微波視覺(jué)三維SAR關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)初步進(jìn)展

仇曉蘭 焦?jié)衫?楊振禮 程 遙 藺 蓓 羅一通 王 衛(wèi) 董勇偉 周良將 丁赤飚*

①(微波成像技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(蘇州市空天大數(shù)據(jù)智能應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘇州 215123)

③(蘇州空天信息研究院 蘇州 215123)

④(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190)

⑤(中科宇達(dá)(北京)科技有限公司 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)三維成像能夠解決三維目標(biāo)及場(chǎng)景投影至二維成像平面而造成的疊掩問(wèn)題，在陡峭地形測(cè)繪、城區(qū)測(cè)繪，以及目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別等方面有著重要的應(yīng)用潛力，是SAR技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。當(dāng)前提出的SAR三維成像體制主要包括層析SAR和陣列干涉SAR[1]。其中，層析SAR對(duì)SAR系統(tǒng)本身沒(méi)有特殊要求，但為了保證數(shù)據(jù)的相干性，對(duì)SAR軌道或飛行航跡的控制有嚴(yán)格要求，存在數(shù)據(jù)獲取時(shí)間周期長(zhǎng)、難度大的問(wèn)題；陣列干涉SAR通常指具有3個(gè)或3個(gè)以上天線陣元，一次飛行就可獲得3個(gè)或3個(gè)以上空間多角度相干觀測(cè)的SAR系統(tǒng)，其能夠排除時(shí)間去相干的影響，一次飛行就可實(shí)現(xiàn)三維成像[2]，因此成為SAR三維成像的一種重要體制，受到了各國(guó)的重視。

德國(guó)于2005年開(kāi)始研制無(wú)人機(jī)載陣列三維SAR系統(tǒng)ARTINO (Airborne Radar for Three-dimensionnal Imaging and Nadir Observation)[3]，其利用線陣構(gòu)成的實(shí)孔徑以及由載機(jī)航行構(gòu)成的合成孔徑實(shí)現(xiàn)二維面陣采樣。為了減少雷達(dá)陣元的個(gè)數(shù)，采用兩邊發(fā)射中間接收的稀疏陣列配置；同時(shí)使用能夠達(dá)到低能耗以及小尺寸的調(diào)頻連續(xù)波(FMWC)Ka波段雷達(dá)；使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及差分GPS傳感器記錄航行軌跡，使用CCD和激光單元精確記錄掛載于機(jī)翼上的每個(gè)陣元的抖動(dòng)誤差。ARTINO整套系統(tǒng)安裝于無(wú)人機(jī)上，該無(wú)人載機(jī)翼展4 m、重量25 kg，飛行速度10～15 m/s，實(shí)驗(yàn)飛行高度200 m左右。其于2010年首飛獲得定標(biāo)點(diǎn)成像結(jié)果[4,5]，試驗(yàn)場(chǎng)地的目標(biāo)為3個(gè)相距10 m的角反射器，但至今沒(méi)有進(jìn)一步的成像試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道。法國(guó)宇航局(ONERA)也開(kāi)展了無(wú)人機(jī)載3D SAR系統(tǒng)(DRIVE系統(tǒng))的研制，該系統(tǒng)工作于Ka波段，中心頻率為35 GHz，發(fā)射信號(hào)為調(diào)頻連續(xù)波，帶寬800 MHz。試驗(yàn)載機(jī)是翼展23 m重約600 kg的滑翔機(jī)，飛行速度約50 m/s，最高飛行高度9145 m。2007年法國(guó)宇航局首次公布了其在2006年10月獲取的工作于下視模式的高度方向成像結(jié)果，但目前尚未報(bào)道進(jìn)一步的三維成像結(jié)果。2005年中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所開(kāi)始研制機(jī)載陣列三維SAR系統(tǒng)，采用長(zhǎng)2 m重150 kg的剛性大天線陣來(lái)保證基線的穩(wěn)定性，于2015年獲得了國(guó)際首幅三維場(chǎng)景成像結(jié)果[2,6]。上述現(xiàn)狀表明，為實(shí)現(xiàn)三維成像，當(dāng)前陣列干涉三維SAR系統(tǒng)的復(fù)雜度很高、研制難度很大，系統(tǒng)小型化及其應(yīng)用推廣均具有較大的難度。也即三維成像對(duì)于目前的SAR系統(tǒng)而言是一個(gè)“豪華選項(xiàng)”，需要付出很大的成本。

為改變這一現(xiàn)狀，將SAR三維成像從“豪華選項(xiàng)”變?yōu)椤捌胀ㄟx項(xiàng)”，由中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院牽頭，在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目支持下，正在開(kāi)展“合成孔徑雷達(dá)微波視覺(jué)三維成像理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”，以期將三維成像對(duì)多角度觀測(cè)數(shù)量的要求降低至小于等于5，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度或數(shù)據(jù)獲取周期，實(shí)現(xiàn)高效能三維成像，促進(jìn)SAR三維成像技術(shù)的應(yīng)用推廣[1]。在該項(xiàng)目支持下，中科院空天院聯(lián)合中科宇達(dá)(北京)科技有限公司，設(shè)計(jì)研制了一套小型無(wú)人機(jī)載陣列干涉SAR系統(tǒng)，稱為微波視覺(jué)三維SAR (Microwave Vision three-dimensional SAR,MV3DSAR)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和技術(shù)驗(yàn)證，并用于SAR微波視覺(jué)三維成像數(shù)據(jù)集的構(gòu)建[7]，為該領(lǐng)域的研究提供必要的基礎(chǔ)平臺(tái)。目前該系統(tǒng)的單極化版本已經(jīng)研制完成，并于2021年12月初在天津臨港地區(qū)開(kāi)展了首次集成校飛實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的基本性能和三維成像能力。本文介紹了該系統(tǒng)的基本構(gòu)成、主要性能以及系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，給出了首次校飛實(shí)驗(yàn)的方案和實(shí)施情況，以及初步的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并指出了后續(xù)研究方向。

本文后續(xù)內(nèi)容安排如下：第2節(jié)介紹了MV3DSAR基本情況和系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)；第3節(jié)敘述了MV3DSAR系統(tǒng)校飛實(shí)驗(yàn)的方案及實(shí)施情況；第4節(jié)給出了數(shù)據(jù)處理流程和二維成像、系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、三維成像等關(guān)鍵步驟的具體方法，并給出了初步的數(shù)據(jù)處理結(jié)果；第5節(jié)總結(jié)全文并指出后續(xù)研究方向。

