微波成像传感器，它利用雷达与目标之间的相对运动将尺寸较小的真实天线孔径通过数据处理的方法合成较大的等效天线孔径，从而实现高分辨率成像。SAR能够全天时、全天候对目标进行检测和定位，受天气影响小，因此在军事侦察、地形测绘等领域得到了广泛的应用。

定标器是SAR定标中用到的一种工具，分为无源定标器和有源定标器。无源定标器是具有强后向反射系数和一定几何形状的金属器件，有源定标器则是能够主动发射信号的定标器件，定标器在SAR的应用中扮演着重要的角色。在定标时，我们需要获取定标器在SAR图像中的准确位置。目前，大多都是通过人工查找的方法，通过人眼观察定标器在SAR图像中的亮点显示来确定定标器在SAR图像中的位置。人工查找定位的方法存在以下几点不足：

(1)人工查找方法工作量大，速度慢，耗费时间长。尤其对于场景较大、定标点较多的情况，人工查找定标点将耗费较多的时间和精力，具有较大难度，缺乏实用性，难以应用到大型工程项目中。

(2)人工查找法可能会出现定位错误。SAR图像(未进行地理编码之前)相对于真实场景存在一定畸变，对人工查找定标器带来了一定困难，尤其当定标器周围存在其他强点目标干扰时，容易将非定标器点误认为定标器，从而导致错误的查找结果。

(3)人工查找法容易出现查找误差。图像中定标器中心和四周的亮度均较亮，直接用肉眼难以分辨出最亮的像素中心，因此可能导致查找误差(像素级误差)。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机载SAR定标器图像位置自动提取方法，能够快速、准确地在SAR图像中自动查找到定标器，且定位精确度高。

本发明的机载SAR定标器图像位置自动提取方法，包括如下步骤：

步骤1，提取定标器的经纬度、高度信息，SAR图像中SAR主天线在每个方位时刻的经纬度、高度信息，以及SAR图像的处理多普勒中心频率；

步骤2，将定标器和SAR主天线的经纬度信息投影至同一坐标系Oxyz的Oxy平面中，坐标轴z为定标器和主天线的高度坐标；

步骤3，在坐标系Oxyz中，计算定标器位置到主天线运动轨迹的最近距离，该最近距离即为最近斜距，该最近距离对应的主天线位置的方位时刻即为零多普勒时刻；

步骤4，如果SAR图像成像在零多普勒，则根据步骤3获得零多普勒时刻的主天线方位位置和最近斜距，在SAR图像中找到对应的行、列号，作为定标器在SAR图像中的初始位置，执行步骤5；如果SAR图像成像在多普勒中心，则首先利用SAR图像的处理多普勒中心频率计算出雷达波束的斜视角，再根据斜视角和步骤3获得的最近斜距计算出定标器在波束中心穿越时刻的斜距，以及波束中心穿越时刻主天线的方位位置；根据波束中心穿越时刻主天线的方位位置及该时刻的斜矩，在SAR图像中找出对应的行、列号，作为定标器在SAR图像中的初始位置，执行步骤5；

步骤5，以步骤4获得的定标器在SAR图像中的初始位置为中心，取一个搜索窗口，搜索窗口内强度最大的像素点，则该位置即为定标器在SAR图像中的位置。

进一步地，所述步骤3中，定标器位置到主天线运动轨迹的最近距离的计算方法为：首先计算每个方位时刻主天线位置与定标器位置之间的距离，然后取距离最小值作为定标器位置到主天线各方位时刻的运动轨迹的最近距离。

进一步地，还包括步骤6，即，将步骤5得到的定标器在SAR图像中的位置坐标作为中心，取一窗口，对窗口内图像进行升采样，升采样后窗口内强度最大的像素点在SAR图像中的位置即为定标器在SAR图像中的最终位置。

进一步地，所述步骤2中，采用高斯投影方法将定标器和SAR主天线的经纬度信息投影至坐标系Oxyz的Oxy平面中。

进一步地，在定标器有时延的情况下，对步骤4获得的定标器的初始距离位置进行校正，即将步骤4获得的初始距离位置加上定标器时延距离，获得的距离位置即为校正后的初始距离位置。

有益效果：

该方法可以在不需要人工查看图像的情况下自动提取定标器在SAR图像中的位置，与现有人工查找方法具有以下优点：

(1)实现了查找的自动化，不再需要人工查看SAR图像，节省了大量的人力和精力，加快了查找速度，在实际工程中具有良好的应用前景。

(2)定标器位置提取结果准确可靠，避免了人工查找时可能出现的判读错误和误差。

(3)该方法能够适用于多种定标模式，辐射定标和干涉定标中均可采用此方法来查找定标点的准确位置。

附图说明

图1为本发明的机载SAR定标器图像位置自动提取方法流程图。

图2为定标器场景图及计算的初始坐标与实际坐标示意图。

图3为定标器想点升采样后示意图。

图4为定标器图像点升采样后距离和方位向切片示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种机载SAR定标器图像位置自动提取方法，其流程图如图1所示，具体实现步骤如下：

