微波视觉三维SAR实验系统及其全极化数据处理方法

仇晓兰 罗一通 宋舒洁 彭凌霄 程遥 颜千程 上官松涛 焦泽坤 张柘 丁赤飚

仇晓兰, 罗一通, 宋舒洁, 等. 微波视觉三维SAR实验系统及其全极化数据处理方法[J]. 雷达学报(中英文), 2024, 13(5): 941–954. doi: 10.12000/JR24137
引用本文: 仇晓兰, 罗一通, 宋舒洁, 等. 微波视觉三维SAR实验系统及其全极化数据处理方法[J]. 雷达学报(中英文), 2024, 13(5): 941–954. doi: 10.12000/JR24137
QIU Xiaolan, LUO Yitong, SONG Shujie, et al. Microwave vision three-dimensional SAR experimental system and full-polarimetric data processing method[J]. Journal of Radars, 2024, 13(5): 941–954. doi: 10.12000/JR24137
Citation: QIU Xiaolan, LUO Yitong, SONG Shujie, et al. Microwave vision three-dimensional SAR experimental system and full-polarimetric data processing method[J]. Journal of Radars, 2024, 13(5): 941–954. doi: 10.12000/JR24137

微波视觉三维SAR实验系统及其全极化数据处理方法

DOI: 10.12000/JR24137 CSTR: 32380.14.JR24137
基金项目: 国家自然科学基金(61991420, 61991421, 61991424)
详细信息
    作者简介:

    仇晓兰,研究员,博士生导师,主要研究方向为SAR成像处理、SAR图像解译、新体制SAR

    罗一通,硕士,助理研究员,主要研究方向为SAR图像几何处理、雷达摄影测量、SAR三维成像

    宋舒洁,博士生,主要研究方向为全极化无人机载阵列干涉三维成像

    彭凌霄,硕士,助理研究员,主要研究方向为SAR图像信息处理和应用、SAR图像仿真技术

    程 遥,硕士,助理研究员,主要研究方向为SAR成像处理

    颜千程,博士生,主要研究方向为阵列干涉SAR三维成像处理

    上官松涛,博士,助理研究员,主要研究方向为遥感影像定量化标校与应用

    焦泽坤,博士,副研究员,主要研究方向为SAR微波视觉三维成像、多维度微波成像等

    张 柘,研究员,博士生导师,主要研究方向为新体制微波成像、稀疏信号处理及信号处理与人工智能的结合

    丁赤飚,研究员,博士生导师,主要研究方向为合成孔径雷达、遥感信息处理和应用系统等

    通讯作者:

    仇晓兰 xlqiu@mail.ie.ac.cn

  • 责任主编:王岩 Corresponding Editor: WANG Yan
  • 中图分类号: TN957.52

Microwave Vision Three-dimensional SAR Experimental System and Full-polarimetric Data Processing Method

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61991420, 61991421, 61991424)
More Information
  • 摘要: 三维合成孔径雷达在测绘制图、防灾减灾等诸多领域有应用潜力,已经成为SAR的重要研究方向。为减少三维SAR的观测次数或天线阵元数量,推动三维SAR的应用和发展,中国科学院空天信息创新研究院牵头研制了微波视觉三维SAR实验系统,旨在为微波视觉SAR三维成像提供实验平台和数据。该文针对微波视觉三维SAR实验系统及其全极化数据处理方法进行介绍,涵盖了极化校正、极化相干增强、极化约束三维成像、三维融合可视化等全流程的关键步骤。基于发布的SAR微波视觉三维成像全极化数据集,给出了三维成像结果示例,验证了微波视觉三维SAR实验系统的全极化性能以及处理方法的有效性。该文发布的数据集将为SAR三维成像研究提供良好的数据条件。

     

  • 图  1  MV3DSAR系统实物图

    Figure  1.  A photo of MV3DSAR system

    图  2  全极化MV3DSAR实验系统框图

    Figure  2.  Full-polarimetric MV3DSAR system block diagram

    图  3  苏研院光学影像及目标分布图(A—E区域分别为角反、几何散射体、树林、地下通道入口、车辆、工地塔吊)

    Figure  3.  Optical image and target distribution map (area A—E are corner reflector, geometric scatterer, forest, underpass entrance, vehicle, tower crane)