2 MV3DSAR系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

為了便于開(kāi)展飛行實(shí)驗(yàn)，降低實(shí)驗(yàn)成本，同時(shí)具有較高的可重構(gòu)能力，支撐SAR微波視覺(jué)三維成像方法的研究和驗(yàn)證，MV3DSAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循如下基本理念：(1)輕量化，工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)可掛載；(2)基線可重構(gòu)，可以根據(jù)研究需求進(jìn)行天線的靈活配置，從而實(shí)現(xiàn)不同的基線構(gòu)型；(3)多極化，可通過(guò)天線和通道的模塊化配置實(shí)現(xiàn)單極化與全極化模式。目前，單極化版本的MV3DSAR系統(tǒng)已經(jīng)研制完成，全極化版本尚未進(jìn)行集成和驗(yàn)證，為此，本文重點(diǎn)介紹當(dāng)前的單極化MV3DSAR系統(tǒng)。

2.1 MV3DSAR系統(tǒng)構(gòu)成

MV3DSAR系統(tǒng)的總體構(gòu)成如表1所示，其主要由微小型SAR載荷、無(wú)人機(jī)平臺(tái)及導(dǎo)航系統(tǒng)3部分組成，通過(guò)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定和連接。SAR載荷及導(dǎo)航系統(tǒng)分布如圖1所示，其中導(dǎo)航系統(tǒng)、SAR主機(jī)、存儲(chǔ)模塊和電池依次固定在結(jié)構(gòu)件支架上方，SAR天線固定在結(jié)構(gòu)件下方，其掛載于無(wú)人機(jī)平臺(tái)后整個(gè)系統(tǒng)的照片見(jiàn)圖2。

圖1 MV3DSAR載荷示意圖及實(shí)物圖Fig.1 Schematic illustration and a photo of MV3DSAR payload

圖2 MV3DSAR系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.2 MV3DSAR system photo

表1 MV3DSAR系統(tǒng)總體構(gòu)成Tab.1 The overall composition of the MV3DSAR system

2.2 Ku-SAR載荷參數(shù)

MV3DSAR系統(tǒng)最核心的是Ku波段陣列干涉SAR，該SAR載荷的主要參數(shù)如表2所示，其采用調(diào)頻連續(xù)波體制，信號(hào)帶寬為1.2 GHz，中心頻率為15.2 GHz，重量為7.07 kg。目前版本MV3DSAR為單極化系統(tǒng)，等效的天線陣列通道數(shù)為4，也即一次飛行可以獲得4幅相干的單極化SAR圖像，后續(xù)將進(jìn)一步擴(kuò)展為全極化系統(tǒng)。系統(tǒng)天線支架結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為1.29 m(見(jiàn)圖1)，有效長(zhǎng)度為1.284 m，在有效長(zhǎng)度內(nèi)的0 mm,107 mm,214 mm,···,1284 mm處一共打有12排孔，用于固定天線并實(shí)現(xiàn)各種基線的靈活配置。

表2 Ku-SAR載荷參數(shù)Tab.2 Parameters of Ku-SAR payload

本系統(tǒng)將每個(gè)極化的陣列通道數(shù)設(shè)計(jì)為4，主要是考慮城區(qū)等實(shí)際場(chǎng)景中，疊掩數(shù)目大部分為2、小部分為3，疊掩數(shù)目大于3的情況占比非常小，為此可重點(diǎn)考慮疊掩數(shù)目小于等于3的情況[8]。對(duì)于單極化而言，4個(gè)通道將獲得4個(gè)幅度、4個(gè)相位共8個(gè)觀測(cè)量，而2個(gè)疊掩則包含2個(gè)斜高向位置、2個(gè)幅度、2個(gè)相位共6個(gè)待求量，因此理論上可以通過(guò)4幅相干圖像三維成像達(dá)到區(qū)分兩個(gè)疊掩的目的；而對(duì)于全極化而言，4組全極化相干圖像可獲得16個(gè)幅度、16個(gè)相位共32個(gè)觀測(cè)量，理論上可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)疊掩，即3個(gè)斜高向位置、12個(gè)幅度、12個(gè)相位共27個(gè)未知量的求解，從而可以滿足大部分應(yīng)用的需求，相關(guān)分析可參考文獻(xiàn)[9]。需要說(shuō)明的是，SAR三維成像所需空間相干觀測(cè)數(shù)量的理論邊界是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，其與高程向分辨率、信噪比、三維成像方法等眾多因素均相關(guān)，目前已有一些相關(guān)研究[8,10,11]但仍然存在很大的探索空間。尤其，在SAR微波視覺(jué)三維成像新方法下所需相干觀測(cè)數(shù)量的理論邊界，是一個(gè)值得探索研究的問(wèn)題。

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

MV3DSAR系統(tǒng)致力于小型化、經(jīng)濟(jì)化、高精度，在系統(tǒng)研制過(guò)程中突破的主要關(guān)鍵技術(shù)包括以下方面：

2.3.1 系統(tǒng)非線性誤差處理技術(shù)

Ku-SAR系統(tǒng)采用調(diào)頻連續(xù)波體制，由系統(tǒng)引入以及信號(hào)本身存在的非線性誤差會(huì)對(duì)SAR成像結(jié)果產(chǎn)生影響。為此，Ku-SAR一方面采用預(yù)失真補(bǔ)償手段提高激勵(lì)信號(hào)線性度，另一方面通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室采用延遲線定標(biāo)方法與非線性處理方法對(duì)信號(hào)中的系統(tǒng)非線性誤差項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)與校正[12]，使得校正后的信號(hào)非線性相位誤差小于±0.2弧度，保證SAR成像結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

2.3.2 高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

Ku-SAR系統(tǒng)搭載于輕小型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)際作業(yè)時(shí)平臺(tái)可產(chǎn)生較大范圍的運(yùn)動(dòng)誤差及姿態(tài)變化，需對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量，以便后續(xù)處理中進(jìn)行補(bǔ)償[13,14]。Ku-SAR系統(tǒng)集成了微型慣性測(cè)量單元(Micro Inertial Measurement Unit,MIMU)的控制模塊以及GPS位置測(cè)量模塊，結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)將測(cè)量所得慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)與GPS位置數(shù)據(jù)融合，通過(guò)雙捷聯(lián)處理方法獲取相對(duì)位置精度優(yōu)于0.3 mm的運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)，以滿足成像處理的要求。

