SAR 圖像匹配制導精度影響因素分析

張東興，賈興亮，李相平，祝明波，殷勇

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001；2.海軍裝備部西安局，蘭州730070；3.91436部隊，廣西柳州545613）

SAR 圖像匹配制導精度影響因素分析

張東興1，賈興亮2，李相平1，祝明波1，殷勇3

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東煙臺264001；2.海軍裝備部西安局，蘭州730070；3.91436部隊，廣西柳州545613）

合成孔徑雷達（SAR）具有高分辨率、全天候等優(yōu)點，是提高精確制導武器制導精度的有力工具。制導精度是精確制導武器的重要性能指標，影響SAR制導系統(tǒng)精度的主要因素有實時圖的獲取誤差及預(yù)處理誤差、圖像匹配誤差、慣導測量誤差、SAR制導特殊彈道引起的導航制導的誤差。概述了SAR圖像匹配制導系統(tǒng)精度的相關(guān)研究，對比和分析了這些研究和結(jié)論，指出了該研究存在的問題和發(fā)展方向。

SAR圖像；圖像匹配；制導精度

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種高分辨率成像雷達，既具有高的角分辨率（方位向分辨率）又有足夠高的距離向分辨率。高的角分辨率是它相對于傳統(tǒng)雷達的優(yōu)點，且得到的高分辨率雷達圖像已接近光學成像的分辨率，成像基本不受能見度等氣象條件的影響，具有全天候的特點，這是SAR成像相對于可見光成像和毫米波雷達成像的優(yōu)點。因具有高分辨率、全天候以及對一些地物有穿透性[1]等優(yōu)點，作為一種新型的成像工具，合成孔徑雷達在精確制導領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越大的作用。

本文主要從影響因素方面來綜述SAR制導系統(tǒng)精度方面的研究。SAR圖像匹配是把不同成像條件下對同一場景錄取的2幅或多幅SAR圖像在空間上進行對準，以確定圖像之間的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等關(guān)系的過程[2-5]。

1 SAR制導系統(tǒng)原理

SAR制導系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖像匹配制導技術(shù)是利用飛行器上傳感器獲取的實時圖像與飛行器上存儲的參考圖像進行匹配以獲得飛行器的當前位置，用以修正慣性導航的累積誤差，從而實現(xiàn)飛行器自主高精度導航的一種技術(shù)。

一般而言，SAR圖像匹配制導可以獲得很高的制導精度，但其系統(tǒng)較為復(fù)雜，如圖1所示。影響其精度的可能因素較多，概括地講，影響圖像匹配制導精度的主要因素有以下幾方面：

1）實時圖的獲取及預(yù)處理誤差；

2）圖像匹配誤差；

3）慣導測量誤差；

4）SAR特殊彈道引起的制導誤差。

圖1 SAR成像匹配制導系統(tǒng)原理圖Fig.1 Block diagram of SAR image matching guidance system

2 實時圖的獲取及預(yù)處理

一般而言，在SAR成像獲取過程中，由于彈載環(huán)境、彈載平臺非勻速直線運動以及干擾的影響，會引入噪聲和畸變。另外，對實時圖進行預(yù)處理時應(yīng)考慮實時圖的可匹配性、噪聲和畸變等情況，而濾波和特征提取，這種預(yù)處理一般會提高實時圖的可匹配性，但同時也會引入誤差，減少圖像的有效信息量。

文獻[6]指出由于實時成像手段以及環(huán)境條件的限制，實時圖存在一定的灰度畸變、幾何畸變及噪聲干擾。因此，在匹配前須對這些畸變進行校正處理。如果成像分辨率和基準圖分辨率不同，在預(yù)處理時可能還應(yīng)考慮將二者分辨率調(diào)整到一致。如果匹配算法不是直接利用實時圖和基準圖的灰度，而是利用圖像的某些特征，則需對實時圖和基準圖進行特征提取。所有這些處理必然引入一定的處理誤差，從而減小了實時圖與基準圖的信息量。為了提高匹配的可靠性與成功率，實時圖的預(yù)處理一般還包括失真分析，即選擇失真小、可匹配性高的實拍圖像與基準圖進行匹配。實時圖的預(yù)處理過程中，與基準圖相同的處理模塊最好選擇相同的處理算法，這樣可以增加實時圖與基準圖在數(shù)據(jù)上的共性。

