连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像研究

合成孔径雷达的回波数据和图像数据都是复数,由于各个分辨单元散射点的初始相位是随机的,致使连续变化地物场景的信号带宽较大,传统的单天线SAR很难实现空间稀疏降采样。该文采用交轨向多天线观测结构,分析了交轨向稀疏阵列SAR的成像模型,首次提出利用信号重构方法,去除散射点随机初相位,降低复信号带宽,以较大间隔的空间稀疏采样实现稀疏阵列SAR侧视3维成像。干涉SAR 2维成像实际数据处理结果验证了通过信号重构可以降低复信号带宽,稀疏阵列SAR侧视3维成像的仿真结果验证了该文方法的有效性。     

基于粗数字高程模型信息的干涉相位图生成方法

该文提出了一种基于粗数字高程模型(DEM)信息的干涉相位图生成方法,其思路为充分利用已有的DEM信息来完成SAR图像配准-干涉相位滤波处理。此方法首先根据粗DEM信息和系统参数计算得到SAR图像中每一像素的2维配准偏移量,从而完成SAR图像的配准。在干涉相位滤波中,由粗DEM信息仿真生成已知地形的干涉条纹图用以补偿InSAR系统录取得到的干涉相位,再对残余相位进行滤波处理,提高干涉相位滤波的性能。另外,对于高分辨率SAR图像,粗DEM高程误差和系统参数误差会引入较大的图像配准误差,该文再利用联合像素子空间投影方法进一步完成SAR图像的精确配准和相位滤波。仿真结果验证了该文方法的有效性。     

基于频域稀疏压缩感知的星载SAR稀疏重航过3维成像

星载合成孔径雷达(SAR)稀疏重航过3维成像技术通过交轨向的多次飞行观测,获得观测场景的第3维分辨。该文给出了单颗卫星SAR稀疏重航过轨道分布,为有效缩短重访时间,同时给出了编队双星SAR轨道分布,对应的交轨向等效孔径长度为20 km。提出了一种基于干涉处理和频域压缩感知(CS)的稀疏3维成像方法,利用稀疏重航过中的部分回波形成参考3维复图像,对待重建SAR 3维图像信号进行干涉处理,使信号在频域具备稀疏性。在大轨道分布范围下,建立频域距离向-交轨向线性测量矩阵,利用CS理论联合求解稀疏表征下的图像频谱,避免交轨向和距离向的回波信号耦合。将求解所得频谱逆变换至空间域,可得到观测场景的3维图像重建结果。仿真结果表明,该文方法在稀疏采样率74.4%条件下,仍可获得与满采样成像性能相当的结果,验证了干涉处理频域稀疏方法在星载SAR 3维成像中的有效性。     

稀疏重航过阵列SAR运动误差补偿和三维成像方法

该文针对机载交轨阵列SAR下视3维成像模型,采用以巴克码伪随机序列为准则的稀疏重航过采样方式,利用较少飞行次数提高交轨向分辨率。针对重航过采样方式存在的运动误差,利用修正均匀冗余阵列(Modified Uniformly Redundant Arrays, MURA)编码空间调制和3维后向投影(Back Projection, BP)算法获得各航过3维复图像对,基于干涉处理和频域压缩感知(Compressed Sensing, CS)等效实现各航过阵列形变误差补偿。将MURA反码对应回波形成的3维复图像相位作为参考,对各单航过复图像进行相位补偿,以恢复各航过间复图像相位关系。根据单航过阵列SAR3维复图像具备频域稀疏的性质,对各个复图像相干累加,实现稀疏重航过阵列SAR高分辨率下视3维成像。仿真和暗室试验数据处理结果验证了方法的有效性。      

基于多视角快拍InSAR干涉技术的前视SAR三维成像

该文提出了一种基于多视角快拍InSAR干涉技术的前视SAR 3维成像方法。方位维依靠安置实际线性阵列以实现方位维高分辨,对应雷达发射的一次脉冲实现一次快拍2维高分辨成像;利用多次快拍不同视角获得的干涉相干相位,通过多基线InSAR联合像素处理方法,估计场景的高程信息。该文的3维成像方法对应回波数据录取时间短,数据量和运算量比较小;同时,多基线InSAR联合像素处理方法利用信号空间与噪声空间的正交性,能够有效提高信噪比,保证较高的测高精度。仿真结果验证了该文分析的正确性和算法的有效性。     