2.3.3 多通道一致性技術(shù)

Ku-SAR系統(tǒng)具有多個(gè)接收通道，以滿足多極化、陣列干涉等任務(wù)需求。多通道信號(hào)之間延時(shí)、增益與相位的一致性是保證后續(xù)處理正確性的核心關(guān)鍵因素。Ku-SAR系統(tǒng)采用了基于低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)技術(shù)的多通道一致性設(shè)計(jì)、一致性定標(biāo)回路與內(nèi)定標(biāo)設(shè)計(jì)、多通道間電磁屏蔽防串?dāng)_設(shè)計(jì)等有效方案[15]，使得系統(tǒng)通道間相位一致性達(dá)到±5°以內(nèi)，圖3為在實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)多次重復(fù)上電測(cè)量得到的通道間相位差異結(jié)果，其包括了發(fā)射通道、接收通道、天線模擬環(huán)路的誤差影響。相對(duì)于美國(guó)華盛頓大學(xué)于2019年在文獻(xiàn)[16]中報(bào)道的通道間相位誤差在0.4至1弧度內(nèi)變化(±0.3弧度)而言，本系統(tǒng)通道間相位一致性明顯更優(yōu)，為獲取有效數(shù)據(jù)提供了可靠保障。

圖3 通道間相位差異實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果Fig.3 Laboratory measurements of phase difference between channels

2.3.4 小型化設(shè)計(jì)技術(shù)

Ku-SAR系統(tǒng)針對(duì)小型化設(shè)計(jì)需求，在系統(tǒng)的多個(gè)組成模塊上均采用小型化設(shè)計(jì)方案[15,17]。其中，數(shù)字模塊采用基于AXI (Advanced eXtensible Interface)總線的FPGA一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，將控制、AD、DA、定時(shí)等多個(gè)模塊集成在一個(gè)單片模塊上，形成了集控制、處理等多功能為一體的高度集成化數(shù)字模塊；在射頻模塊上采用LTCC工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)各個(gè)射頻元器件的集成方案[18]，形成具有高集成度，高可靠性的射頻模塊。通過(guò)各模塊的小型化設(shè)計(jì)，使得Ku-SAR系統(tǒng)達(dá)到較小的體積和重量，滿足可搭載于工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)的要求，便于實(shí)驗(yàn)任務(wù)的開(kāi)展。

3 MV3DSAR校飛實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證MV3DSAR系統(tǒng)的基本性能指標(biāo)和三維成像能力，我們于2021年12月1—2日在天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)開(kāi)展了首次集成校飛實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為臨港商務(wù)大廈(如圖4)，其由2棟15層塔樓及二層裙房組成，大廈區(qū)域占地面積22905.6 m2，樓高69.2 m，樓間距57.6 m，裙房高12.4 m、長(zhǎng)105.6 m、寬72.4 m。該大樓結(jié)構(gòu)具有一定的代表性，且周邊比較空曠，便于進(jìn)行定標(biāo)器布設(shè)。

圖4 天津臨港商務(wù)大廈光學(xué)影像及照片F(xiàn)ig.4 Optical image of Tianjin Lingang Business Building

3.2 航線及基線設(shè)計(jì)

為兼顧航高限制、成像范圍、最大不模糊高度、高程向分辨率以及三維成像最終結(jié)果的完整性，此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的飛行高度為400 m，波束范圍內(nèi)的成像幅寬為356.18 m。天線采用2發(fā)2收方式共形成4個(gè)等效天線相位中心，通過(guò)空間模糊函數(shù)的分析，優(yōu)選了2種基線構(gòu)型，如圖5所示。圖中，虛線表示結(jié)構(gòu)件上打孔的位置，R1,R2為兩個(gè)接收天線安裝的位置，T1,T2為兩個(gè)發(fā)射天線安裝的位置，藍(lán)色圓點(diǎn)表示等效天線相位中心的位置，兩種模式的等效基線如表3所示。

圖5 MV3DSAR校飛實(shí)驗(yàn)基線設(shè)計(jì)Fig.5 Baseline design of MV3DSAR flight experiment

表3 MV3DSAR校飛實(shí)驗(yàn)基線長(zhǎng)度Tab.3 Baseline length of MV3DSAR flight experiment

在上述基線下，視角為45°時(shí)，觀測(cè)矩陣的互相關(guān)特性以及空間模糊函數(shù)曲線如圖6所示，最大不模糊高度和斜高向理論瑞利分辨率曲線如圖7所示。可見(jiàn)，隨著入射角的增加，不模糊高度逐漸變大，但同時(shí)瑞利分辨率也逐漸變差，且由于飛行高度較低，近距到遠(yuǎn)距的瑞利分辨率相差一倍以上，在三維成像處理及結(jié)果分析中需充分考慮入射角的變化。此外，模式2最大基線較長(zhǎng)，理論的高程分辨率更佳，而模式1最小基線較短，可以獲得更大的最大不模糊高度。然而，臨港大廈69.2 m的高度已超過(guò)0.107 m最小基線對(duì)應(yīng)的50 m左右的不模糊高度，給三維成像帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。此外，由空間模糊函數(shù)圖可見(jiàn)，兩種模式分別在斜高向的±8.4 m,±28.4 m和±15.2 m,±21.6 m處存在高相關(guān)區(qū)域，需要在三維成像處理中采用有效手段來(lái)避免求解錯(cuò)誤。綜上可見(jiàn)，本MV3DSAR的三維成像處理存在很大的難度，本文第4節(jié)將通過(guò)引入圖像視覺(jué)語(yǔ)義信息[19]等方法以獲得較好的三維成像結(jié)果。

圖6 觀測(cè)矩陣互相關(guān)特性及空間模糊函數(shù)曲線Fig.6 Cross-correlation properties of observation matrix and spatial ambiguity function curve

圖7 最大不模糊高度及瑞利分辨率Fig.7 Maximum unblurred height and Rayleigh resolution

為了使獲得的三維信息更加完整，同時(shí)為了支撐后續(xù)三維成像與散射機(jī)制結(jié)合等方面的研究工作，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了8個(gè)方向的飛行航跡，記作ID0—ID7，如圖8所示。

圖8 MV3DSAR飛行航跡設(shè)計(jì)Fig.8 MV3DSAR flight path design

3.3 定標(biāo)器布設(shè)

