星载全方位SAR目标三维重建技术研究

摘要

星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）因其全天时、全天候的全球观测能力，在军事侦察、国民经济建设和科学研究中得到了广泛的应用。为了实现对目标的精细化分辨、高精度定位和全方位描述，近年来人们提出了星载全方位SAR系统，SAR卫星按照四组不同轨道根数的轨迹绕同一地面场景飞行，通过控制雷达波束指向实现对其全方位观测。每一次航过雷达波束斜视角范围在-45°至45°之间，合成孔径时间可达百秒量级。 本文针对星载全方位SAR系统，从非相干处理和相干处理两个方面研究了目标的三维重建技术。多数目标相干散射角较小，为了获取其高信噪比（Signal to Noise Ratio,SNR）图像，将全孔径回波数据进行子孔径聚焦成像，获取多角度SAR图像序列。非相干处理即利用目标在多角度SAR图像序列之间的二维位置偏移来对其进行三维重建。SAR卫星在对相干散射角较大的目标进行长时间照射过程中在三维空间形成长合成阵列，使星载全方位SAR系统对该目标具有三维高分辨能力。相干处理即通过对相干散射角较大的目标在有效散射角度内的回波数据进行匹配滤波处理来对其进行三维重建。 本文的主要工作可概括如下： （1）星载全方位SAR目标三维重建基本概念和原理 本文第二章介绍了星载全方位SAR系统几何构型，给出了描述其几何关系的参数定义。针对多角度SAR图像序列，通过理论推导给出了目标在图像间的二维位置偏移与其高程的关系。通过理论推导给出了星载全方位SAR系统的三维分辨率随着目标相干散射角的变化。 （2）星载全方位SAR目标三维重建非相干处理方法 本文第三章和第四章，针对星载全方位SAR系统获取的多角度SAR图像序列，研究了目标三维重建非相干处理方法。 基于理论推导、仿真和实测数据，对多角度SAR图像序列特性进行了分析。指出随着图像对间方位夹角的增大其相关性降低。基于此，将多角度SAR图像序列划分为相关图像对（小方位夹角图像对）和非相关图像对（大方位夹角图像对）。相关图像对能够直接精确估计其配准偏移量，而非相关图像对则难以直接精确估计其配准偏移量。 针对星载全方位SAR获取的多角度图像序列，首次提出了一种目标三维重建方法：基于多角度SAR图像序列立体摄影的方法。该方法包括两步：第一步是对多角度SAR图像序列进行配准处理。针对相关图像对，提出了目标高程自适应的SAR图像对配准方法。该方法利用包含高程项的二维三元一阶多项式模型拟合配准偏移量，利用成像参数和轨道数据计算多项式一次项系数，提高了配准的精度和稳健性。实测数据处理结果验证了该方法的精确性和稳健性。针对非相关图像对，为了解决其相关性较低而导致的难以直接精确配准的问题，提出了基于最小二乘的多角度SAR图像序列联合配准方法。该方法利用相关图像对间的配准偏移量估计非相关图像对间的配准偏移量。仿真数据处理结果表明，该方法得到的非相关图像对间的配准偏移量精度与相关图像对间的配准偏移量精度在同一量级。第二步是构建和解算距离-多普勒方程组。利用配准后的多角度SAR图像序列所构建的距离-多普勒方程组为非线性方程组，难以获取其解析解。针对该问题，给出了基于牛顿迭代的方程组解算方法。仿真数据处理结果验证了该方法的有效性。 上一方法中配准和方程组解算这两大步骤是级联的，如果配准导致信息损失，方程组解算不可能恢复出损失掉的信息。针对这一问题，提出了基于联合配准和高程估计的目标三维重建方法。该方法根据相关图像对与非相关图像对配准偏移量之间的关系以及配准偏移量与目标高程之间的关系构建线性方程组，利用最小二乘方法解算该方程组，同时获取配准偏移量和目标高程。仿真数据处理结果表明，该方法避免了级联处理引入的传递误差，提高了目标三维重建精度和稳健性。 提出了多角度SAR图像序列联合相关目标三维重建方法。该方法将联合相关系数作为测度函数，计算联合相关系数随着目标高程的变化，联合相关系数最大值所对应的高程即为目标估计高程。实测数据处理结果表明，该方法充分利用了多角度SAR图像序列间的全部相关性信息，提高了目标三维重建精度。同时，提出了大斜视角星载SAR高效反向定位方法将多角度SAR图像向地面三维空间投影，校正其几何形变，提高其联合相关性。该方法利用邻近目标点在图像上的二维位置变化与其三维空间位置变化满足线性关系这一特性来提高处理效率。 提出了基于低秩和稀疏矩阵分解的目标三维重建方法。该方法首先将多角度SAR图像分别向量化并组合形成合成矩阵；然后通过配准处理估计合成矩阵子空间（列向量）之间的偏移量，并对子空间偏移进行校正；最后对校正后的合成矩阵进行低秩和稀疏矩阵分解以提取高程一致的目标，根据子空间偏移量估计所提取目标的高程。将第三步分解得到的稀疏矩阵作为新的合成矩阵进行第二步和第三步处理直至提取所有目标的高程。该方法利用了高程相同的目标在多角度SAR图像上的二维位置偏移一致这一特性，能够以较高精度同时提取观测场景内高程相同的目标并估计其高程。实测数据处理结果验证了该方法的有效性。 （3）星载全方位SAR目标三维重建相干处理方法 本文第五章，针对相干散射角较大的目标，研究了其三维重建相干处理方法。星载全方位SAR系统对相干散射角较大的目标具有三维高分辨能力。基于此，提出了星载全方位SAR自适应目标三维重建方法。首先利用加权回波反演的方法提取相干散射角较大的目标及其有效散射角；然后根据信号模型构建非线性方程组；最后利用分段子空间追踪算法解算该非线性方程组来对目标进行三维重建。实测数据处理结果表明，该方法能够自动提取相干散射角较大的目标，并对其进行高精度三维重建。

目录

声明

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1星载SAR系统发展概况

1.2星载SAR目标三维重建技术研究现状

1.3星载全方位SAR研究背景与意义

1.4本文工作和内容安排

第二章 星载全方位SAR目标三维重建基本概念和原理

2.1引言

2.2几何构型

2.3基本概念和原理

2.4本章小结

第三章 混合多角度SAR图像序列目标三维重建

3.1引言

3.2多角度SAR图像序列特性分析

3.3基于多角度SAR图像序列立体摄影的目标三维重建方法

3.4基于联合配准和高程估计的目标三维重建方法

3.5本章小结

第四章 联合多角度SAR图像序列目标三维重建

4.1引言

4.2多角度SAR图像序列联合相关目标三维重建方法

4.3基于低秩和稀疏矩阵分解的目标三维重建方法

4.4本章小结

第五章 星载全方位SAR自适应目标三维重建

5.1引言

5.2基于加权回波反演的目标有效散射角提取方法

5.3星载全方位SAR自适应目标三维重建方法

5.4处理流程

5.5实验结果及分析

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

作者简介