一种基于地形驻点分割的多通道SAR三维重建方法

多通道SAR具有高度向分辨能力,能够实现叠掩场景的3维重建,但是由于其基线长度有限,利用现有方法进行重建所得高程定位精度往往较差,而且由于叠掩区域散射系数起伏较大,重建结果中存在较多的漏检。针对以上问题,该文提出一种基于地形驻点分割的多通道SAR 3维重建方法,首先通过层析获得场景3维分布的草图,之后通过地形驻点定位及以地形驻点为门限的分割得到不叠掩的数据,最后利用干涉信号处理实现场景的3维重建。该方法结合了多通道SAR的高度向分辨能力和干涉信号处理的高精度,能够更加稳定、精确地实现叠掩场景的3维重建,基于实际场景缩比模型的仿真实验结果验证了该文算法的有效性。     

基于压缩感知的连续场景稀疏阵列SAR三维成像

该文提出一种基于压缩感知的连续场景稀疏阵列SAR 3维成像方法。利用多孔径观测结构,使SAR复图像在频域和变换域具备稀疏性,将压缩感知(CS)方法引入频域和变换域的信号处理过程中,实现高分辨率3维成像,获得与满阵成像结果相同的成像质量。该文方法适用于随机稀疏阵列,可减少对高程向阵型的设计约束,为孔径综合处理后无法获得满阵条件下实现对地成像提供了可能。仿真试验验证了该文方法的有效性。     

一种有效的机载双频干涉地形高程重建方法

双频联合解缠不需要满足Iton假设,因此双频干涉可以有效地提取地形起伏较大区域的高程信息。针对目前双频干涉处理中高程重建精度低的问题,该文提出了一种有效的双频干涉SAR地形高程重建方法。该方法对常规处理流程中的关键步骤进行了改进,首先在不同波段配准之前采用非局部参数估计(NL-InSAR)技术对幅度图、相干系数、干涉相位进行精确估计,利用各个波段滤波后的幅度信息来实现不同波段的干涉相位的配准。然后采用聚类分析技术对联合解缠相位标记有效点和噪点,并利用这些有效点对联合解缠相位进行均值滤波。用于实验的机载实测数据包括同一场景的C波段和X波段主、辅SAR图像复数据,在针对实测数据处理中,该方法取得了较好的高程重建结果。      

基于圆迹干涉SAR的DEM提取

圆迹干涉SAR具有对场景目标进行全方位观测测量的优势,为了满足高分辨率圆迹SAR成像对高精度的场景数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)的需求,该文提出了一种基于圆迹干涉SAR数据的高程估计方法。首先推导了采用后向投影(Back Projection, BP)算法时的圆迹干涉SAR信号模型,然后给出了基于圆迹干涉SAR处理的场景DEM提取流程,最后通过仿真实验验证了所提方法的有效性。     

基于LiDAR点云的单根电力线分离提取与多维度拟合重建

激光雷达技术能够快速高效地获取高精度的三维点云数据,机载LiDAR不受天气影响且能在复杂地理条件下工作,已成为电力线巡检的重要方法。而从获取的LiDAR点云数据中高效提取架空电力线点云是机载LiDAR电力巡检后期数据处理的重要内容。本文基于某地输电线走廊的LiDAR点云数据,设计了一套单根电力线分离提取和多维度拟合重建的方案。该方案首先使用统计滤波算法去除LiDAR数据中的异常离群点;再采用布料模拟滤波算法,结合数据高程信息去除地面点,利用PCA主成分分析法与快速欧式聚类算法,从电力线走廊点云中分离提取单根电力线;最后基于提取结果对单根电力线进行多维度拟合重建。实验结果表明,本文方法能精准且快速地分离提取单根电力线并进行多维度拟合重建,在电力线智能巡检中具有良好的工程应用价值。     

一种基于飞行时间相机的点云目标提取方法

基于飞行时间(Time of Flight,TOF)原理的深度相机成像方法不同于二维图像来计算三维信息,而是通过光在空气中的飞行时间,来计算出目标的距离,从而直接获取场景目标的三维点云信息。本文通过研究基于飞行时间红外相机的三维重建技术,设计了一种基于飞行时间红外相机的点云目标提取方法。利用飞行时间相机直接获得场景的三维点云数据,提出一种双阈值空间滤波算法,对点云数据进行空间滤波,并对滤波效果进行了对比评价。在双阈值空间滤波算法的基础上提出了一种改进的基于法向量的随机抽样一致性(RANSAC)算法,实现了对三维点云数据的目标提取,为基于飞行时间相机的场景目标三维重建奠定了基础。     