為了支撐成像質(zhì)量評(píng)估，并支撐斜距、通道幅相誤差等參數(shù)的標(biāo)定，本次實(shí)驗(yàn)中定標(biāo)器布設(shè)的現(xiàn)場(chǎng)照片及布設(shè)位置示意圖見(jiàn)圖9，布設(shè)有4個(gè)直徑為0.3 m的龍伯球(記為L(zhǎng)1—L4)，供8個(gè)飛行方向共用；4組由4個(gè)邊長(zhǎng)為0.4 m的三面角反射器拼合而成的四向角反射器組(記為J1—J4)，使得每個(gè)四邊形航跡各有2組與之對(duì)應(yīng)。采用差分GPS對(duì)上述定標(biāo)器的三維位置進(jìn)行了精確測(cè)量，三維位置測(cè)量精度優(yōu)于5 cm。

圖9 定標(biāo)器布設(shè)示意圖及現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.9 Schematic illustration and photos of the calibrators

3.4 光學(xué)傾斜攝影及激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

為了獲得臨港大廈區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)真值，從而為SAR三維成像結(jié)果的評(píng)價(jià)提供參考，實(shí)驗(yàn)同步利用無(wú)人機(jī)獲取了光學(xué)傾斜攝影數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。其中激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程精度優(yōu)于2 cm，可為SAR三維成像結(jié)果的空間位置比較提供參考，激光點(diǎn)云的強(qiáng)度圖和高度圖見(jiàn)圖10；光學(xué)傾斜攝影的影像分辨率優(yōu)于2 cm，可提供豐富詳細(xì)的建筑表面紋理信息，同時(shí)光學(xué)三維重建精度可以達(dá)到平面0.3 m/高程0.25 m，三維重建結(jié)果見(jiàn)圖11，其可以輔助SAR二維/三維成像結(jié)果的分析和解譯。

圖10 激光點(diǎn)云結(jié)果Fig.10 Results of Lidar point cloud

圖11 光學(xué)傾斜攝影結(jié)果Fig.11 Optical oblique photography results

4 MV3DSAR數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及初步結(jié)果

本次MV3DSAR集成校飛實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證MV3DSAR系統(tǒng)在分辨率、通道幅相不平衡等方面的基本性能指標(biāo)，并驗(yàn)證其進(jìn)行三維成像的可行性。由于本次實(shí)驗(yàn)獲取了2個(gè)模式8個(gè)方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，且該系統(tǒng)只有4個(gè)通道，三維成像難度很大，因此相關(guān)研究和數(shù)據(jù)處理工作目前仍在進(jìn)行之中。本節(jié)主要給出對(duì)于系統(tǒng)誤差的標(biāo)定方法與結(jié)果，以及初步的三維成像結(jié)果，以驗(yàn)證系統(tǒng)的基本性能和三維成像的可行性。

4.1 數(shù)據(jù)處理總體流程

針對(duì)多個(gè)觀測(cè)方向獲取的陣列干涉SAR數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)的總體處理流程如圖12所示。首先對(duì)每個(gè)方向的4通道陣列干涉SAR原始回波數(shù)據(jù)進(jìn)行二維成像處理；然后基于系統(tǒng)誤差具有良好穩(wěn)定性的前提，通過(guò)多個(gè)方向的SAR圖像數(shù)據(jù)聯(lián)合進(jìn)行系統(tǒng)誤差參數(shù)標(biāo)定，包括系統(tǒng)延遲誤差、通道幅度和相位誤差，并確定和驗(yàn)證基線參數(shù)；隨后進(jìn)行干涉圖像配準(zhǔn)和相干性分析，為第三維成像提供基礎(chǔ)；接著進(jìn)行第三維成像處理，得到三維點(diǎn)云和點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)；最后對(duì)三維成像結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，從而得到最終的三維成像結(jié)果和對(duì)三維成像性能的分析結(jié)果。

圖12 MV3DSAR數(shù)據(jù)處理總體流程Fig.12 The overall flow of MV3DSAR data processing

在上述處理流程中，關(guān)鍵技術(shù)包括二維成像、系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、第三維成像這3個(gè)方面。二維聚焦的精度將直接影響圖像信雜噪比，從而影響三維成像效果；同時(shí)二維聚焦精度也將影響圖像語(yǔ)義信息的提取，對(duì)SAR微波視覺(jué)三維成像造成影響。系統(tǒng)延遲、基線、基線角、通道幅度/相位差異等參數(shù)對(duì)三維成像的求解結(jié)果有很大影響，尤其當(dāng)通道數(shù)量較少時(shí)，三維成像求解的病態(tài)性更加嚴(yán)重，微小的參數(shù)誤差就可能導(dǎo)致結(jié)果的嚴(yán)重偏差，甚至使得三維重建失敗，因此，系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)定至關(guān)重要。第三維成像則是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心環(huán)節(jié)，直接決定三維成像的成敗。為此，后續(xù)小節(jié)將重點(diǎn)針對(duì)上述關(guān)鍵步驟進(jìn)行處理方法的闡述并給出初步處理結(jié)果。

4.2 二維成像

通過(guò)航跡解析，8個(gè)方向航跡(ID0—ID7)與參考勻速直線航跡的偏離程度如圖13所示，飛行方向上由于非勻速運(yùn)動(dòng)引起的偏離在2 m以內(nèi)，垂直飛行方向航跡控制在1 m以內(nèi)，且大部分控制在0.4 m半徑的“管道”內(nèi)，航跡控制較好。通過(guò)姿態(tài)數(shù)據(jù)解析，8個(gè)方向飛行的姿態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果如圖14所示，橫滾角變化在3°以內(nèi)，偏航角變化在2°以內(nèi)，俯仰角變化在4°以內(nèi)，姿態(tài)變化相對(duì)較大。根據(jù)上述航跡和姿態(tài)數(shù)據(jù)以及本系統(tǒng)參數(shù)，按照文獻(xiàn)[20]的理論公式，以只進(jìn)行一步運(yùn)補(bǔ)、不考慮合成孔徑內(nèi)運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)姆绞?，分析了目?biāo)點(diǎn)實(shí)際高度與成像參考高度差為70 m時(shí)，運(yùn)補(bǔ)殘余誤差給模式1最長(zhǎng)基線的兩個(gè)通道帶來(lái)的干涉相位誤差。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，干涉相位誤差不超過(guò)2.5°，如將該相位偏差當(dāng)成隨機(jī)相位噪聲進(jìn)行簡(jiǎn)單核算，運(yùn)補(bǔ)殘余誤差引起的去相干效應(yīng)僅使相干系數(shù)降低0.002，基本可以忽略。然而對(duì)于聚焦而言，孔徑內(nèi)的運(yùn)補(bǔ)殘余誤差引起的二階以上相位誤差超過(guò)了12弧度，必須進(jìn)行孔徑內(nèi)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以提高聚焦質(zhì)量。此外，分析表明較大的姿態(tài)變化引起的多普勒中心頻率變化最大達(dá)到了120 Hz，超過(guò)了55 Hz左右的多普勒帶寬，也需要在成像處理中根據(jù)中心頻率的變化進(jìn)行處理頻帶和運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算參考的調(diào)整。

