一種基于mai方法的地基sar二維形變反演方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于MAI方法的地基SAR二維形變反演方法，包括：一、將地基SAR的全孔徑分解為兩個子孔徑，分別為前視子孔徑和后視子孔徑；二、獲取地基SAR工作條件下的前視子孔徑、后視子孔徑以及全孔徑的干涉相位信息；三、將所述前視子孔徑和后視子孔徑的干涉相位信息作差獲得MAI相位信息；四、利用獲取的MAI相位信息以及地基SAR全孔徑的干涉相位信息實現(xiàn)二維形變反演；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的地基SAR二維形變反演。
【專利說明】
-種基于MAI方法的地基SAR二維形變反演方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于MAI方法的地基SAR二維形 變反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地基SAR(合成孔徑雷達(dá))是一種新型的高精度形變監(jiān)測儀器，其非接觸式的方式 可W獲取幾十米到幾公里內(nèi)邊坡場景的高達(dá)亞mm級的形變信息。由于地基SAR系統(tǒng)具有對 邊坡場景全覆蓋、長時間、連續(xù)、實時和高精度的形變監(jiān)測能力，運(yùn)是傳統(tǒng)的形變監(jiān)測手段 不能比擬的。而且地基SAR配置方便，可W通過合理的選擇監(jiān)測點實現(xiàn)對邊坡場景最有效的 監(jiān)測。21世紀(jì)初，地基SAR逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點，意大利、西班牙、英國、荷蘭、烏克蘭、 日本、韓國及中國的中國科學(xué)院電子學(xué)研究所、國防科技大學(xué)和北京理工大學(xué)都對地基SAR 的系統(tǒng)設(shè)計及信號處理方法進(jìn)行了研究并有諸多研究成果公開發(fā)表。
[0003] 基于地基SAR系統(tǒng)，傳統(tǒng)的差分干設(shè)測量技術(shù)無法獲取多維度的形變信息。但在形 變監(jiān)測過程中，考慮到形變的發(fā)生是由多種因素綜合影響的結(jié)果，為了分析形變發(fā)生的主 要因素，需要精確了解形變在各個方向分量的信息。為此，不少研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者提出了利用 互相關(guān)法和多角度觀測的方法來獲取監(jiān)測區(qū)域的目標(biāo)點多維形變信息。但是在地基SAR的 實際監(jiān)測過程中，運(yùn)兩種方法都存在各自的問題。對于互相關(guān)法，其垂直于LOS(雷達(dá)視線） 方向的形變反演精度較差，很多時候無法滿足形變測量的需求。而當(dāng)采用多角度觀測方法 時，也存在多部雷達(dá)難W布設(shè)、多系統(tǒng)信號同步和不同圖像間目標(biāo)點配準(zhǔn)復(fù)雜等問題。因 此，為了拓展地基SAR二維形變反演的能力，我們需要研究新的數(shù)據(jù)處理方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于MAI(Multiple Aperture Interferomehy,多 孔徑干設(shè)處理)方法的地基SAR二維形變反演方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的地基SAR二維形變反 演。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明的具體方案如下：
[0006] -種基于MAI方法的地基SAR二維形變反演方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟一、將地基SAR的全孔徑分解為兩個子孔徑，分別為前視子孔徑和后視子孔 徑；
[000引步驟二、獲取地基SAR工作條件下的前視子孔徑、后視子孔徑W及全孔徑的干設(shè)相 位信息；
