小型无人机载SAR图像配准方法研究.pdf

摘要

小型无人机载合成孔径雷达(UninhabitedAerialVehicleSyntheticApertureRadar,

UAV-SAR)是一种具有全时段全天候观测、高灵活性、高精度成像等优点的微波遥

感系统，其在地形测绘和形变测量等领域中发挥着重要作用。小型无人机载SAR干

涉测量时，受垂直基线和复杂地形的影响，同一目标在两次航过雷达图像中存在空

变性偏移，传统图像配准方法难以解决。本文主要围绕小型无人机载SAR干涉复图

像配准进行研究，主要内容和取得的研究成果如下：

（1）提出了基于多成像平面辅助的图像分区配准方法。

小型无人机载SAR多航过干涉测量时，受飞行高度的限制，测量区域内地形高

程无法忽略，并且区域内地形高程的剧烈变化，导致目标在主辅图像的投影位置具

有空变性偏移，造成图像失配失相干。因此，本文提出一种基于多成像平面辅助的

图像分区配准方法，通过拟合不同地形高程区域的偏移量，解决图像间像素点空变

性偏移的问题。首先，沿平台高度向等间隔构建多成像平面，并对回波数据使用BP

算法进行逐平面成像，得到若干幅主辅图像；其次，计算同一成像面下的主辅图像

之间相干系数，然后对主辅图像均匀分为若干子块，根据子块在多成像面下的平均

相干系数变化，从而得到子块平均高度；通过对子块平均高度组合插值得到区域的

类数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM)，根据类DEM设置高程门限，并

对图像进行区域划分，随后拟合各子区域的偏移量并进行融合；最后，根据融合后

的偏移量对图像重采样，完成图像配准。实验结果表明，该方法有效提升了图像对

相干性，图像配准精度较传统方法有所提升。

（2）提出了多短基线联合处理的长基线图像配准方法。

小型无人机载SAR为获取高质量的地形高程，对垂直基线长度有着更高的要求。

长基线会引起散射点在图像间的投影偏移量急剧变化，导致图像严重失相干。因此，

本文提出了一种多短基线联合处理的长基线图像配准方法。首先，将长基线分解为若

干个均匀短基线；其次，对于短基线下的图像配准，采用基于互相关函数的快速估计

偏移方法来得到图像之间控制点的偏移量，该方法将互相关函数结合双线性插值构造

关于偏移量的目标函数，并利用序列二次规划（SequentialQuadraticProgramming，

SQP）方法进行快速求解；然后，对不同基线下控制点进行重采样处理，使得控制点

的坐标精准对齐；最后，将短基线图像中控制点的偏移量依次叠加，得到长基线图像

下的偏移量，从而实现长基线图像的配准。实验结果表明，所提方法提高了长基线SAR

图像配准精度。

关键词小型无人机载SAR空变性偏移图像失相干图像分区配准长基线图像配

准

Abstract

ThesmallUninhabitedAerialVehicleSyntheticApertureRadar(UAV-SAR)isa

microwaveremotesensingsystemwiththeadvantagesofall-timeandall-weather

observation,highflexibility,andhigh-precisionimaging.Itplaysacrucialroleinareaslike

terrainmappinganddeformationmeasurement.WhenconductingSARinterferometric

measurementsusingsmalldrones,thesametargetcanexhibitspatialvariantoffsetsinradar

imagesobtainedduringtwoseparatepassesduetotheinfluenceofverticalbaselinesand

complexterrain.Traditionalimageregistrationmethodsoftenfinditdifficult