圖13 航跡與參考勻速直線航跡的偏離程度Fig.13 Difference between actual flight path and reference track

圖14 姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.14 Variation curve of attitude measurement data with time

因此，我們首先在實(shí)驗(yàn)室采用進(jìn)口的意大利RPS關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)(RPS EV07)精確標(biāo)定了天線相位中心(圖15中的R2,R1,T2,T1)和導(dǎo)航測(cè)量單元位置(圖15中的T)的相對(duì)關(guān)系(見(jiàn)表4)，并根據(jù)飛行過(guò)程中的姿態(tài)測(cè)量值，解算得到每個(gè)通道數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的航跡數(shù)據(jù)。隨后，各個(gè)方向均采用平行的直線航跡為參考航跡，地面高度為參考高度，采用ωk算法結(jié)合一步運(yùn)補(bǔ)及孔徑內(nèi)殘余運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償(PTA)的方法[21,22]進(jìn)行成像處理。其中，一步運(yùn)補(bǔ)在距離向壓縮后的距離和方位時(shí)域進(jìn)行，不同距離門(mén)根據(jù)中心頻率的變化采用不同的參考斜視角進(jìn)行運(yùn)動(dòng)誤差的計(jì)算和補(bǔ)償；PTA是在二維壓縮后進(jìn)行逐點(diǎn)方位向補(bǔ)償處理，以每個(gè)像素點(diǎn)為中心，截取方位向64個(gè)相鄰像素組成局部信號(hào)，變換到方位頻域后進(jìn)行孔徑內(nèi)殘余運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償時(shí)顧及了中心頻率的變化，繼而進(jìn)行傅里葉逆變換得到補(bǔ)償后的時(shí)域信號(hào)，取對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)為該像素的最終成像結(jié)果。

圖15 天線相位中心相對(duì)位置關(guān)系測(cè)量示意圖Fig.15 Schematic diagram of the relative position of the antenna phase center

表4 天線相位中心相對(duì)位置Tab.4 Relative position of antenna phase center

以ID0為例，給出龍伯球和角反射器的分辨率測(cè)試結(jié)果如表5和圖16，可見(jiàn)圖像分辨率能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，且距離向分辨率相比理論值展寬小于1.015，方位向分辨率在方向圖加權(quán)下的展寬小于1.08，點(diǎn)目標(biāo)的峰值旁瓣比和積分旁瓣比與理論值的偏差分別小于0.8 dB和1 dB，圖像聚焦質(zhì)量良好。將得到的每個(gè)方向成像結(jié)果，根據(jù)入射方向排列如圖17所示，可見(jiàn)在不同角度下，龍伯球和四向角反射器組均得到了較好的呈現(xiàn)，可以支撐參數(shù)標(biāo)定等處理；同時(shí)臨港商務(wù)大廈區(qū)域均在圖像的有效范圍內(nèi)，說(shuō)明了SAR數(shù)據(jù)獲取的有效性。

圖16 龍伯球和三面角反射器點(diǎn)目標(biāo)曲線Fig.16 Luneburg-Lens reflector and trihedral corner reflector point target curve

圖17 8個(gè)方向臨港商務(wù)大廈區(qū)域成像結(jié)果Fig.17 Imaging results of Lingang Business Building in eight directions

表5 定標(biāo)器分辨率Tab.5 Resolution of the calibrators

4.3 系統(tǒng)延遲誤差標(biāo)定

為了獲得準(zhǔn)確的干涉和三維成像結(jié)果，由系統(tǒng)延遲造成的斜距誤差是首先需要標(biāo)定的量。由于基于龍伯球半徑和GPS測(cè)量值計(jì)算得到的龍伯球位置對(duì)應(yīng)于龍伯球球心，而雷達(dá)波與龍伯球發(fā)生作用的點(diǎn)位于龍伯球表面處，存在一定的偏差，為此，我們重點(diǎn)采用角反射器組進(jìn)行斜距誤差標(biāo)定。此外，為了降低系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定對(duì)人工定標(biāo)器布設(shè)和真值測(cè)量的依賴，本文研究了有控制點(diǎn)和無(wú)控制點(diǎn)兩種系統(tǒng)延遲誤差標(biāo)定的方法。此處以模式1的T2R1通道數(shù)據(jù)為例，給出處理方法和結(jié)果。

有控方法以角反設(shè)器為控制點(diǎn)，以角反射器測(cè)量的三維位置真值和航跡位置來(lái)計(jì)算每個(gè)控制點(diǎn)的斜距，并與該點(diǎn)在圖像中像素位置(升采樣512倍后得到)計(jì)算得到的斜距做差得到斜距誤差，進(jìn)而擬合出斜距誤差隨距離向像素坐標(biāo)的變化曲線，后續(xù)處理使用擬合的斜距誤差曲線修正數(shù)據(jù)的斜距。

無(wú)控方法不需要角反射器三維位置真值，采用角反射器(或其他不同角度觀測(cè)均能呈現(xiàn)為強(qiáng)散射點(diǎn)且散射中心位置相同的目標(biāo))作為連接點(diǎn)，基于8個(gè)角度觀測(cè)的圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)歸一化距離多普勒(RD)方程[23]聯(lián)立，同時(shí)進(jìn)行連接點(diǎn)三維位置、斜距誤差等參數(shù)的求解。無(wú)控方法求解的最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

其中，i為觀測(cè)航跡的序號(hào)，j為連接點(diǎn)序號(hào)，ΔR0和ΔR1為斜距誤差函數(shù)的常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)系數(shù)，fDi為第i個(gè)觀測(cè)成像采用的多普勒中心頻率，Pj為待求的連接點(diǎn)三維位置，Sij為第j個(gè)連接點(diǎn)在第i個(gè)觀測(cè)圖像中像素位置所對(duì)應(yīng)的SAR天線相位中心三維位置，Vi是第i個(gè)觀測(cè)成像時(shí)采用的參考勻速直線運(yùn)動(dòng)速度，xij是第j個(gè)連接點(diǎn)在第i個(gè)觀測(cè)圖像中的距離向像素坐標(biāo)。