步骤一、读取定标器的位置信息(纬度、经度和高度信息)，读取SAR主天线在SAR图像对应的每个方位时刻的位置信息(纬度、经度和高度信息)，以及SAR图像的处理多普勒中心等参数。

在实际应用中，定标器的位置信息都是以纬度、经度和高度信息给出的，同时，SAR图像也会给出场景图像(SAR图像)对应的POS数据，POS数据记录了场景图像每个方位时刻主天线的位置信息，即主天线的纬度、经度和高度信息，以及该SAR图像在成像过程中所用的处理多普勒中心。首先读取这些数据。

步骤二、将定标器的经纬度坐标和SAR主天线的经纬度坐标投影到同一坐标系Oxyz的平面Oxy中，坐标轴z为定标器和主天线的高度坐标轴，定标器和主天线的高度值与步骤一获得的高度值相同。

其中，根据投影方法选取具体的坐标系Oxyz，只需保证定标器的经纬度坐标和SAR主天线的经纬度坐标投影到同一平面即可。本发明采用高斯投影方法，将定标器位置和主天线位置投影到高斯平面坐标系下。其中，高斯投影计算公式如下：

$x=X+\frac{N}{2{\mathrm{\ρ}}^{\′\′2}}\sin B\cos B\·l^{\′\′2}+\frac{N}{24{\mathrm{\ρ}}^{\′\′4}}\sin B{\cos }^{3}B(5-t^2+9{\mathrm{\η}}^2+4{\mathrm{\η}}^4)l^{\′\′4}$

$+\frac{N}{720{\mathrm{\ρ}}^{\′\′6}}\sin B{\cos }^{5}B(61-58t^2+t^4)l^{\′\′6}$

$y=\frac{N}{{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}}\cos B\·l^{\′\′}+\frac{N}{6{\mathrm{\ρ}}^{\′\′3}}{\cos }^{3}B(1-t^2+{\mathrm{\η}}^2)l^{\′\′3}$

$+\frac{N}{120{\mathrm{\ρ}}^{\′\′5}}{\cos }^{5}B(5-18t^2+t^4+14{\mathrm{\η}}^2-58{\mathrm{\η}}^2{t}^2)l^{\′\′5}$

上式中，B、l分别为纬度和相对于中央子午线的经度。通过上式即可将定标器的经纬度坐标和POS记录的主天线的经纬度坐标变换到同一个平面坐标系中。投影后，z轴为高度坐标，且令定标器和主天线的高度坐标为原高度，保持不变。

步骤三、在坐标系Oxyz中，计算定标器到主天线运动轨迹的最近距离，该最近距离即为最近斜距，该最近距离对应的主天线位置的方位时刻即为零多普勒时刻。

POS记录的主天线位置数据是一条直线(经运动补偿后)，计算定标器到该直线的距离即为最近斜距。在实际中，当图像方位向分辨率较高时，可以计算每个方位时刻主天线位置与定标点之间的距离，并取最小值作为最近距离，而最近距离对应的主天线方位时刻，即为零多普勒时刻。

步骤四、利用处理多普勒中心频率计算雷达波束的斜视角，再根据斜视角和步骤三获得的最近斜距计算出定标器在波束中心穿越时刻的斜距，以及波束中心穿越时刻主天线的方位位置。

根据处理多普勒中心与斜视角的关系，可得出斜视角β的计算公式为：

$\mathrm{\β}=arcsin\frac{{\mathrm{\λf}}_{dc}}{2v}$

其中，λ为雷达信号波长，f_dc为处理多普勒中心频率，v为雷达平台速度。

则定标器在雷达波束中心穿越时刻斜距R为：

R＝R₀/cosβ

其中，R₀为步骤三获得的最近斜距；

找到雷达波束中心穿越时刻斜距R在SAR图像距离向对应的距离门n_i(即SAR图像所在列号)：

$n_i=round\left(\frac{R-r_0}{drange}\right)+1$

其中，r₀为SAR图像中第1列代表的距离位置，drange为图像距离向间距，round()为取整函数。

则主天线在波束中心穿越时刻的方位位置m_i为：

$m_i=m_0-round\left(\frac{R_{0}tan\mathrm{\β}}{dAzimuth}\right)$

其中，m₀为主天线在最近斜矩对应的方位位置，dAzimuth为SAR图像方位向间距。

步骤五、在SAR图像中找到步骤四获得的波束中心穿越时刻的主天线方位位置m_i和波束中心穿越时刻的斜距所在距离门n_i，将(m_i,n_i)作为定标器在SAR图像中的初始位置，并以(m_i,n_i)为中心取16*16大小的搜索窗口(搜索窗口大小可根据实际情况进行调整)，搜索窗口内强度最大的像素点。强度最大的像素点的位置即为定标器位置。

步骤六、为了获得定标器更准确的位置，将步骤五中得到的定标器位置作为中心，在SAR图像中取5*5大小的窗口进行10倍升采样，找出升采样后强度最大的像素点，并计算其在SAR图像中的位置，该位置即为定标器的位置，由此可获得定标器的亚像素级定位精度。

