CN117745779A - 一种光学和sar共孔径一致性成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光学和SAR共孔径一致性成像方法,属于光学和雷达成像领域。所述方法包括:步骤1,根据光学倾斜成像模型和光学中心投影原理,提出基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法,得到SAR待成像目标区域以及某拍摄时刻的光学相片所对应的SAR回波数据区间;步骤2,对基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法得到的SAR待成像目标区域划分网格,对SAR回波数据区间进行BP成像处理,实现光学和SAR共孔径一致性成像。所述方法将光学和SAR异源数据进行有效联合处理,实现光学和SAR的一致性成像,达到成像即配准的目的,具有更高的处理效率。
Description
技术领域
本发明属于光学和雷达成像领域,具体涉及一种光学和SAR共孔径一致性成像方法。
背景技术
遥感影像的分析与解译是影像处理领域的研究热点,光学影像具有高空间分辨率、能提供清晰丰富的纹理信息和地物空间特征,但是易受自然气候影响,无法提供全天时全天候的遥感图像;雷达成像不受云雾干扰,可以全天时全天候工作,但存在相干斑噪声等影响。因此将光学、雷达影像融合实现异源信息互补以形成高质量的图像,这便于后续影像的分析与解译。其中光学影像和雷达影像的配准是影像处理与分析的基础。
现有遥感卫星中,光学和雷达成像***多为非共孔径体制,这会导致由于观测时间、观测视角及观测范围的不一致性带来的图像解译能力差的问题。非共孔径***下,光学影像和雷达影像的配准大多数集中在图像域完成,光学和雷达异源图像配准的过程中存在辐射和几何差异、自动分割与配准流程复杂、难以实现在线实时处理等问题。因此开展光学、雷达共孔径体制下一致性成像研究是十分必要的,在避免非共孔径体制下的异源数据在时间和空间上的差异的同时,采用合理的方法达到成像即配准的目的,以规避图像配准中的复杂过程。
目前全球关于光学相机与合成孔径雷达(SAR)一体化成像设备的研究成果极少,起步较晚,仍处于***设计和实验验证阶段,通过将主、被动两种遥感手段有机结合,可以实现跨光电频域遥感信息的共时相数据获取。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种光学和SAR共孔径一致性成像方法,从光学和雷达各自的成像机理出发,考虑二者成像***的参数差异,构建跨频域一致性成像模型,提出光学和SAR共孔径一致性成像方法,实现了共孔径体制下SAR成像结果和光学相片的自动配准,突破了传统成像与配准分立的处理方法,使数据处理流程变得简单,达到高效处理。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种光学和SAR共孔径一致性成像的方法,包括如下步骤:
步骤1,根据光学倾斜成像模型和光学中心投影原理,提出基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法,得到SAR待成像目标区域以及某拍摄时刻的光学相片所对应的SAR回波数据区间;
步骤2,对基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法得到的SAR待成像目标区域划分网格,对SAR回波数据区间进行时域后向投影BP成像处理,实现光学和SAR共孔径一致性成像。
本发明的有益效果是:
本发明提出的方法将光学和SAR异源数据进行有效联合处理,提出的基于光学相片四边中点的定位方法计算简单,无需使用额外的测距仪器,结合光学和SAR分别的几何构型和成像原理得到拍摄的光学相片对应的SAR回波数据区间,采用BP成像算法对得到的SAR回波数据区间进行成像处理,从成像几何构型的角度出发,实现光学和SAR的一致性成像,达到成像即配准的目的,改善了传统成像和配准分立的情况,具有更高的处理效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种光学和SAR一致性成像方法的流程图;