表6給出了兩種方法得到的斜距誤差標(biāo)定結(jié)果，圖18給出了兩種方法得到的斜距誤差曲線和8個(gè)觀測(cè)中根據(jù)角反射器位置和SAR位置計(jì)算的斜距差異的結(jié)果?？梢钥吹叫本嗾`差呈現(xiàn)近端小、遠(yuǎn)端大的趨勢(shì)，有控和無(wú)控兩種方式得到的斜距誤差曲線比較一致，該線性變化是由于SAR系統(tǒng)在發(fā)射和接收調(diào)頻連續(xù)波的整個(gè)系統(tǒng)環(huán)路上引入的色散效引導(dǎo)致的。表7給出了利用有控方法得到的斜距誤差修正后，再進(jìn)行多角度RD方程聯(lián)立得到的定標(biāo)器三維位置和測(cè)量三維位置的差異，以及無(wú)控方法得到的定標(biāo)器三維位置和測(cè)量三維位置之間的差異。由表7可見(jiàn)，有控方法下4個(gè)角反射器的三維位置中誤差為4.7 cm，無(wú)控方法下三維位置中誤差為10.6 cm。上述結(jié)果一方面?zhèn)让骝?yàn)證了角反射器位置測(cè)量精度能夠達(dá)到厘米級(jí)；另一方面也表明，在多角度觀測(cè)下，若無(wú)定標(biāo)點(diǎn)三維位置真值，也可以通過(guò)多角度聯(lián)立求解得到良好的三維位置計(jì)算結(jié)果和斜距誤差標(biāo)定結(jié)果。

圖18 斜距誤差隨距離向的變化曲線Fig.18 Variation curve of slope distance error with distance direction

表6 斜距誤差標(biāo)定結(jié)果Tab.6 Calibration result of slope distance error

表7 兩種方法的三維位置偏差(厘米)Tab.7 3D position deviation of the two methods (cm)

4.4 基線長(zhǎng)度及基線角

MV3DSAR系統(tǒng)采用一個(gè)5 mm厚度的鋁質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)件來(lái)保證天線安裝固定后的穩(wěn)定性，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)天線相對(duì)位置的精確測(cè)量(圖15)，基線長(zhǎng)度精度可以達(dá)到1 mm?；€角是通過(guò)姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)和天線相位中心相對(duì)位置矢量，計(jì)算得到各通道航跡后擬合得到成像參考勻速直線航跡，再通過(guò)各個(gè)通道參考勻速直線航跡之間的空間角度關(guān)系來(lái)得到的。本系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量精度為0.02°，通過(guò)仿真[20,24]，在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)下引起的高程誤差為0.2 m以內(nèi)，故此處直接采用測(cè)量值。本文4.5節(jié)的相位誤差估計(jì)結(jié)果，也從側(cè)面證明了采用測(cè)量基線和基線角的合理性。表8以模式1的ID3為例，以T2R2的等效天線相位中心為參考，給出了基線和基線角的數(shù)值。

表8 基線與基線角(T2R2為參考通道)Tab.8 Baseline and baseline angle (T2R2 channel for reference)

4.5 通道幅相誤差標(biāo)定

在斜距、基線、基線角參數(shù)確定后，進(jìn)一步進(jìn)行通道幅度和相位誤差標(biāo)定[25,26]。其中，幅度誤差的標(biāo)定相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)提取點(diǎn)目標(biāo)的峰值并計(jì)算各個(gè)通道定標(biāo)點(diǎn)目標(biāo)峰值差異，得到結(jié)果如表9所示，可見(jiàn)幅度不平衡穩(wěn)定度能夠滿足優(yōu)于±0.2 dB的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表9 通道幅度誤差標(biāo)定結(jié)果(T2R2為參考通道)Tab.9 Calibration result of channel amplitude error(T2R2 channel for reference)

相位誤差的標(biāo)定通過(guò)提取定標(biāo)器峰值相位，計(jì)算與參考通道的峰值相位差，并與根據(jù)基線、基線角、目標(biāo)三維位置真值計(jì)算得到的相位差真值進(jìn)行比較得到。

設(shè)點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)實(shí)測(cè)三維位置為P:(x,y,z)T，根據(jù)其在圖像上的像素位置(升采樣512倍后)，得到目標(biāo)被照射的方位時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的SAR天線相位中心位置分別為ST1R1,ST1R2,ST2R1,ST2R2。以T2R1和T2R2這組干涉圖像對(duì)為例，可以求得目標(biāo)P到對(duì)應(yīng)天線相位中心的兩個(gè)斜距真值分別為

由此可得到目標(biāo)的實(shí)際相位差為

其中，λ為波長(zhǎng)。

分別根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)在T2R1和T2R2復(fù)數(shù)圖像上的位置，提取升采樣后目標(biāo)峰值處的相位φT2R1和φT2R2，兩者相減即可得到干涉相位

將圖像干涉相位和實(shí)際相位差相減并解纏繞，即可得到相位誤差為

其中，wrap(·)表示相位解纏。

通過(guò)上述計(jì)算并畫(huà)出每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)在每個(gè)干涉圖像對(duì)中的相位誤差計(jì)算結(jié)果，就可以分析相位誤差的規(guī)律。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)射通道相同時(shí)，兩個(gè)接收通道之間的相位誤差比較恒定，如圖19所示，其不隨距離變化，以R2接收通道為參考，R1與R2的相位差平均值為44.68°，變化在5°以內(nèi)；去除R1和R2之間的相位差異后，T1和T2之間的相位差異呈現(xiàn)隨距離向的變化，如圖20所示，線性擬合后的常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)如表10所示，擬合后的殘余相位如圖21所示?？梢?jiàn)，除了個(gè)別點(diǎn)外，殘余相位在±5°以內(nèi)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。其中，發(fā)射通道之間隨距離向變化的相位誤差，是由兩個(gè)發(fā)射通道發(fā)射通路上引起的不同相頻特性導(dǎo)致。此外，由于本次實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)ID數(shù)據(jù)獲取時(shí)SAR單獨(dú)開(kāi)關(guān)機(jī)，使得每次成像的初相有所不同，故存在±5°的殘余相位是與圖3的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果相吻合的。