    图  4  MV3DSAR飞行航迹设计

    Figure  4.  MV3DSAR flight track design

    图  5  MV3DSAR校飞实验基线设计

    Figure  5.  Baseline design of MV3DSAR

    图  6  观测矩阵互相关特性及空间模糊函数曲线

    Figure  6.  Cross-correlation properties of observation matrix and spatial ambiguity function curve

    图  7  最大不模糊高度及瑞利分辨率

    Figure  7.  Maximum unblurred height and Rayleigh resolution

    图  8  激光点云数据

    Figure  8.  Lidar point cloud data

    图  9  光学倾斜摄影结果

    Figure  9.  Optical oblique photography data

    图  10  全极化MV3DSAR数据处理总体流程

    Figure  10.  The overall flow of full-polarimetric MV3DSAR data processing

    图  11  基于能量最大极化投影的极化相干增强流程图

    Figure  11.  Flow chart of polarization coherent enhancement based on energy maximum polarization projection

    图  12  基于极化相似性约束的三维成像流程

    Figure  12.  Flow chart of 3D imaging based on polarization similarity constraint

    图  13  SAR三维可视化产品生产流程图

    Figure  13.  Flow chart of SAR 3D visual product production

    图  14  解叠掩图制作流程图

    Figure  14.  Flow chart of scatterer-unmixed image production

    图  15  手动选择场景中行道树区域作为极化标校对象

    Figure  15.  The street tree area in the scene is manually selected as the polarization calibration object

    图  16  场景在极化校正前后的Pauli伪彩图

    Figure  16.  Pauli pseudo-color image of the scene before and after polarization correction

    图  17  三面角反射器的极化失真评估

    Figure  17.  Evaluation of polarization distortion of a corner reflector

    图  18  单极化HH与本文提出的PEM方法的相干系数统计图(图例中的下角标代表不同通道组合)

    Figure  18.  Statistical diagram of the coherence coefficients of the single polarization HH and the proposed PEM method (the lower corner marks in the legend represent different channel combinations)

    图  19  R1R4通道能量统计图(图例中的下角标代表通道序号)

    Figure  19.  Energy statistical diagram of channel R1R4 (the lower corner mark in the legend represents the channel number)

    图  20  三维成像结果对比(整体)

    Figure  20.  Overall comparison of SAR 3D point clouds

    图  21  三维成像结果对比(配套楼屋顶细节)

    Figure  21.  Detailed SAR 3D point clouds comparison of Area 1

    图  22  某个飞行航迹下的解叠掩图

    Figure  22.  A set of 2D scatterer-unmixed images under a flight track

    图  23  某个飞行航迹下的三维融合可视化产品

    Figure  23.  A 3D fusion visualization product under a flight track

    表  1  全极化Ku-SAR载荷参数

    Table  1.   Parameters of full-polarimetric Ku-SAR payload

    序号 参数名称 参数值或内容
    1 中心频率 15.2 GHz
    2 信号形式 调频连续波(FMCW)
    3 极化方式 HH/HV/VH/VV
    4 信号带宽 1200 MHz
    5 天线尺寸(单通道) 0.05 m(俯仰)×0.32 m(方位)
    6 每个极化的阵列通道数 4
    7 分辨率 优于0.2 m×0.2 m
    8 天线波束宽度 方位≥4° 俯仰≥24°
    9 天线极化隔离度 优于25 dB
    10 通道相位不平衡稳定度 ±5° (10 min内)
    11 通道幅度不平衡稳定度 ±0.2 dB (10 min内)
    12 中心视角 45°
    13 NESZ 不大于–30 dB (最远
    作用距离3.6 km)
    14 Ku-SAR重量 主机、存储、电池、天线、结构等
    一共5.7 kg
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    表  2  三维重建精度对比

    Table  2.   Comparison of 3D reconstruction accuracy

    三维成像方法 点云三维重建精度(m)
    HH单极化 1.51
    VV单极化 1.46
    无约束的全极化 1.36
    极化相似性约束的全极化 0.93
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-05
  • 修回日期:  2024-09-02
  • 网络出版日期:  2024-09-18
  • 刊出日期:  2024-10-28

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