CN108761453A - 一种光学卫星与sar卫星图像融合的成像视角优化方法 - Google Patents

Abstract

一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，通过对SAR卫星及光学卫星共同覆盖的成像区域进行确定，再对覆盖区域进行栅格化得到覆盖区域对应地心角序列，最后通过地心角序列分别计算得到SAR卫星及光学卫星侧视后分辨率，达到光学图像于SAR图像融合共同成像效果最优的目的，计算准确性高，可靠性高。

Description

一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法

技术领域

本发明涉及一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，属于遥感卫星领域。

背景技术

在遥感卫星领域中，光学卫星与SAR卫星是两种最为常用的成像卫星，绝大多数对卫星遥感图像有需求的用户均对光学卫星图像和SAR图像有大量的需求。光学遥感成像与SAR遥感成像的优缺点有一定的互补性和不可替代性，因此将光学遥感图像与SAR遥感图像进行融合应用是很有价值的，也是近年来卫星遥感工程及应用研究的一个新领域。为了提高光学遥感图像与SAR遥感图像的融合效果，一方面可以在卫星***设计上将两类卫星进行联合设计，另一方面则需要在图像融合技术方面采取相应的措施。对于卫星工程***设计而言，采用光学卫星与SAR卫星在工作模式上配合使用，将会为光学与SAR遥感图像的融合技术的发展提供重要的条件。

近年来，国内外应用***的工程师和研究学者在光学与SAR遥感图像进行融合处理方面进行了研究、应用和探索，把不同机载和星载的遥感数据进行融合处理，取得了一定的成果和应用效果。然而，目前国内外的光学卫星与SAR卫星设计和成像使用都相对独立，也就是说，目前用来做遥感图像融合的光学和SAR图像均来源于不相关的设计载体，这种不相关载体所提供的图像在客观上给图像融合造成了一定的难度，也在很大程度上影响了图像的融合效果和应用价值。目前，光学卫星和SAR卫星的设计在工程上还处于相对独立的状态，设计方案的确定还是基于各自卫星独立的性能最优为首要前提，尚无针对图像融合而进行的星座或编队飞行设计。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中没有面向光学卫星与SAR卫星图像融合的联合成像模式，提出了一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，填补了面向融合成像质量最优的光学卫星侧摆与SAR卫星侧视最佳匹配角计算方法的空白。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，步骤如下：

(1)根据SAR卫星的当地入射角α确定SAR卫星侧视后分辨率；

(2)根据SAR卫星及光学卫星的实时轨道高度、SAR卫星波束中心侧视角、光学卫星侧摆角、SAR卫星波束角、光学卫星实时视场角计算SAR卫星及光学卫星的覆盖区域对应地心角；

(3)对步骤(2)确定的覆盖区域大小进行栅格化分割，并获取分割后所有栅格点对应的地心角序列；

(4)根据步骤(3)所得地心角序列计算SAR卫星及光学卫星于该点成像时，SAR卫星与光学卫星分别对应的地心张角序列；

(5)计算获得与SAR卫星成像时的地心张角序列对应的SAR卫星侧视后分辨率序列；

(6)根据光学卫星的视场角、光学卫星侧摆角、光学卫星实时轨道高度及光学卫星侧摆角与光学卫星地面入射角转化关系计算光学卫星侧视后分辨率序列；

(7)根据步骤(5)、步骤(6)所得分辨率序列计算差值平方序列，选取序列中的最小值对应的光学卫星侧摆角及SAR卫星侧视角作为最优角度。

所述步骤(1)中，SAR卫星侧视后成像点像元分辨率ρ_g的计算公式为：

式中，θ₁为SAR卫星侧视角，H₁为SAR卫星实时轨道高度，α为当前时刻SAR卫星成像点的地面入射角，c为光速，T为脉冲宽度，R为地球半径，α'为当前时刻光学卫星成像点的地面入射角。

所述步骤(2)中，SAR卫星及光学卫星的覆盖区域对应地心角d₀的计算方法为：

式中，H₁为SAR卫星实时轨道高度，θ₁为SAR卫星波束中心侧视角，SOV为SAR卫星波束角，R为地球半径。

所述步骤(4)中，根据步骤(3)所得的覆盖区域范围进行栅格化使其均匀划分为N个点并得到栅格点序列{ξ}，根据每个点及其前一点和地心点对应的地心张角得到地心张角序列{d₀}。