自此，就完成了机载SAR定标器图像位置自动提取。

上述定标器定位方法是假定SAR图像几何与数据获取几何一致，即图像成在多普勒中心，此时目标方位向定位在波束中心穿越时刻，距离向定位在波束中心穿越时刻斜距。当图像成像在零多普勒时，直接将步骤三中计算得到的最近斜距和零多普勒时刻主天线方位位置对应的SAR图像的列、行号作为步骤五中的定标器初始位置即可。同时该方法针对的是无源定标器图像定位，对于有源定标器而言，如果知道有源定标器的准确时延，该方法亦可推广至有源定标器定位，此时，需要对定标器在SAR图像中的初始距离位置进行校正，即需要在初始距离位置的基础上加上有源定标器的时延距离，以校正后的初始距离执行之后的步骤。

下面给出一个具体实例。

机载SAR的飞机航线为自东向西飞行，航向角为-92.537°，飞行高度为3410.7m。确定定标器位置所采用的SAR场景图方位向为11296个像素，每个像素之间的间距为0.1787m；距离向为9915个像素，每个像素之间的间距为0.1874m；SAR图像的距离范围为3.5169km～5.3744km。

以定标器1为例，其地理坐标为1(34.83759°，109.53435°，342.897m)，括号内分别代表纬度、经度和高度。处理多普勒中心频率为348.957Hz。

采用高斯投影计算公式，定标器1投影到Oxyz平面后的坐标位置为(3.8576e6,3.6593e5，342.897)，同时将POS记录中的主天线位置也投影到该坐标系下。然后采用步骤三计算得到定标器1到主天线轨迹的最近距离为R₀＝7429.0275m，零多普勒时刻对应的方位位置为m₀＝8477(SAR图像行号)。则根据步骤四计算得到的定标器1的波束中心穿越时刻斜距距离位置n_i＝6517，方位位置m_i＝6861。以(6861,6517)为中心，取16*16大小的搜索窗口，获得搜索窗口内强度最大的像素点的位置为(6864，6517)，该坐标与步骤四中计算得到的初始坐标相比，二者仅相差几个像素距离，这说明该方法计算的初始坐标是较为准确的。采用步骤六对(6864，6517)取5*5大小的窗口进行10倍升采样后，定标器1的最终坐标精确到(6863.7,6516.9)，这样就得到了该定标器在SAR图像中的精确位置，实现了定标器图像位置自动提取的方法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机载SAR定标器图像位置自动提取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，提取定标器的经纬度、高度信息，SAR图像中SAR主天线在每个方位时刻的经纬度、高度信息，以及SAR图像的处理多普勒中心频率；

步骤2，将定标器和SAR主天线的经纬度信息投影至同一坐标系Oxyz的Oxy平面中，坐标轴z为定标器和主天线的高度坐标；

步骤3，在坐标系Oxyz中，计算定标器位置到主天线运动轨迹的最近距离，该最近距离即为最近斜距，该最近距离对应的主天线位置的方位时刻即为零多普勒时刻；

步骤4，如果SAR图像成像在零多普勒，则根据步骤3获得零多普勒时刻的主天线方位位置和最近斜距，在SAR图像中找到对应的行、列号，作为定标器在SAR图像中的初始位置，执行步骤5；如果SAR图像成像在多普勒中心，则首先利用SAR图像的处理多普勒中心频率计算出雷达波束的斜视角，再根据斜视角和步骤3获得的最近斜距计算出定标器在波束中心穿越时刻的斜距，以及波束中心穿越时刻主天线的方位位置；根据波束中心穿越时刻主天线的方位位置及该时刻的斜矩，在SAR图像中找出对应的行、列号，作为定标器在SAR图像中的初始位置，执行步骤5；

步骤5，以步骤4获得的定标器在SAR图像中的初始位置为中心，在SAR图像中取一个搜索窗口，该搜索窗口内强度最大的像素点位置即为定标器在SAR图像中的位置。

2.如权利要求1所述的机载SAR定标器图像位置自动提取方法，其特征在于，所述步骤3中，定标器位置到主天线运动轨迹的最近距离的计算方法为：首先计算每个方位时刻主天线位置与定标器位置之间的距离，然后取距离最小值作为定标器位置到主天线各方位时刻的运动轨迹的最近距离。

3.如权利要求1所述的机载SAR定标器图像位置自动提取方法，其特征在于，还包括步骤6，即，将步骤5得到的定标器在SAR图像中的位置坐标作为中心，取一窗口，对窗口内图像进行升采样，升采样后窗口内强度最大的像素点在SAR图像中的位置即为定标器在SAR图像中的最终位置。

4.如权利要求1所述的机载SAR定标器图像位置自动提取方法，其特征在于，所述步骤2中，采用高斯投影方法将定标器和SAR主天线的经纬度信息投影至坐标系Oxyz的Oxy平面中。

5.如权利要求1～4任意一项所述的机载SAR定标器图像位置自动提取方法，其特征在于，在定标器有时延的情况下，对步骤4获得的定标器的初始距离位置进行校正，即将步骤4获得的初始距离位置加上定标器时延距离，获得的距离位置即为校正后的初始距离位置。