图2为本发明提供的一种基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法示意图;
图3为本发明提供的一种光学和SAR一致性成像方法几何构型示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
本发明公开了一种光学和SAR一致性成像方法,基于共孔径***,采用分光分频理论,实现光学和SAR共孔径***集成设计。如图1所示,给出了本发明的一种光学和SAR一致性成像方法的流程图,具体包括:
步骤1,根据光学倾斜成像模型和光学中心投影原理,提出基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法,得到光学相片对应的目标区域,共孔径下也即SAR待成像目标区域,以及某拍摄时刻的光学相片所对应的SAR回波数据区间;
步骤2,对基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法得到的SAR待成像目标区域划分网格,对SAR回波数据区间进行时域后向投影BP成像处理,实现光学和SAR共孔径一致性成像。
所述方法的原理如下:
一致性成像方法需构建光学和SAR异源数据的一致性成像模型,考虑到光学遥感相机是瞬时曝光得到的光学图像,其几何模型通常采用中心投影成像方式,理想情况下物点、相机光心、像点三点共线,可以垂直照射也可以倾斜照射目标,SAR则是在合成孔径时间内通过信号处理得到SAR图像,并且只能以侧视方式主动成像,因此在共孔径体制下,需采用光学倾斜成像模型,根据光学相机倾斜拍摄的照片解算目标的位置。通过光学中心投影成像原理,由共线方程、坐标转换来解算目标在北东地坐标系下的坐标,通过定位得到的物点在飞机飞行方向的位置信息、以及原本已知的机载样机初始起飞时刻的POS信息、合成孔径的长度、以及一个合成孔径时间内雷达发射的脉冲数,计算得到某拍摄时刻相片对应的SAR回波数据区间,之后对待成像的目标区域划分网格,进行时域后向投影(BP)成像处理,得到一致性成像结果。
由光学相片解算目标位置信息这一过程称为目标定位。共孔径下,机载样机搭载光学相机采用面阵推扫成像方式,其定位方法主要有基于激光测距设备、基于地球椭球模型、基于数字高程模型三类定位算法。本发明在上述已有定位算法的基础上,提出了一种基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法。根据相机成像的几何关系、机载样机的飞行高度、相机倾斜角度、相机视场角,由三角函数计算得到相片中心线上对应的相片四个边界点的理论斜距,根据共线方程、坐标转换就能得到这四个像点对应的理想物点位置信息,根据光学成像的几何构型,基于本定位方法得到的四个物点是SAR待成像目标区域的边界点,其位置坐标在北东地坐标系下,此过程是光学和SAR一致性成像方法的基础,光学定位精度的高低决定了SAR成像结果和光学相片是否可以直接匹配的能力。
光学目标及定位成像原理如下:机载样机搭载的光学相机采用面阵推扫成像方式,对地面目标间隔摄影获得多幅相片。面阵CCD航空相机拍摄的图像中所有像元都是在同一时刻形成的,生成的每一幅光学图像都符合中心投影规律,像点、相机光心、物点在同一直线上,一幅图像对应一组姿态参数,可根据中心投影原理建立成像方程,进而解算目标的位置信息。
高空远距离航空相机作为目前获取地面目标区域图像信息的主要光电设备之一,可在10km到20km高空对10km到100km之间的目标进行成像测量,能实时提供目标的图像及地理位置等信息。目标位置解算的过程主要是坐标变换,需要用到地心笛卡尔坐标系(ECEF)、地心大地坐标系、北东地坐标系(NED)、载机坐标系(AC)、传感器北东地坐标系、传感器本体坐标系、相机坐标系、图像坐标系等坐标系。不同的坐标系间有对应的转换关系。为了方便讨论,将物点P在坐标系A下的坐标表示为:
,
其中,右上角的T代表矩阵转置,理想成像时物点P在北东地坐标系下的坐标与像点坐标/>之间存在如下关系:
,
式中为相机内部参数矩阵,/>为相机外部参数矩阵,/>为物点/>在相机坐标系/>下的坐标,/>是物点P在相机坐标系/>轴下的值的大小,为像点在像素坐标系下的齐次坐标。
