[发明专利]一种基于曲面后向投影算法的形变反演方法

摘要

本发明公开了一种基于曲面后向投影算法的形变反演方法，包括步骤一、将成像网格设置为地平面，进行BP成像得到形变前的主辅图像，并进行干涉处理，得到粗DEM；步骤二、将粗DEM即H0(N,M)作为新的成像网格所在平面进行BP成像得到形变前的主辅图像，并进行干涉处理，得到新的DEM，进行多次迭代，得到精确的目标的DEM；步骤三、将迭代得到的目标的精确DEM即H(N,M)作为成像网格所在平面进行BP成像得到形变前后的主图，差分处理得到目标的形变信息△H(N,M)；本发明利用曲面BP算法进行成像，得到目标较精确的DEM，在此基础上进行二轨法的差分处理，可得到目标的形变信息，处理更为方便。

主权项

一种基于曲面后向投影算法的形变反演方法，包括以下几个步骤：步骤一、将成像网格设置为地平面，进行BP成像得到形变前的主辅图像，并进行干涉处理，得到粗DEM；具体为：第一步，BP成像，输入主辅天线回波距离压缩后的结果，输出主辅SAR图像；(1)网格划分在已有的主天线回波距离压缩后的结果Sr1(n,m)，以及辅天线回波距离压缩后的结果Sr2(n,m)的情况下，对于已知的方位向分辨率ρa和距离向分辨率ρr，估计目标在方位向和地距向的范围，其中，n为回波方位向采样点数，m为距离向采样点数，设置位于地平面方位向长度L和地距向长度W的BP网格，使网格覆盖目标范围，且网格高度均设置为零，网格点数设置为N×M，其中，N为方位向网格点数，M为地距向网格点数；(2)计算网格点斜距，进行相位补偿；对于网格上的每个网格点Aij，i＝1，2，…N，j＝1，2，…M，计算在每个方位时间tp到雷达主天线的斜距Rp1及对应时延τp1，p＝0，1，…n，并根据方位时间tp和时延计算其在主天线回波距离压缩后的结果Sr1(n,m)中的对应位置ap1，bp1，其中，ap1为Aij在tp时刻对应Sr1(n,m)中的方位向点数，bp1为其对应的距离向点数,则在tp时刻网格点Aij对应主天线的成像结果Sap1[i,j]为Sr1[ap1,bp1]与补偿相位exp{‑j2πfcτp1}的乘积，同理，计算在每个方位时间tp到雷达辅天线的斜距Rp2及对应的时延τp2，并根据方位时间tp和时延计算其在辅天线回波距离压缩后的结果Sr2(n,m)中的对应位置ap2，bp2，其中，ap2为Aij在tp时刻对应Sr2(n,m)中的方位向点数，bp2为其对应的距离向点数，则在tp时刻网格点Aij对应辅天线的成像结果Sap2[i,j]为Sr2[ap2,bp2]与补偿相位exp{‑j2πfcτp2}的乘积，具体表达式为：Sapq[i,j]＝Srq[apq,bpq]*exp{‑j2πfcτpq}  (1)其中，fc为雷达工作中心频率，q＝1，2，q＝1表示主天线，q＝2表示辅天线；(3)相干累加将上述步骤(2)中网格点Aij所有方位时刻tp时，相位补偿之后的主天线成像结果Sap1[i,j]和辅天线成像结果Sap2[i,j]分别进行累加，即得到该网格点的最后成像结果；对所有网格点执行以上操作，得到最终的主辅天线BP成像结果，即主SAR图像Sa1(N,M)和辅SAR图像Sa2(N,M)；即有：Saq[i,j]=ΣpSrq[apq,bpq]·exp{-j2πfcτpq}---(2)]]>其中，fc为雷达工作中心频率，q＝1，2，q＝1表示主天线，q＝2表示辅天线，i＝1，2，…N，j＝1，2，…M；第二步，进行干涉处理，输入主辅SAR图像，输出目标的DEM；(1)生成干涉相位直接将由步骤一BP算法得到的成像结果的主天线SAR图像Sa1(N,M)进行共轭得到Sa1*(N,M)，并乘以BP成像后得到的辅天线SAR图像Sa2(N,M)，得到干涉图Sint(N,M)的相位即为干涉相位，即Sint(N,M)＝Sa1*(N,M)*Sa2(N,M)  (3)(2)多视处理多视处理即对干涉图Sint(N,M)进行均值滤波，首先选取C×D的图像窗口，则多视系数为C×D，以该窗口内所有像素的平均值作为中心像素的值，得到的多视处理后的图像Sd[N,M]的表达式为：Sd[i,j]=1CDΣi-(C-1)/2i+(C-1)/2Σj-(D-1)/2j+(D-1)/2Sint[i,j]---(4)]]>其中，i＝1，2，…N；j＝1，2，…M，对于边界点先扩展补零再处理；(3)相位解缠根据多视处理后Sd(N,M)的相位，得到解缠绕的干涉相位φ(N,M)；(4)DEM生成根据解缠后的干涉相位φ(N,M)，以及相应的目标高度反演公式(5)，得到每个目标点对应的高度H，将此时得到的高度记为H0(N,M)，即输出目标的粗DEM；具体反演公式如下所示：H(N,M)=h+R1(N,M)sin[α+cos-1(λφ(N,M)4πB)]---(5)]]>其中，h为主天线高度，R1(N