表10 通道相位誤差標(biāo)定結(jié)果Tab.10 Channel phase error calibration results

圖19 接收通道間相位誤差與距離向的關(guān)系Fig.19 The relationship between the phase error of the receiving channels and the slant range

圖20 發(fā)射通道間相位誤差與距離向的關(guān)系Fig.20 The relationship between phase error of the transmit channels and the slant range

圖21 發(fā)射通道間相位誤差與擬合直線的偏差Fig.21 Deviation of phase error between transmit channels and the fitted straight line

4.6 圖像配準(zhǔn)及相干性分析

干涉SAR圖像的配準(zhǔn)精度要求到亞像元級(jí)，本論文采用粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)結(jié)合的方式進(jìn)行干涉復(fù)圖像的高精度配準(zhǔn)[27,28]。首先在21×21的搜索窗內(nèi)按行列以整像元為單位逐個(gè)計(jì)算匹配窗與數(shù)據(jù)窗之間的相干系數(shù)，選取相干系數(shù)最大位置作為同名點(diǎn)位置，由此得到像元級(jí)的粗配準(zhǔn)結(jié)果。然后對(duì)輔圖像進(jìn)行10倍升采樣，再利用類似的方法得到亞像素級(jí)的精配準(zhǔn)結(jié)果。下面以ID3為例，給出了4個(gè)通道圖像配準(zhǔn)后兩兩計(jì)算相干系數(shù)的結(jié)果(圖2 2、圖23)和去平地后的干涉相位結(jié)果(圖24)。可見(jiàn)，同一個(gè)通道發(fā)射、不同通道接收的圖像之間，相干系數(shù)統(tǒng)計(jì)曲線峰值可以達(dá)到0.988以上；不同通道發(fā)射、不同通道接收的圖像之間，相干系數(shù)統(tǒng)計(jì)曲線峰值也可以達(dá)到0.96以上，良好的相干性為后續(xù)三維成像處理奠定了基礎(chǔ)。

圖22 相干系數(shù)統(tǒng)計(jì)曲線Fig.22 The statistical curve of coherence coefficient

圖23 相干系數(shù)圖Fig.23 Coherence coefficient map

圖24 去平地后的干涉相位圖Fig.24 Interferometric phase diagram after removing flat-ground phase

4.7 三維成像方法及初步結(jié)果

在完成前述斜距誤差及通道幅相誤差標(biāo)定和高精度圖像配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，我們接著開(kāi)展第三維成像處理工作。正如3.2節(jié)所述，臨港商務(wù)大廈高69.2 m，超過(guò)了微波視覺(jué)三維SAR系統(tǒng)的最大不模糊高度，因此傳統(tǒng)方法重建得到的三維點(diǎn)云存在嚴(yán)重模糊，難以進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)而得到目標(biāo)三維結(jié)構(gòu)。并且，由于本系統(tǒng)僅有4個(gè)通道，傳統(tǒng)SAR三維成像算法在較少觀測(cè)次數(shù)下成像性能較差。

為了解決上述問(wèn)題，項(xiàng)目組將SAR圖像視覺(jué)信息中獲得的幾何信息作為約束，融入陣列SAR三維成像處理的數(shù)學(xué)模型中，得到了初始的三維點(diǎn)云[19]。其中，為了從SAR圖像中提取能夠輔助三維成像的結(jié)構(gòu)信息，可以手動(dòng)或自動(dòng)地對(duì)圖像進(jìn)行語(yǔ)義分割[29]，也有研究者提出了面向陣列干涉SAR點(diǎn)云規(guī)則化漸進(jìn)式建筑立面檢測(cè)的方法[30]，可以與三維成像迭代應(yīng)用[31]。當(dāng)然，從SAR圖像中自動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確的語(yǔ)義分割和幾何結(jié)構(gòu)提取具有很大難度，相關(guān)研究尚不成熟，為此，圖25展示了利用ID3以及ID7兩個(gè)角度圖像手動(dòng)得到的建筑物立面分割結(jié)果。利用這一信息，可以從如下兩個(gè)方面輔助SAR三維成像處理。

圖25 SAR圖像建筑幾何結(jié)構(gòu)分割結(jié)果Fig.25 Segmentation results of building geometry in SAR image

第一，SAR圖像是目標(biāo)三維模型在二維成像平面的映射，SAR圖像中屬于同一幾何結(jié)構(gòu)的像素，重建得到散射點(diǎn)的三維空間分布也存在相應(yīng)幾何關(guān)系?；谶@一規(guī)律，可以對(duì)三維重建的解空間進(jìn)行約束，能夠提升在較少觀測(cè)次數(shù)下的三維重建質(zhì)量。具體的，首先在沒(méi)有結(jié)構(gòu)約束的情況下進(jìn)行三維重建，得到初始三維點(diǎn)云；之后，針對(duì)從二維圖像中檢測(cè)到的隸屬于同一幾何結(jié)構(gòu)(直線、平面等)的散射點(diǎn)三維重建結(jié)果，擬合其在三維空間的分布；最后，利用擬合得到的散射點(diǎn)空間分布結(jié)合信噪比的大小來(lái)形成對(duì)解空間大小的限制，如信噪比大(如超過(guò)20 dB)則解空間范圍可放大，而信噪比小則解空間被限制到擬合空間分布附近較小的區(qū)域；隨后在約束后的解空間范圍中迭代求解三維位置，提升少數(shù)觀測(cè)情況下的三維重建質(zhì)量。式(6)分別展示了空間中的平面方程，以及幾何參數(shù)求解的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其中：T為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的距離

閾值；sign(*)為符號(hào)函數(shù)；d ist(i,P)表征散射點(diǎn)i到平面P的距離，在實(shí)際計(jì)算中可以利用隨機(jī)抽樣一致性(RANSAC)方法進(jìn)行計(jì)算，能夠解決觀測(cè)次數(shù)少、信噪比低導(dǎo)致的雜點(diǎn)比例過(guò)高問(wèn)題；r為斜距軸，s為垂直斜距的斜高軸，x為方位軸，A1,B1,C1,D1為平面參數(shù)，N為點(diǎn)的數(shù)量。