的具体形式为:/> ,
为相机焦距,/>为成像***的像元尺寸,/>为像主点的像素坐标。表示从北东地坐标系/>到相机坐标系/>的转换关系,物点到像点的转换过程依次为北东地坐标系/>、传感器北东地坐标系/>、传感器本体坐标系、相机坐标系/>。
GNSS/INS组合导航***与载机固连,获取的载机位置信息为WGS84坐标系下的经度、纬度/>、高度/>,由WGS84坐标系转换到地心空间直角坐标系,地心空间直角坐标系下的坐标数值较大,因此常用北东地坐标系下的坐标来描述相互位置信息。地心空间直角坐标系到北东地坐标系的旋转矩阵/>为:
,
以GNSS/INS组合导航***获取的第一组经纬度高程值对应在传感器本体坐标系下的位置为原点建立北东地坐标系,将其作为整体处理流程中的北东地坐标系,POS输出每幅影像拍摄时刻的传感器本体坐标系原点在WGS84坐标下的经纬高信息以及三个欧拉角,从传感器北东地坐标系/>依次绕/>轴、/>轴、/>轴旋转角度/>(横滚角)、/>(俯仰角)、/>(偏航角)后与传感器本体坐标系/>重合。传感器北东地坐标系到传感器本体坐标系的旋转矩阵/>为:
,
光学遥感相机倾斜拍摄时,除了组合导航***输出三个方向的转角外,还会有倾斜拍摄带来的横滚角。传感器本体坐标系到相机坐标系的旋转矩阵/>为:
,
当不考虑传感器位置和载机质心、相机光心的位置关系时,仅考虑各坐标系间的旋转变换,相机外部参数矩阵为:
,
因此,当已知像点坐标、相机内外参矩阵、以及物点P在相机坐标系轴下的值的大小/>时,就能将物点P在北东地坐标系下的位置解算出来。
如图2所示,给出了基于相片四边中点的四点斜距平地目标定位方法示意图,根据光学倾斜成像模型,选取相片四边中点这四个像点对应的物点作为SAR待成像目标区域,在平地目标区域下,根据相机成像的几何关系、相机倾斜角度、飞机飞行高度、相机拍摄的视场角,由三角函数计算得到相片四边中点对应的物点和相机光心间的斜距值,也即在相机坐标系轴下的/>值的大小,再通过坐标转换对这四个像素点(1024,1),(1024,2048),(1,1024),(2048,1024)由像素坐标系转换到到相机坐标系/>再到北东地坐标系,也即附图2的/>,坐标转换后得到平地上的地面目标的位置信息,这四个地面目标点也是SAR待成像目标区域的边界点。此定位方法无需通过激光测距就能得到相片四边中点对应的物点在相机坐标系/>轴下的/>值的大小,计算量较小,定位过程简单且易于理解。
根据光学相片定位得到的这四个物点在飞机飞行方向上的位置信息、和已知的机载样机初始起飞时刻的POS信息、合成孔径的长度、以及一个合成孔径时间内雷达发射的脉冲数,就可以得到某拍摄时刻光学相片所对应的SAR回波数据区间。基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法得到的相片四边中点对应的物点目标斜距误差和方位向位置误差均小于光学分辨率,因此直接对光学相片定位解算出的SAR待成像目标区域进行网格划分,采用BP成像算法对SAR天线和各个网格点间的距离进行时域成像处理,将与某拍摄时刻的光学相片所对应的SAR回波数据后向投影到待成像目标区域的各个像素点上,再将各个像素点处的SAR回波进行相干叠加,得到光学和SAR共孔径一致性成像结果。由光学相片解算得到的目标位置区域越精确,SAR成像得到的结果和光学相片的匹配程度越高,达到成像即配准的目的,提升效率的同时无需进行图像域的复杂配准过程。
现阶段SAR成像算法发展日渐成熟,典型的频域成像算法有距离多普勒算法、Chirp Scaling算法、算法。距离多普勒算法在提高距离徙动的准确性和保证大斜视SAR处理精度这两方面存在不足。为了在距离徙动校正时不使用插值处理,Chirp Scaling算法在脉冲压缩前使用相位相乘实现距离徙动校正,但该算法没有对距离二次压缩与距离向频率之间的联系进行补偿。/>算法实现了对距离方位耦合依赖参量的校正,可以对大孔径和大斜视条件下的数据进行良好的处理,但它要求SAR平台的移动速度保持不变。
考虑光学成像和SAR成像间几何构型的联系,BP成像算法在几何构型上和光学中心投影原理非常相近,同时考虑BP成像算法在计算距离历史时没有进行任何近似处理,能够实现对复杂运动相位误差的精确补偿,算法中各像素的处理相互独立,故采用该算法对光学定位解算的待成像区域进行精确的SAR成像处理。