環(huán)境對于末段圖像匹配的影響是很大的，如景物的回波反射特性的變化、雷達波束投射角等的變化所引起的陰影和景物的遮擋效應(yīng)，以及在基準區(qū)域中實際景物的變化等[7]。所有這些因素都將引起圖像匹配中實時圖全部或部分象素的灰度值變化，從而影響匹配結(jié)果[8]。人為的干擾會對圖像匹配的效果產(chǎn)生更大的影響[9]。參考圖和實時圖可能來自不同的傳感器，不同的成像機理，將會導致實時圖像與參考圖像產(chǎn)生較大差異。

圖像在匹配之前要進行預(yù)處理，預(yù)處理包括2種方法：灰度值的標準化和圖像分割。灰度值的標準化指的是將圖像的灰度零均值化和方差標準化。方差標準化可以減小灰度值增益變化的影響，灰度零均值化可以減小灰度偏置的影響。圖像分割是用于減小圖像的畸變對系統(tǒng)性能的影響。另外，若采用基于特征的匹配算法，在預(yù)處理中還需對圖像提取特征、去噪聲和畸變等[10]。

對于實時圖獲取過程中可能引入畸變的問題，華中理工大學圖像識別與人工智能研究所張俊，在“圖像匹配與雷達地圖匹配制導中匹配技術(shù)研究”一文中，指出圖像畸變可分為5類：①傳感器噪聲：成像系統(tǒng)存在電路噪聲、量化誤差、非均勻特性等噪聲源。②傳感器視角變化：傳感器的視角和姿態(tài)的變化導致的幾何畸變。③不同傳感器成像：SAR成像和光學成像，不同類型的傳感器的所成圖像差異較大。④成像的自然條件：氣象等條件變化引起的目標反射特性的變化。⑤目標景物的變化：不同時間獲取的圖像，其對應(yīng)的景物可能會有自然或人為的變化[11]。文獻[12]指出實時圖獲取時傳感器、氣象條件的變化和地物反射率的變化引起會畸變，并更詳細地描述了氣象條件的變化對圖像的灰度、分辨率和對比度的具體影響。

文獻[13]指出SAR圖像與光學圖像匹配本質(zhì)上是一個低信噪比的圖像匹配問題，為了提高匹配性能必須設(shè)法提高圖像的信噪比；并分析了地面制備特征參考圖的重要性，研究了基于知識的特征參考圖制備方法，提出了3種具有智能特點的雷達與光學圖像匹配新算法，并用計算機模擬實驗結(jié)果證實了研究結(jié)果的正確性和應(yīng)用價值。

由上述內(nèi)容可以看出實時圖的獲取和預(yù)處理過程必然會引入誤差。對于成像的自然條件、目標景物的變化和其他隨機性干擾（包括人為的和不可預(yù)測的干擾），一般主要通過航跡規(guī)劃和執(zhí)行任務(wù)的時機的把握來減少自然條件和目標景物的變化對實時圖的獲取的影響，但這些隨機的因素的影響不可能完全被消除。

3 圖像匹配誤差

匹配算法是影響圖像匹配誤差的關(guān)鍵因素，根據(jù)算法著重點的不同，匹配算法可分為：①改善匹配性能的預(yù)處理算法，這類算法一方面是去畸變和噪聲，另一方面是可以改善匹配性能；②提高匹配速度的算法；③提高匹配精度的算法；④穩(wěn)健性算法。當然這方面的算法并不是孤立的，最好的算法應(yīng)該集這幾種優(yōu)點于一身，但現(xiàn)實的圖像匹配受多種因素影響，很難以實現(xiàn)算法的最佳。

基于灰度的匹配算法的優(yōu)點是抗噪聲能力強，在灰度和畸變不大的情況下，正確匹配概率和精度較高。缺點是匹配速度慢，抗幾何畸變能力弱。

基于特征的匹配算法抗幾何失真及灰度畸變能力強。SIFT[14]、SURF[15]等高性能匹配算法可以對圖像縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等具有不變性，為差異較大的SAR圖像匹配提供了有力支持。