[0009] 步驟=、將所述前視子孔徑和后視子孔徑的干設(shè)相位信息作差獲得MAI相位信息；
[0010] 步驟四、利用獲取的MAI相位信息W及地基SAR全孔徑的干設(shè)相位信息實現(xiàn)二維形 變反演。
[0011] 進(jìn)一步地，步驟一中前視子孔徑及后視子孔徑的劃分由孔徑選擇因子n來確定，n =I OCI / I OD I，其中，OC為前視子孔徑，OD為全孔徑的一半;前視子孔徑及后視子孔徑的選擇 需要滿足子孔徑長度相等及子孔徑中屯、關(guān)于全孔徑中屯、對稱的條件。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟二中獲取前視子孔徑和后視子孔徑的干設(shè)相位信息的具體過 程為：
[0013] 對于前視子孔徑數(shù)據(jù)，其干設(shè)相位(6=?,可W表示為：
[0014] (1)
[0015] 3：
[0016] (2)
[0017] 具甲，A刃雷皮信巧彼&，山和dy分別刃目頓的化變量在X軸和y軸的投影分量，X軸 平行于地基SAR軌道方向，即X軸所指為方位向，y軸垂直于地基SAR軌道方向，即y軸所指為 距離向；e為目標(biāo)的方位角，a為前視子孔徑LOS方向與全孔徑LOS方向的夾角或后視子孔徑 LOS方向與全孔徑LOS方向的夾角。
[0018] 進(jìn)一步地，所述步驟四的具體過程為：
[0019] 利用公式(5)求解山和dy，完成二維形變反演
[0020]
巧）
[0021] 其中，稱為利用前視子孔徑和后視子孔徑的干設(shè)相位作差獲得的MAI相位，輪f 為全孔徑條件下獲得的干設(shè)相位。
[0022] 有益效果：
[0023] (1)本發(fā)明所用的MAI方法是利用相位信息進(jìn)行二維形變測量，相比于互相關(guān)法， 形變反演精度更高。
[0024] (2)MAI方法只需要一部雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相比于多角度觀測方法，不需要多部 雷達(dá)聯(lián)合觀測，避免了多部雷達(dá)聯(lián)合觀測中存在的諸多問題。
【附圖說明】
[0025] 其中，圖1-傳統(tǒng)形變測量方法存在問題示意圖；
[00%]圖2-MAI孔徑選擇原理示意圖；
[0027] 圖3-MAI基本原理示意圖；
[0028] 圖4-MAI方法形變反演處理流程圖；
[0029] 圖5-實驗場景示意圖，其中圖5(a)實驗雷達(dá)系統(tǒng)，5(b)實驗中的角反射器場景。
[0030] 圖6-成像結(jié)果，其中圖6(a)SAR成像結(jié)果;6(b)SAR成像角反區(qū)域局部放大結(jié)果。
[0031] 圖7-采用MAI處理后，圖7(a)形變角反的方位向形變反演序列；7(b)參考角反的方 位向形變反演序列。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0033] 本發(fā)明提供了一種基于MAI方法的地基SAR二維形變反演方法，包括W下步驟：
[0034] 步驟一、將地基SAR的全孔徑分解為兩個子孔徑，分別為前視子孔徑和后視子孔 徑；
[0035] 傳統(tǒng)的形變反演算法，只能高精度獲取形變在LOS方向上的投影信息。如圖1所示， 對于目標(biāo)點A在圖中發(fā)生的五種形變，它們在雷達(dá)LOS方向的投影都相同。因此，僅僅提取形 變在LOS方向上的投影分量信息，只能獲取一維形變信息，我們無法了解形變發(fā)生的真實狀 態(tài)，基于MI方法可W實現(xiàn)二維形變反演。
[0036] MAI方法實現(xiàn)的基本原理是通過將全孔徑分解為兩個子孔徑，從而獲取不同角度 下的形變數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理理論計獲取垂直于LOS方向的形變信息，然后聯(lián)合全孔徑條 件下獲取的LOS方向的形變信息，再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理即可實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域二維形變信 息的提取。因此，采用MI方法實現(xiàn)二維形變反演時，首先要進(jìn)行子孔徑的劃分。