BP成像算法对每个脉冲信号单独进行处理,基于像素点与天线相位中心的距离历史,将接收到的雷达回波信号数据经过后向投影的方式投影到成像场景中的各像素点上,距离向压缩后对像素点和天线之间的距离时间延迟进行插值处理,将所有像素点的回波数据值进行相干累积,以实现整幅SAR图像的聚焦。BP算法沿斜距对成像网格中的像素点进行准确重建,重建后的图像不存在几何失真,它没有航迹和带宽的限制,适用范围比较广。
如图3所示,给出了共孔径下光学和SAR的一致性成像几何构型示意图,建模为根据光学遥感相机得到的相片,通过基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法,对SAR待成像目标区域边界值进行定位并得到某拍摄时刻的光学相片所对应的SAR回波数据区间,光学定位结果的精确程度影响了光学和SAR一致性成像处理结果的准确度。通过坐标转换将像点在像素坐标系/>下的坐标通过坐标转换到相机坐标系再到北东地坐标系,得到物点P在北东地坐标系下的位置信息,此方法的定位精度小于光学分辨率,因此可直接对待成像区域划分网格,对SAR回波数据区间进行BP成像处理,得到的BP成像结果和光学相片在理论情况下基本匹配,实现光学和SAR一致性成像处理。
本发明根据光学和SAR几何构型的区别和联系,使用在成像机理上最接近光学成像机理,且精确计算SAR天线和目标点间距离的BP成像算法,对基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法得到的SAR待成像目标区域结果划分网格,对各像素点的能量相干累加,理想情况下平地目标区域下的SAR成像结果和光学相机拍摄的相片基本匹配,达到光学和SAR一致性成像的目的,本方法计算量较小,无需在图像域进行复杂的配准处理,提高了后续图像处理的效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种光学和SAR共孔径一致性成像方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,根据光学倾斜成像模型和光学中心投影原理,提出基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法,得到SAR待成像目标区域以及某拍摄时刻的光学相片所对应的SAR回波数据区间;
步骤2,对基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法得到的SAR待成像目标区域划分网格,对SAR回波数据区间进行时域后向投影BP成像处理,实现光学和SAR共孔径一致性成像。
2.根据权利要求1所述的一种光学和SAR共孔径一致性成像方法,其特征在于,所述步骤1包括,首先根据光学倾斜成像模型,选取相片四边中点对应的物点作为待成像目标区域,根据相机成像的几何关系、相机倾斜角度、飞机飞行高度、相机拍摄的视场角,由三角函数计算得到相片四边中点对应的物点和相机光心间的斜距值,根据光学中心投影原理,通过坐标转换得到相片四边中点对应的物点在北东地坐标系下的坐标,再根据相片四边中点对应的物点的方位向位置信息,和已知的机载样机在初始时刻的导航定位信息、SAR合成孔径长度、以及在一个合成孔径内雷达发射的脉冲数,得到某拍摄时刻的光学相片所对应的SAR回波数据区间,以进行光学和SAR一致性成像处理。
3.根据权利要求2所述的一种光学和SAR共孔径一致性成像方法,其特征在于,所述步骤2包括,基于相片四边中点的四点斜距平地目标区域定位方法得到的相片四边中点对应的物点目标斜距误差和方位向位置误差均小于光学分辨率,对所述SAR待成像目标区域进行网格划分,采用时域后向投影BP成像算法对SAR天线和各个网格间的距离进行时域成像处理,将与某拍摄时刻的光学相片所对应的SAR回波数据后向投影到SAR待成像目标区域的各个像素点上,再将各个像素点处的SAR回波数据进行相干叠加,得到光学和SAR共孔径一致性成像结果。
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