第二，結(jié)合圖像語(yǔ)義信息提出了基于三維點(diǎn)云聚類的解模糊方法[32]。具體的，由于臨港商務(wù)大廈高度超過(guò)了69 m，遠(yuǎn)超系統(tǒng)的最大不模糊高程，因此一定會(huì)存在斜高向模糊現(xiàn)象，如圖26(a)所示。利用圖像分割得到的建筑物立面信息，將圖像分割后具有相同標(biāo)簽的像素進(jìn)行協(xié)同處理，這些像素重建得到的散射點(diǎn)屬于同一結(jié)構(gòu)。對(duì)隸屬于同一結(jié)構(gòu)且存在模糊的三維點(diǎn)云進(jìn)行空間聚類，基于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性判斷各類別點(diǎn)云的模糊數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云解模糊，解模糊之后的點(diǎn)云見(jiàn)圖26(b)。

圖26 重建三維點(diǎn)云解模糊前后結(jié)果對(duì)比圖Fig.26 Comparison of results before and after 3D point cloud deblurring

以ID3和ID7兩個(gè)角度的觀測(cè)為例，在進(jìn)行前述處理后得到的三維成像結(jié)果如圖27所示?？梢钥闯?，針對(duì)臨港商務(wù)大廈的不同角度觀測(cè)所獲取的散射信息具有顯著差異，兩個(gè)角度散射特性一定程度上能夠互補(bǔ)。另外需要指出，如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)，在建筑物底角部分，由于存在較為復(fù)雜的多次散射，重建散射點(diǎn)雜散程度高，后續(xù)仍需進(jìn)一步探索和精化處理。關(guān)于多徑效應(yīng)下SAR三維成像方法的研究可參考文獻(xiàn)[33]。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的三維成像質(zhì)量，項(xiàng)目組利用實(shí)驗(yàn)中同步獲取的高精度激光點(diǎn)云作為參考真值，對(duì)三維重建的結(jié)果進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)。以下從三維成像分辨率、重建精度以及重建完整性3個(gè)角度開(kāi)展定量化評(píng)價(jià)工作。

如圖7所示，微波視覺(jué)三維SAR系統(tǒng)的斜高向瑞利分辨率隨觀測(cè)視角變化，最優(yōu)約為7.5 m。根據(jù)激光點(diǎn)云測(cè)量結(jié)果可知，臨港商務(wù)大廈層高約5 m，考慮入射角后在斜高向的投影仍然小于7.5 m，但是從圖27的三維重建結(jié)果中可以看出同一樓層的散射點(diǎn)得到了分辨。一方面，相鄰樓層的散射在二維圖像的距離向上跨越了多個(gè)距離門(mén)，得到了分辨；另一方面，本實(shí)驗(yàn)所采用的斜高向三維成像處理算法具備超分辨能力，在工程實(shí)踐中能夠?qū)崿F(xiàn)約10倍的超分辨率成像，即能夠區(qū)分斜高向間隔小于1 m的散射點(diǎn)，因此即使落入相同距離門(mén)，在高信噪比條件下也具備一定的分辨能力。

圖27 臨港商務(wù)大廈三維重建結(jié)果Fig.27 3D reconstruction results of Lingang Business Building

針對(duì)三維重建精度，根據(jù)ID3和ID7數(shù)據(jù)重建得到的三維點(diǎn)云，建筑物高度估計(jì)約為66.7 m，而激光點(diǎn)云測(cè)量得到的建筑物高度為69.2 m，高度測(cè)量誤差約2.5 m。在具備激光點(diǎn)云真值的情況下，定義三維重建精度和完整性如下[19]：

其中，R,T分別代表重建三維點(diǎn)云和激光點(diǎn)云，NR和NT為對(duì)應(yīng)包含的散射點(diǎn)數(shù)量，R(i),T(j)分別為重建結(jié)果和激光點(diǎn)云的第i個(gè)和第j個(gè)散射點(diǎn)，dist(*)代表兩個(gè)散射點(diǎn)之間距離度量。為分析上述指標(biāo)，針對(duì)臨港商務(wù)大廈，將多角度重建的結(jié)果和激光點(diǎn)云進(jìn)行了配準(zhǔn)處理，配準(zhǔn)后的結(jié)果如圖28所示。根據(jù)式(3)和式(4)得到結(jié)果如表11所示，各角度重建精度接近，滿足預(yù)期；而重建完整性受到不同觀測(cè)角度遮擋情況的不同，存在較大差異，融合后的結(jié)果完整性有顯著提升。

表11 三維點(diǎn)云的精度及完整性Tab.11 Accuracy and completeness of 3D clouds

圖28 臨港商務(wù)大廈SAR三維成像點(diǎn)云與激光點(diǎn)云Fig.28 SAR 3D reconstruction results and Lidar point cloud of Lingang Business Building

綜上，臨港商務(wù)大廈的三維結(jié)構(gòu)得到了較好的重建，驗(yàn)證了MV3DSAR系統(tǒng)的三維成像能力。后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展各個(gè)角度的三維成像處理，并進(jìn)行各個(gè)角度信息的融合和多角度聯(lián)合處理，在三維幾何坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)散射信息更全面的表征[9]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了微波視覺(jué)三維SAR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(MV3DSAR)的組成、系統(tǒng)參數(shù)和研制關(guān)鍵技術(shù)，并給出了該系統(tǒng)首次集成校飛實(shí)驗(yàn)的模式設(shè)計(jì)、航線設(shè)計(jì)和定標(biāo)器布設(shè)情況，最后給出了系統(tǒng)誤差標(biāo)定的方法和結(jié)果，并給出了初步的三維成像結(jié)果，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的基本性能和三維成像能力，可以為后續(xù)SAR微波視覺(jué)三維成像理論方法研究和驗(yàn)證提供支撐平臺(tái)。

在國(guó)家自然基金重大項(xiàng)目支撐下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展基于微波視覺(jué)的SAR三維成像方法研究，并繼續(xù)開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和指標(biāo)評(píng)估工作，推動(dòng)SAR三維成像技術(shù)的應(yīng)用。

致謝本次實(shí)驗(yàn)得到了中國(guó)科學(xué)院空天信息研究院齊魯研究院任天宇博士團(tuán)隊(duì)在光學(xué)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取方面的大力支持，空天院劉忠勝老師、韓冬、董書(shū)航、王沐涵、劉子楠同學(xué)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方面的有力支撐，以及空天院蘇州研究院張柘、李杭、金燕副研究員、彭凌霄助理研究員，杜邦、施睿哲、呂澤鑫等同學(xué)在性能仿真、圖像配準(zhǔn)等方面的工作支撐，在此一并表示感謝。