[0037] 圖2為MAI孔徑選擇原理示意圖。X方向為雷達(dá)的運(yùn)動方向，Y方向為垂直于雷達(dá)的 運(yùn)動方向。在數(shù)據(jù)采集過程中，雷達(dá)從D運(yùn)動到E，孔徑中屯、為坐標(biāo)原點0。在數(shù)據(jù)處理過程 中，可W在全孔徑中選擇兩個子孔徑，其中前視子孔徑為DF，其孔徑中屯、為C。后視子孔徑為 GE,其孔徑中屯、為B。前視子孔徑及后視子孔徑的選擇需要滿足長度相等及子孔徑中屯、關(guān)于 軌道中屯、對稱的條件。假設(shè)存在目標(biāo)點A，其位置在Y軸上。目標(biāo)點在X方向和Y方向的真實形 變分別為山和dy。全孔徑LOS方向為沿AO方向，前視子孔徑LOS方向為沿AC方向，后視子孔徑 LOS方向為沿AB方向。
[003引定義孔徑選擇因子n= I OC I / I OD I。根據(jù)不同的孔徑選擇情況，n在區(qū)間[0,1]之間 變換。我們可W看到，當(dāng)n在區(qū)間[0.5,1]范圍內(nèi)時，前后視子孔徑完全不重疊;如果n在區(qū)間 [0,0.5)范圍內(nèi)時，前后視子孔徑有重疊部分。為實現(xiàn)對最佳孔徑選擇因子n的選取，需要結(jié) 合地基SAR成像結(jié)果中穩(wěn)定目標(biāo)點的信噪比信息，通過分析干設(shè)相位的誤差，來確定最佳的 孔徑選擇因子。一般情況下，n的取值在0.3-0.7范圍內(nèi)。
[0039] 步驟二、獲取地基SAR工作條件下的前視子孔徑和后視子孔徑的干設(shè)相位信息；
[0040] 不同地基SAR系統(tǒng)的方位觀測范圍是不同的，但在一般情況下，有效的觀測范圍分 布在(-45°，45°)區(qū)間內(nèi)。因此，觀測場景中很多目標(biāo)有較大的前斜角，最終導(dǎo)致MAI算法會 發(fā)生一定的改變。
[0041] MAI算法的基本原理如圖3所示，目標(biāo)點A的方位角為0?？紤]到IaoI >> Icol，前視 子孔徑LOS方向AC與全孔徑LOS方向AO的夾角和后視子孔徑LOS方向AB與全孔徑LOS方向AO 的夾角基本相同，都為〇,且a^O。
[0042] 對于前視子孔徑數(shù)據(jù)，其干設(shè)相位役rw可W表示為：
[0046] 其中，A為雷達(dá)信號波長，山和dy分別為目標(biāo)的形變量在X軸和y軸的投影分量，X軸 平行于地基SAR軌道方向，即X軸所指為方位向，y軸垂直于地基SAR軌道方向，即y軸所指為
[0043] 巧
[0044] ]：
[0045] 貨 距離向；e為目標(biāo)的方位角，a為前視子孔徑LOS方向與全孔徑LOS方向的夾角或后視子孔徑 LOS方向與全孔徑LOS方向的夾角。
[0047] 星載SAR進(jìn)行成像時，幾乎一直工作于正側(cè)視條件，而對于地基SAR而言，其觀測場 景中的大多數(shù)目標(biāo)處在非正側(cè)視條件。運(yùn)一點也導(dǎo)致了星載SAR的MI算法和地基SAR的MAI 算法在實現(xiàn)上有一定的差別。
[0048] 步驟=、將所述前視子孔徑和后視子孔徑的干設(shè)相位信息作差獲得MAI相位信息；
[0049] MAI相位的獲取是通過對前視子孔徑的干設(shè)相位及相應(yīng)目標(biāo)點的后視子孔徑的干 設(shè)相位作差，則MI相位可W表示為：
[(K)加 1
巧
[0051 ] 從式(3)可W看出，MI相位巧梅沖包含垂直于LOS方向的形變量dLos丄運(yùn)一項。根據(jù) 高質(zhì)量目標(biāo)點在成像場景中的幾何位置，可W確定相應(yīng)的夾角a。因此，在獲取到高質(zhì)量目 標(biāo)點的MI相位后，可W得到該目標(biāo)點在垂直于LOS方向的形變量dLos丄。
[0052] 步驟四、利用MAI相位信息W及地基SAR的全孔徑條件下的干設(shè)相位實現(xiàn)二維形變 反演。
