合成孔径雷达（SAR）图像匹配导航技术研究

【摘要】：图像匹配导航技术是飞行器自主精确制导的关键技术之一。目前很多飞行器都采 用光学图像匹配来提高自主导航的精度,但光学传感器容易受到物候天象与光照条件 的影响,因而工作效率受到一定的限制。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)技术是现代微波遥感技术一个重大的进展,作为一种主动的成像系统,SAR 不 仅能高分辨率成像,而且具有全天时,全天候工作的特点。合成孔径雷达的这些优点 使它成为飞行器导航的重要传感器之一。 本文主要围绕基于 SAR 图像匹配的无人飞行器自主导航技术进行了深入地研 究,主要内容包括:(a) SAR 图像相干斑抑制方法;(b) 高性能的高分辨率 SAR 同源 图像匹配方法;(c) 基于共性特征的 SAR 图像与卫星光学图像匹配方法;(d)基于雷 达干涉成像(synthetic aperture radar interferometry,INSAR)技术的 3D 地形匹配方 法。具体内容如下: (1) 概要性地介绍了 SAR 成像原理、基于雷达干涉成像技术测量的原理与地形 高程数据生成技术,并介绍了 SAR 影像的辐射特性。 (2) 针对 SAR 图像相关斑抑制问题,提出了一种基于小波域统计建模与小波系 数显著性修正相结合的 SAR 图像相干斑抑制方法。在此方法中,首先运用混合高斯 模型与隐马尔可夫树模型对小波系数进行建模,并运用期望值最大算法估计模型的参 数。在模型参数估计的基础上,采用贝叶斯最小误差方法估计“干净”的小波系数。 然后,采用小波系数模极大值准则对估计的小波系数进行显著性修正,对修正后的小 波系数进行小波逆变换获得相干斑抑制的 SAR 图像。用仿真与真实的 SAR 图像去噪 实验表明该算法不仅能有效地抑制 SAR 图像斑点噪声,而且能够很好地保持边缘结 构与强散射中心。 (3) 针对高分辨率 SAR 同源图像匹配问题,提出了一种基于小波迭代求精与信 息融合相结合的 SAR 同源图像匹配算法。在这种方法中,为了加快匹配速度引入金 字塔多分辨率迭代求精算法,考虑到小波的各个子带分别对应图像的不同特征(缓变 量与各个方向的边缘特征),所以利用小波变换来构建小波金字塔。为了提高匹配概 率、定位精度及可靠性,运用 Dempster-Shafer 准则对各子带匹配的相关曲面进行融 合获得最终匹配结果。为了研究该算法的鲁棒性,本文对不同水平的噪声、不同的几 何变形、不同的小波基函数下的匹配实验进行分析,得出了一些有意义的结论。基于 该算法的实时信息处理机已经研制成功。 I WP=5 (4) 随着飞行器精确制导技术的发展,以多传感器图像匹配技术来提高飞行器自 主导航精度的方法越来越受到重视。本文针对基于共性特征的 SAR 图像与卫星光学 图像匹配问题,提出了一种基于 Hausdorff 距离矩阵 Frobenius 范数测度与遗传算法 相结合的 SAR图像与卫星光学图像匹配算法。在这种算法中,首先采用边缘作为SAR 图像与卫星光学图像的共性特征,并针对 SAR 图像的特点提出了一种边缘提取的方 法。在共性特征提取的基础上,提出了一种新的基于子模板 Hausdorff 距离矩阵 Frobenius 范数测度的相似性度量方法。该测度在模板大比例被遮挡与高水平噪声下 相对于常规改进的 Hausdorff 距离测度具有更高的可靠性与定位精度。为了提高匹配 算法速度,本文采用了基于遗传算法的搜索策略。不同噪声水平下的 SAR 图像匹配 实验表明了该算法的有效性。 (5) 合成孔径雷达干涉技术的发展使得利用 SAR 获得地形高程的技术越来越 成熟。针对基于 INSAR 技术的 3D 地形匹配问题提出了一种基于等高线图 (Iso-Elevation Contour Map ,IECM)与正则化小波描述的 3D 地形匹配算法。在 此方法中,首先采用 IECM 来描述 3D 地形特征,IECM 具有平移、旋转等几何不变 性,同时具有提取算法简单的优点。其次采用正则化的小波描述子来描述等高线,这 种描述子具有尺度、平移、旋转不变性,而且特征维数低;同时采用这种描述子可以 由粗到精地匹配等高线,从而加快速度。最后提出了一种快速的等高线匹配算法。为 了研究该算法的鲁棒性,本文对不同水平的噪声、不同的小波基函数下进行匹配实验, 得出了一些有意义的结论。 (6) 论文的最后总结了全文的研究工作并作了下一步工作的展望。