面向铁路场景的大规模点云高效去噪方法

利用车载激光雷达获取铁路沿线环境信息对于保障行车安全具有重要意义。但是激光雷达采集到的点云数据受设备及环境因素影响,会产生大量的噪声干扰,这些噪声严重影响后续的感知和监测任务。为此,本文提出了一种面向铁路场景的大规模点云高效去噪方法。该方法提出了一种新颖的网格投影策略,对大规模铁路点云数据进行高效的降维降采样处理。然后,设计了基于GPU的改进聚类加速算法,快速识别离群的噪声数据。最后综合设计多策略融合方法,有效地去除噪声数据。所提方法充分利用铁路场景前向运动的特点,对点云数据进行基于网格化的时空压缩,同时利用GPU加速聚类算法的矩阵运算,实现了实时高效的铁路场景大规模点云去噪算法。实验结果表明,所提方法不仅能够提高去噪的性能,而且处理效率得到了极大提升。     

基于最近迭代点的毫米波雷达点云数据处理方法

毫米波雷达具有小型化、低成本等特点,可全天候、全天时工作,在高级辅助驾驶系统中发挥着重要作用。基于多芯片级联方案的多发多收（multiple-input multiple-out, MIMO）技术可有效提高毫米波雷达的角度分辨率,使得毫米波雷达点云成像成为可能。针对毫米波雷达图像点云稀疏、噪点多等问题,本文提出了一种基于最近迭代点的毫米波雷达多帧融合和自适应邻域半径的DBSCAN算法。首先,利用MIMO毫米波雷达技术获得多帧观测场景目标点云图像。其次,利用辅助信息得到点云匹配的初值,通过最近迭代点算法估计平移旋转矩阵进行精确匹配,实现多帧数据融合以改善图像点云稀疏问题。然后,设计自适应阈值的DBSCAN算法去除噪声,获得目标的点簇信息,再对聚类后的点簇目标求取最小外接矩形,结合目标散射强度,实现对车辆和围栏等不同类型目标区分。最后,利用外场（典型停车场场景）测试数据,对本文所提算法的有效性进行了验证。     

倾斜影像辅助的无人机载LiDAR高陡边坡形变监测

针对高海拔峡域地形地貌环境下基于轻小型无人机载LiDAR对高陡边坡激光点云扫描数据缺失导致DEM重建及形变分析精度低的问题,优化设计了一种垂直于山脊线、变高飞行的无人机点云/多视影像数据采集,以及影像密集匹配点云辅助下LiDAR三维激光点云的滑坡群DEM重建方案,实现了复杂地形地貌下LiDAR点云数据安全、高效的采集,改善了高陡边坡DEM重建及形变监测的精度和完整性。该方法基于迭代最邻近点算法,将倾斜影像生成的点云数据与同期获取的LiDAR点云数据配准和融合,实现了LiDAR点云数据缺失补偿,进而构建出完整、高精度的DEM,并与往期倾斜影像生成的DEM进行差分,对三个典型滑坡体进行了高程形变分析。以青海龙羊峡水电站的高陡边坡滑坡群为研究区,利用实测的GNSS地面控制点进行实验验证,得出结论：融合后的LiDAR点云精度为0.063 m,比融合前提高了0.018 m;重建的三个典型滑坡体的DEM高程精度为0.08 m,提升了边坡DEM重建的完整性和精度;对三个典型滑坡体2018、2021年两期高程形变分析,表明：滑坡群中多个边坡发生不同程度的土体滑动,高程方向的形变高达50多米,滑坡群形变...     

合并分割块的点云语义分割方法

随着激光雷达等三维点云获取工具的快速发展,点云的语义信息在计算机视觉、智能驾驶、遥感测绘、智慧城市等领域更具重要意义。针对基于分割块特征匹配的点云语义分割方法无法处理过分割和欠分割点云块、行道树和杆状物的语义分割精度低等问题,提出了一种基于分割块合并策略的行道树和杆状物点云语义分割方法,该方法可对聚类分割后感兴趣的分割块进行合并,通过计算其多维几何特征实现对合并后的物体分类,并使用插值优化算法对分割结果进行优化,最终实现城市道路环境下行道树和杆状物的语义分割。实验结果表明,所提方法可将城市道路环境下的行道树、杆状物等点云数据的召回率和语义分割精度平均提升至89.9%以上。基于分割块合并的语义分割方法,可以很好地解决城市道路下行道树和杆状物语义分割精度低等问题,该方法对于三维场景感知等问题的研究具有重要意义。     