[0053] 如圖3所示，雷達(dá)從D運(yùn)動到即寸，獲取的即為全孔徑條件下的SAR圖像。目標(biāo)點A與 原點0的連線即為全孔徑條件下的視線方向，在理想條件下，全孔徑條件下的干設(shè)相位巧 可W表示為：
[0054]
巧
[0化5] 結(jié)合式(3)，可W確定同一高質(zhì)量目標(biāo)點的MAI相位巧kw及全孔徑干設(shè)相位巧Hf。聯(lián) 合式(3)和式(4)，可W得到：
[0056]
風(fēng)
[0057] 寫成矩陣形式可W表足為：
[0化引 0 =郵 (6)
[0化9] 式(6)中，
[0060]
(7)
[0061] 通過解式(6)中的方程，就可W獲取該目標(biāo)點在X方向的形變信息山和Y方向的形 變f目息dy。
[0062] 實施例：
[0063] MAI方法形變反演處理流程圖如圖4所示。我們首先采用傳統(tǒng)干設(shè)處理的方法分別 獲取前視子孔徑和后視子孔徑的干設(shè)圖?？紤]到干設(shè)圖像中某些像素點受到嚴(yán)重的去相關(guān) 影響，最終影響形變反演精度。因此，在生成干設(shè)圖后，需要先從圖像中選出那些高質(zhì)量的 點。選出高質(zhì)量的目標(biāo)點后，就可W根據(jù)MAI差分處理計算MAI相位，并進(jìn)一步獲取垂直于 LOS方向的形變信息。
[0064] 圖5(a)和(b)分別顯示了雷達(dá)系統(tǒng)和實驗場景的光學(xué)照片。實驗地點為北京理工 大學(xué)10號教學(xué)樓后口的空曠區(qū)域。場景中比較明顯的目標(biāo)有樓房和少量汽車等。
[0065] 實驗的基本參數(shù)如表1所示。雷達(dá)系統(tǒng)對場景進(jìn)行了約1.5小時的觀測，共采集了 29幅SAR圖像。在實驗過程中，觀測場景的斜距向范圍約為1 Om~60m，方位向范圍約為-15m ~15m。場景內(nèi)布設(shè)了兩個角反，分別距雷達(dá)約35m和33.5m?？紤]到實驗時間不長，觀測場景 內(nèi)未發(fā)生明顯的形變。因此，對距離雷達(dá)約35m的角反射器安裝上了形變調(diào)節(jié)器，并在每隔 一段時間后對其進(jìn)行沿垂直于LOS方向的形變調(diào)節(jié)，W此來模擬場景中發(fā)生的形變，形變調(diào) 節(jié)器的精度可達(dá)1mm。
[0066] 表1 MAI方法形變反演實驗基本參數(shù)
[0067]
[0068] 在形變調(diào)節(jié)過程中，相對于第1軌數(shù)據(jù)，第2~14軌時，形變角反未發(fā)生形變;第15 ~18軌，形變角反沿方位向形變4cm;第19~23軌，形變角反沿方位向形變7cm;第24~29軌， 形變角反沿方位向形變10cm。在整個實驗過程中，參考角反未發(fā)生任何形變。
[0069] 圖6(a)和(b)顯示了場景成像結(jié)果，為了更清晰地展示目標(biāo)，已經(jīng)將幅度圖像轉(zhuǎn)化 為地的形式。通過將圖像中角反區(qū)域數(shù)據(jù)和周圍區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知，形變角反和參考 角反的信噪比都約為40地。
[0070] 在北理工校園實驗中，我們著重對兩個角反射器目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，驗證MAI算法 在提取形變(垂直于LOS方向）方面的能力。
[0071] 在利用MAI理論進(jìn)行形變反演的過程中，我們同時采用相干疊加和非相干疊加兩 種處理方法。在相干疊加的處理過程中，我們根據(jù)實驗中調(diào)節(jié)形變量的情況，將第1~14軌 進(jìn)行第一組相干疊加，第15~18軌進(jìn)行第二組相干疊加，第19~23軌進(jìn)行第=組相干疊加， 第24~29軌進(jìn)行第四組相干疊加。形變反演結(jié)束后，各軌的形變量由相干疊加后所屬組的 形變結(jié)果替代。在MAI數(shù)據(jù)處理過程中，孔徑選擇因子n設(shè)定為0.35。同時，由于形變角反和 參考角反幾乎都處于正側(cè)視的觀測狀態(tài)，因此，垂直于LOS的方向與方位向相同。最終，形變 角反和參考角反的形變反演處理結(jié)果分別如圖7(a)和(b)所示。