匹配算法可以分為2個階段：截獲階段和精確定位階段。在截獲階段應(yīng)該盡可能的避免錯誤的定位并找到一個包含正確匹配點的“截獲區(qū)”，在精確定位階段，采用匹配精度高的算法，得到盡可能高的精度，這2個階段所采用的預(yù)處理和匹配算法可能不同。匹配精度可以通過相關(guān)面中相關(guān)峰的陡度和“圖像分辨率”來估計，精度依賴于象素間相關(guān)和圖像中的均勻區(qū)域的數(shù)量，在圖像存在較大畸變且圖像的結(jié)構(gòu)比較單一的情況下，匹配精度會大幅度地降低。在出現(xiàn)幾何畸變時可以通過去畸變算法和縮小圖像尺寸的方法來提高精度。一般的情況下，可以采用分割圖像的技術(shù)結(jié)合特征類匹配算法來提高精度。文獻[16]把算法分為一般的相關(guān)（基于灰度值的）、純特征相關(guān)、特征匹配相關(guān)和混合型算法，并把各種算法的特點予以較為詳細的分析。

匹配算法的關(guān)鍵指標是匹配速度和可靠性。為提高運算速度可以采用分層匹配算法，先在降低分辨率的基礎(chǔ)上粗略地搜索可能的匹配點，為下一步的匹配減少了運算量；再進一步提高分辨率，進行匹配。由于粗略匹配已經(jīng)排除了大部分非匹配點，精度匹配只需要在幾個可能匹配的位置進行匹配，從而節(jié)省了運算量，提高了匹配速度。

文獻[17]指出快速實時圖像匹配在巡航導彈精確攻擊目標中起著極重要的作用。文中研究了在保證精度的條件下提高圖像匹配速度的問題。該文用Hausdorff距離代替?zhèn)鹘y(tǒng)的歐氏距離的相似度指標，利用二進制編碼和十進制編碼的遺傳算法和分別基于頻域和空域的分層算法替代全空間逐點搜索。實驗表明，該算法在保證一定精度的條件下提高了圖像匹配的速度。文章還指出根據(jù)不同的快速算法，可區(qū)分基準圖圖像匹配品質(zhì)的差異，為巡航導彈的航跡規(guī)劃提供參考，這無疑是一種新的思路。

為去除基準圖和實時圖間的幾何畸變，可以采用一種叫“地址修正”的迭代算法[18]，其基本思想是2圖間的幾何畸變可以用共面圖像的8參量變換來描述，該迭代算法收斂于這些幾何參數(shù)，因而可以用于移除2圖間的幾何畸變。

針對幾何畸變問題，文獻[19]介紹了一種新的匹配思路，叫做“空間窗”（spatial windowing），其基本思想是用多個具有共同的中心、但大小不同的圖和基準圖進行匹配。單個圖的匹配，由于畸變的存在導致在非匹配點出偽相關(guān)峰，但這些偽峰在別的尺寸的圖產(chǎn)生的相關(guān)面中可能就不存在了。由于各圖是同心的，那么每個圖的相關(guān)面中在正確匹配點都會有相關(guān)峰。把各圖的相關(guān)面的值相乘，那么正確匹配點就會有一個很高的峰值，而由畸變引起的相關(guān)峰則會被其他圖的相關(guān)值抵消。這個相關(guān)方法既可以去幾何畸變，又可以提高匹配精度。文獻[20]給出了另一種方法，叫做“子區(qū)相關(guān)”（sub-area correlation）,其基本思想是從基準圖中選取一些小圖（子圖），使這些小圖中的幾個在實時圖中出現(xiàn)的概率很大。這些子圖在基準圖中的精確的相對位置關(guān)系是已知的，匹配時即使有幾何畸變的影響，只要這些子圖的位置能較準確的定位出來，就能找到正確匹配點。

另外，空間重復(fù)模式對圖像匹配影響很大，因為在別的位置的圖案模式幾乎和匹配點處的圖案模式相同，因而在重復(fù)模式處在相關(guān)面中會出現(xiàn)很高的相關(guān)峰。文獻[21]提出了混合型匹配算法可以估計參考圖的冗余程度和重復(fù)模式的位置，并用仿真結(jié)果證實了該算法的有效性。該算法在匹配地圖的選擇過程中十分有用。

實際的圖像匹配中，地面景物的回波反射特性、地表含水量的變化、天氣和云層等都會對匹配造成影響，因而要求算法有較強的適應(yīng)性。在實際的應(yīng)用中算法的穩(wěn)定性又稱之為算法的適應(yīng)性[22-23]。