,M)为目标到主天线斜距，α为基线水平方向的倾角，λ为雷达工作波长，φ(N,M)为解缠后的干涉相位，B为基线长度；步骤二、将粗DEM即H0(N,M)作为新的成像网格所在平面进行BP成像得到形变前的主辅图像，并进行干涉处理，得到新的DEM，进行多次迭代，得到精确的目标的DEM；具体为：将网格高度设为H0(N,M)，重复步骤一，得到每个目标点对应的高度H1(N,M)，然后将网格高度设为H1(N,M)，重复步骤一，得到每个目标点对应的高度H2(N,M)，以此类推，将网格高度设为Hn(N,M),重复步骤一，得到每个目标点对应的高度Hn+1(N,M)，设定迭代次数，判断n是否小于迭代次数，如果小于则继续迭代，否则，将最终迭代得到的Hn+1(N,M)设为精确的目标的DEM，记为H(N,M)；步骤三、将迭代得到的目标的精确DEM即H(N,M)作为成像网格所在平面进行BP成像得到形变前后的主图，差分处理得到目标的形变信息△H(N,M)；具体为：第一步，BP成像，输入主天线形变前后距离压缩后的回波，输出形变前后主天线的SAR图像；(1)网格划分在已有主天线形变前回波的距离压缩结果Sr1(n,m)和形变后回波的距离压缩Sr1'(n,m)的情况下，对于已知的方位向分辨率ρa和距离向分辨率ρr，估计目标在方位向和地距向的范围，设置位于地平面方位向长度L和地距向长度W的BP网格，使网格覆盖目标范围，且网格高度为H(N,M)，网格点数设置为N×M，N为方位向网格点数，M为地距向网格点数，n为回波方位向采样点数，m为距离向采样点数；(2)计算网格点斜距，进行相位补偿；对于网格上的每个网格点Aij，i＝1，2，…N，j＝1，2，…M，计算其形变前在每个方位时间tp到雷达主天线的斜距Rp1及对应时延τp1，p＝0，1，…n，并根据方位时间tp和时延计算其形变前在主天线回波距离压缩后的Sr1(n,m)的对应位置ap1，bp1，其中，ap1为形变前Aij在tp时刻对应Sr1(n,m)中的方位向点数，bp1为其对应的距离向点数，则在tp时刻网格点Aij形变前对应的主天线成像结果Sap1[i,j]为Sr1[ap1,bp1]与补偿相位exp{‑j2πfcτp1}的乘积，同理计算其在形变后在每个方位时间tp到主天线的斜距Rp1'及对应的时延τp1'，并根据方位时间tp和时延计算其形变后在主天线回波距离压缩后的Sr1'(n,m)的对应位置ap1'，bp1'，其中，ap1'为形变后Aij在tp时刻对应Sr1'(n,m)中的方位向点数，bp1'为其对应的距离向点数，则在tp时刻网格点Aij形变后对应的主天线成像结果Sap1'[i,j]为Sr1'[ap1',bp1']与补偿相位exp{‑j2πfcτp1'}的乘积，具体表示如(1)式，其中q＝1，1'，q＝1表示形变前，q＝1'表示形变后；(3)相干累加将上述步骤(2)中网格点Aij所有方位时刻tp时，p＝0，1，…n，相位补偿之后的形变前成像结果Sap1[i,j]和形变后的成像结果Sap1'[i,j]分别进行累加，即为该网格点的最后成像结果；对所有网格点执行以上操作，得到最终的形变前后主天线BP成像结果，即形变前的主SAR图像Sa1(N,M)和形变后的主SAR图像Sa1'(N,M)，如(2)式，其中q＝1，1'，q＝1表示形变前，q＝1'表示形变后；第二步，差分干涉处理，输入形变前后主SAR图像，输出目标的形变信息△H(N,M)；(1)生成差分干涉相位直接将BP算法得到的形变前的主SAR图像Sa1(N,M)进行共轭得到Sa1*(N,M)，并乘以形变后的主SAR图像Sa1'(N,M)，得到干涉图Sint(N,M)的相位即为差分干涉相位，即Sint(N,M)＝Sa1*(N,M)*Sa1'(N,M)  (6)(2)多视处理多视处理即对干涉图Sint(N,M)进行均值滤波；首先选取C1×D1的图像窗口，则多视系数为C1×D1，以该窗口内所有像素的平均值作为中心像素的值，表达式为：Sd[i,j]=1C1D1Σi-(C1-1)/2i+(C1-1)/2Σj-(D1-1)/2j+(D1-1)/2Sint[i,j]---(7)]]>其中，i＝1，2，…N；j＝1，2，…M，设Sd(N,M)的相位即是差分干涉相位△φ(N,M)；(3)形变反演输入上一步得到的差分干涉相位△φ(N,M)，再根据相应的目标形变反演公式(8)，得到每个目标点对应的形变△H(N,M)，具体反演公式如下所示：ΔH(N,M)=H(N,M)-h-((H(N,M)-h)2+(rp(N,M)-r)2-λΔφ(N,M)4π)2-(rp(N,M)-r)2---(8)]]>其中，H(N,M)为目标高度，即步骤二中多次迭代得到的目标DEM，h为主天线高度，rp为目标在地面的投影点距原点的长度，r为主天线的地面投影距原点长度，λ为雷达工作波长，△φ(N,M)为差分相位。