[0072] 在圖7中對于第24~29軌數(shù)據(jù)，相干疊加后的反演的形變量小于無相干疊加情況 下運(yùn)六軌各自的形變反演量。運(yùn)主要是因為無相干疊加情況下，在運(yùn)六軌數(shù)據(jù)的形變反演 過程中，都是W第一幅圖像為主圖像生成干設(shè)圖。但是相干疊加情況下，在運(yùn)六軌數(shù)據(jù)疊加 后的形變反演過程中，是W前14軌數(shù)據(jù)疊加后的圖像作為主圖像而生成干設(shè)圖。由于主圖 像發(fā)生了變化，才會出現(xiàn)相干疊加后反演的形變量小于無相干疊加情況下運(yùn)六軌各自形變 反演量的現(xiàn)象。
[0073] 通過實驗數(shù)據(jù)處理驗證了采用MAI方法獲取垂直于LOS方向形變信息的能力，結(jié)合 全孔徑條件下獲取到的LOS方向形變信息，即可W實現(xiàn)對目標(biāo)的二維形變信息提取。
[0074] 綜上所述，W上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于MAI方法的地基SAR二維形變反演方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、將地基SAR的全孔徑劃分為兩個子孔徑，分別為前視子孔徑和后視子孔徑； 步驟二、獲取地基SAR工作條件下的前視子孔徑、后視子孔徑以及全孔徑的干涉相位信 息； 步驟三、將所述前視子孔徑和后視子孔徑的干涉相位信息作差獲得MAI相位信息； 步驟四、利用獲取的MAI相位信息以及地基SAR全孔徑的干涉相位信息實現(xiàn)二維形變反 演。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于MAI方法的地基SAR二維形變反演方法，其特征在于，步 驟一中前視子孔徑及后視子孔徑的劃分由孔徑選擇因子η來確定，n= | 0C | / | 0D |，其中，0C 為前視子孔徑，0D為全孔徑的一半;前視子孔徑及后視子孔徑的選擇需要滿足子孔徑長度 相等及子孔徑中心關(guān)于全孔徑中心對稱的條件。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于MAI方法的地基SAR二維形變反演方法，其特征在于，所 述步驟二中獲取前視子孔徑和后視子孔徑的干涉相位信息的具體過程為： 對于前視子孔徑數(shù)據(jù)，其干涉相位奶^.可以表示為：(1) 對于后視子孔徑數(shù)據(jù)，其干涉相位可以表示為：(2) 其中，λ為雷達(dá)信號波長，dx和dy分別為目標(biāo)的形變量在X軸和y軸的投影分量，X軸平行 于地基SAR軌道方向，即X軸所指為方位向，y軸垂直于地基SAR軌道方向，即y軸所指為距離 向；Θ為目標(biāo)的方位角，α為前視子孔徑LOS方向與全孔徑LOS方向的夾角或后視子孔徑LOS方 向與全孔徑LOS方向的夾角。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于ΜΑΙ方法的地基SAR二維形變反演方法，其特征在于，所 述步驟四的具體過程為： 利用公式(5)求解dx和dy，完成二維形變反演(5) 其中，為利用前視子孔徑和后視子孔徑的干涉相位作差獲得的MAI相位，奶為全 孔徑條件下獲得的干涉相位，λ為雷達(dá)信號波長，dx和dy分別為目標(biāo)的形變量在X軸和y軸的 投影分量，X軸平行于地基SAR軌道方向，即X軸所指為方位向，y軸垂直于地基SAR軌道方向， 即y軸所指為距離向；Θ為目標(biāo)的方位角，α為前視子孔徑LOS方向與全孔徑LOS方向的夾角或 后視子孔徑LOS方向與全孔徑LOS方向的夾角。
【文檔編號】G01S13/90GK105954749SQ201610268932
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】胡程, 田衛(wèi)明, 鄧云開, 曾濤, 龍騰, 朱茂
【申請人】北京理工大學(xué)