文獻[24]針對圖像匹配制導的需求，研究了去均值歸一化、基于直方圖拉伸和基于局部平滑相關(guān)匹配算法，分析了算法的適應(yīng)性，比較了每種算法的優(yōu)缺點，并結(jié)合巡航導彈的使用，討論了影響匹配結(jié)果的一些基本的、可能的環(huán)境因素。

總之，圖像匹配算法經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進展，但是由于成像環(huán)境復(fù)雜多變，現(xiàn)有算法在某些方面都有不盡人意的缺陷，尚且沒有一種算法能解決所有的圖像匹配問題[25-26]。在以下幾個方面值得更深入的研究：

1）建立新的理論框架，提高算法的穩(wěn)健性和運算速度。目前國內(nèi)外對于圖像的匹配的方法大多是針對某一種特定的應(yīng)用而獨立研究的，這使得各種匹配方法較多但卻不成體系，且算法的穩(wěn)健性不夠強。

2）復(fù)合匹配算法。盡可能結(jié)合與挖掘現(xiàn)有方法中的優(yōu)點，開發(fā)研究新的匹配算法。

3）基于局部特征的匹配算法。目前，大多數(shù)算法是利用圖像的全局特征，但是物體的全局特征一般不容易獲取，而且當物體之間存在遮擋時提取的全局特征是不可靠的，局部特征能較好地解決這一問題。

4）基于模型的匹配算法的進一步研究。基于模型的方法為邊緣檢測、圖像分割以及圖像匹配等問題的研究提供一個新的思路，現(xiàn)有結(jié)果也展現(xiàn)出了該方法的優(yōu)越性，但是對它的研究還不夠深入，比如，變形模型對于噪聲比較敏感、初始輪廓及模板的選取困難、優(yōu)化過程易陷入局部最小以及計算量大等，都是需要進一步研究和克服的問。

4 慣導測量誤差

文獻[27]給出了在SAR系統(tǒng)正側(cè)視（即波束指向與雷達運動方向嚴格垂直）飛行情況下，在導彈末制導中利用距離向上3點的位置（即3個固定的目標）以及斜距和地距的幾個已知參數(shù)，從導彈規(guī)則飛行（導彈無垂直速度并嚴格按直線飛行）和不規(guī)則飛行（導彈有垂直速度并非直線飛行）2方面對彈體進行定位討論。同時指出在導彈規(guī)則飛行時，定位誤差實際上只受斜距誤差的影響，故只要知道斜距誤差便可知定位誤差；在不規(guī)則飛行情況時，導彈定位的誤差要大得多，同時受斜距誤差和速度誤差的影響。

文獻[28]指出，對低空飛行器（如巡航導彈）而言，姿態(tài)角的影響很小（當成像傳感器傾角誤差為0.1°時，引起地距偏移量為0.3～0.5 m），因而低空飛行器一般不考慮姿態(tài)角的影響。當飛行器在2 000 m的高度飛行時，姿態(tài)角的微量變化和地形起伏會引起成像底點較大的偏移。此結(jié)論雖是對光學成像而言的，但對SAR圖像匹配制導仍有借鑒意義。

需要說明的是，導彈慣導系統(tǒng)的瞬時精度很高且不受外在干擾的影響，因而慣導給出的數(shù)據(jù)足以用來對SAR成像作運動補償。但慣導系統(tǒng)誤差隨時間而增加，圖像匹配的精度較高反過來又可以用來修正慣導積累誤差，這使得SAR組合導航系統(tǒng)有較高的制導精度。

5 導航制導誤差

由前面所述可知，SAR成像需要多普勒頻移，故通常的彈載SAR條帶成像時，一般采用正側(cè)視或前側(cè)視方式而成像，在末制導階段應(yīng)采用前側(cè)視方式成像，這就決定了其彈道方向不能直接指向目標，而應(yīng)是弧線狀的彈道，一般要作C或S形的機動。這就給SAR制導尤其是末制導階段施加了特定的要求。

文獻[29]指出成功的作戰(zhàn)中SAR制導（采用多普勒銳化方法）必須滿足一些要求，比如，實時圖必須有足夠高的分辨力以鑒別目標、圖像必須提供給制導濾波器足夠的信息以精確的確定目標位置、導彈最好以較理想的速度和角度來撞向目標來獲得最大的殺傷力等，并應(yīng)用彈道優(yōu)化技術(shù)來規(guī)劃彈道以滿足這些要求。該文論證了通過優(yōu)化彈道可以在末制導階段獲得較好的圖像質(zhì)量以確認目標，并且可獲得較低的脫靶量。