融合强阈值三角网与总体最小二乘曲面拟合滤波

机载LiDAR点云数据滤波是LiDAR数据后处理过程中的关键步骤。在分析三角网滤波与曲面拟合滤波特点的基础上,提出了一种由粗到精的处理思想用于LiDAR点云数据滤波。该方法通过强阈值三角网算法进行II类误差优先的粗分类,获取可靠性较高的初始地面点,以粗分类结果作为先验信息进行种子点选取,引入总体最小二乘算法完成曲面拟合,设置自适应阈值实现不同区域灵活处理,最终得到较为精细的地面模型。使用ISPRS测区数据及Niagara数据进行实验,与经典滤波算法及传统曲面拟合方法进行对比,实验结果证明,该方法较传统算法能够得到更加可靠的滤波结果,对各种地形的适应性较强,具备较高的实用价值。     

联合NDRI特征和空间相关性的机载MS-LiDAR数据分类

对比仅包含多光谱信息、仅可实现二维土地覆盖分类的传统光学遥感数据,机载多光谱激光雷达(multispectral light detection and ranging,MS-LiDAR)的优势在于同时包含多光谱和空间信息、可实现三维土地覆盖分类,但现有的机载MS-LiDAR数据的土地覆盖分类研究所需特征维度过高、算法复杂度高。因此,提出了一种整合空间相关性和归一化差分比率指数(Normalized Difference Ratio Index,NDRI)特征的逐步分类算法。该算法首先融合机载MS-LiDAR数据的多波段独立点云,获取兼具空间位置及其多光谱信息的单一点云数据;然后利用空间邻域增长下的地面滤波算法分离地面和非地面点;接着基于不同目标的激光反射特性差异设计将草地(树木)自地面(非地面)中分离的NDRI指数,并利用类间方差最大原则下的自适应最优NDRI指数实现地面和非地面点的精细分类;最后利用3D多数投票法优化分类结果。采用加拿大Optech Titan实测MS-LiDAR数据测试提出算法的有效性及可行性,实验结果表明：算法的平均总体精度和Kappa系数分别可达90.17%和...     

三维扫描激光雷达系统设计及实时成像技术

三维扫描激光雷达能够主动获取目标的三维信息,其高速数据采集与传输是三维实时成像的技术瓶颈之一。自主设计一款地基三维扫描激光雷达系统,利用数据采集与控制系统实现点云三维成像。激光雷达系统硬件设计包括发射与接收单元、测距单元和扫描单元,用于获取目标的三维点云数据。激光雷达系统软件设计包括上位机程序、下位机程序和USB固件程序设计,实现点云数据从下位机到上位机的采集、传输和存储,及上位机数据解析和实时成像。通过多个场景实验,结果显示三维扫描激光雷达系统具有厘米级别的测距误差,可以实现三维实时成像。     

复杂轨迹合成孔径雷达后向投影算法图像流GPU成像

相对于基于傅里叶变换的频域成像算法,后向投影( BP)算法因采用时域逐点相干积累,更适合于复杂轨迹合成孔径雷达( SAR)高精度成像。但BP算法计算量巨大,限制了其应用于SAR大场景大数据量快速成像。图形处理器( GPU)具有强大浮点运算和并行处理能力,为大场景BP算法快速成像实现提供了途径。结合GPU并行处理,提出了一种基于图像流的复杂运动SAR大场景BP快速成像处理方法。该方法借助BP算法中图像像素点相互独立处理的特性,采用图像像素点并行及图像流程处理,设计了孔径与图像缓存调度方案,提高SAR大场景大数据BP算法成像效率。仿真和机载实测数据结果验证了方法的有效性,在有限GPU显存条件下实现了8192×8192大场景快速成像,并且成像加速比相对于传统CPU单线程处理可达300倍以上。     

基于CxImage库的SAR图像Speckle噪声抑制

合成孔径雷达图像的相干斑噪声抑制是SAR信息处理中的一个重要环节。经典的Speckle噪声抑制通常作为一个处理模块集成在软件中,但现有软件代码封装无法二次开发。针对文中提出了一种基于开源图像库CxImage的空间域自适应Speckle噪声抑制算法的应用与集成。将CxImage图像库链接入MFC应用程序框架中,利用其图像管理、维护、处理功能对SAR图像进行维护管理,集成多种经典的空间域自适应滤波方法,并以ERS-2卫星的PRI SAR数据为例,进行Speckle噪声滤波处理,选取适当的滤波效果评价参数,对滤波结果进行比较,最终得出各滤波算法应用于SAR图像滤波的优劣。