文獻[30]研究了空地導彈的彈道優(yōu)化問題。該文以圖像尋的巡航導彈為背景，指出圖像尋的方式給導彈的彈道帶來了約束（和多普勒銳化雷達有關(guān)的約束、末端角度的約束和動力學約束等），而這些約束是彈道優(yōu)化必須要考慮的，并給出先是低空飛行，而后在臨近目標時是拉高和俯沖的彈道，如圖2所示。該文論證了臨近目標時是拉高和俯沖的彈道對采用多普勒銳化式成像雷達的，應(yīng)用Bank-To-Turn（傾斜轉(zhuǎn)彎）方法控制的導彈的彈道很有效，并引申了多普勒成像閉環(huán)制導律問題。

圖2 SAR末制導三維彈道Fig.2 3-D trajectory of SAR terminal guidance

SAR末制導階段由于需要獲取多普勒頻移，其彈道相比光學和普通雷達制導要有較多的約束，它的工作模式要求其彈道必須是弧線彈道，另外由于動力學和攻擊角度等的約束，導彈制導精度受較多因素的影響，目前雖然已經(jīng)有人做了彈道優(yōu)化的工作，但“優(yōu)化彈道”性能怎樣以及其影響因素仍具有研究價值。

6 結(jié)論

綜上，研究人員對影響SAR制導系統(tǒng)性能的因素做了較多的研究工作，實時圖獲取、預(yù)處理和匹配算法方面的研究較多，主要集中于去畸變、增強匹配算法（包括預(yù)處理算法）適應(yīng)性、減少計算量提高算法速度等問題，研究方法也較多。基于匹配結(jié)果（匹配精度和配準圖分辨力）研究導彈定位精度的研究較少。SAR末制導階段對彈道的要求較高，因為要考慮成像方式（如多普勒銳化、聚束等）的約束、動力學的約束和攻擊角度等約束，給制導帶來了較多的影響，同時也影響末制導的精度。一般而言，SAR末制導階的彈道多采用彈道優(yōu)化技術(shù)來規(guī)劃，由于要考慮的因素較多實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。

對這些SAR制導系統(tǒng)的影響因素的分析對綜合地研究SAR制導系統(tǒng)性能提供了很有價值的結(jié)論和研究方法。

發(fā)展趨勢和尚存在的問題：①這些研究多是基于SAR制導系統(tǒng)的某一方面對整個系統(tǒng)的影響的，而對整個系統(tǒng)的建模和仿真是未來的一個研究方向；②現(xiàn)有的研究，理論分析和計算機仿真較多，但理論分析和仿真畢竟和實物有差距，結(jié)合半實物、實物仿真的研究是一個發(fā)展趨勢；③由于實驗條件的限制，基于飛機導航的研究較多，而對導彈制導的研究較少，開展實驗及分析較為困難。

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Analysis of SAR Scene Matching Guidance Acuracy Influencing Factors

ZHANG Dong-xing1,JIA Xing-liang2,LI Xiang-ping1,ZHU Ming-bo1,YIN Yong3
（1.Department of Electronic and Information Engineering,NAAU,Yantai Shandong 264001,China; 2.Xi'an Bureau of Naval Equipment Department,Lanzhou 730070,China; 3.The 91436thUnit of PLA,Liuzhou Guangxi 545613,China）

Synthetic aperture radar（SAR）has the advantages like high resolution,all-weather and so on.It is considered to be a powerful tool to improve guidance accuracy of precision gaided weapon.Guidance precision was an important performance measurement of precision-guided weapons.The main factors affect the accuracy of SAR guidance system are scene matching errors,real-time imaging acquisition and pretreatment errors,inertial measurement errors,navigation guidance errors caused by the SAR guidance trajectory.The studies on SAR guidance accuracy of the influencing factors were described.The research and the conclusions were comparied and analized.The existing problems in the research and development direction were pointed out.

SAR images;scene matching;guidance accuracy

TP391

A

1673-1522（2014）01-0019-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.01.005

2013-09-24；

2013-11-15

“泰山學者”建設(shè)工程專項經(jīng)費資助項目

張東興（1981-），男，博士生。