所述步骤(5)中，SAR卫星对应的地心张角序列{d_SAR}计算公式如下：

式中，d₁为融合成像区域中距离SAR卫星星下点最近点对应的SAR卫星地心张角；

光学卫星对应的地心张角序列{d_光学}计算公式如下：

式中，d₂为融合成像区域中距离光学卫星星下点最近点对应的光学卫星地心张角；

所述步骤(7)中，光学卫星侧摆角θ₂与光学卫星地面入射角α'的转换公式如下：

式中，FOV为光学卫星的视场角，H₂为光学卫星实时轨道高度，R为地球半径，R为地球半径，θ₂为光学卫星侧摆角，α'为当前时刻光学卫星成像点的地面入射角。

所述步骤(7)中，光学卫星侧视后像元分辨率GSD_C的计算公式为：

式中，IFOV为光学卫星的瞬时视场角。

所述步骤(8)中，对光学卫星侧视后像元分辨率序列、SAR卫星侧视后成像点像元分辨率序列进行优化计算，计算公式如下：

Φ_min(θ₂)＝min[Φ(θ₂)]

式中，[GSDc(ξ,θ₂)]为光学卫星侧视后像元分辨率序列，[ρ_g(ξ)]为SAR卫星侧视后成像点像元分辨率序列，Φ(θ₂)为优化计算后的光学卫星成像侧视角度对应分辨率差值平方序列，Φ_min(θ₂)为最优光学卫星成像侧视角度对应分辨率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供了一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，解决了光学卫星和SAR卫星的工程设计上相对独立且不能针对融合成像进行通用设计的问题，填补了融合成像质量最优的光学卫星侧摆与SAR卫星侧视最佳匹配角设计的空白；

(2)本发明可以快速准确的计算出面向图像融合最优的SAR卫星侧视角与光学卫星侧摆角序列；即针对同一区域成像的SAR卫星任意侧视角，计算出与之匹配的光学卫星最优侧摆角，以此角度侧摆成像所获取的双星图像将会使其融合后的图像质量最优。

附图说明

图1为发明提供的卫星成像原理图；

具体实施方式

一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，SAR卫星与光学卫星成像情况如图1所示，具体步骤如下：

(1)根据SAR卫星的地面入射角α确定SAR卫星侧视后分辨率的计算方法，其中，SAR卫星侧视后像元分辨率ρ_g的计算公式为：

式中，α为当前时刻SAR卫星地面入射角，即波束与当地垂线的夹角，c为光速，T为脉冲宽度；

(2)根据SAR卫星及光学卫星的实时轨道高度、SAR卫星波束中心侧视角、光学卫星侧摆角、SAR卫星波束角、光学卫星实时视场角计算SAR卫星及光学卫星的覆盖区域对应地心角，其中，SAR卫星及光学卫星的覆盖区域对应地心角d₀的计算方法为：

式中，H₁为SAR卫星实时轨道高度，θ₁为SAR卫星波束中心侧视角，SOV为SAR卫星波束角，R为地球半径。

(3)根据步骤(2)所覆盖区域对应地心角计算对应覆盖区域范围，即利用地球周长与地心角的比值关系确定覆盖区域范围宽度；

(4)对步骤(3)确定的覆盖区域大小进行栅格化分割，使其均匀划分为N个点并得到栅格点序列{ξ}，根据每个点对应的地心张角得到地心张角序列{d₀}；

(5)根据步骤(4)所得地心角序列计算SAR卫星及光学卫星于该点成像时，SAR卫星与光学卫星分别对应的地心张角序列，其中，SAR卫星对应的地心张角序列{d_SAR}计算公式如下：

式中，d₁为融合成像区域中距离SAR卫星星下点最近点对应的SAR卫星地心张角；

光学卫星对应的地心张角序列{d_光学}计算公式如下：

式中，d₂为融合成像区域中距离光学卫星星下点最近点对应的光学卫星地心张角；

(6)根据步骤(1)、步骤(2)所得分辨率计算方法及步骤(5)所得SAR卫星计算SAR卫星侧视后分辨率序列；

(7)根据光学卫星的瞬时视场角、光学卫星侧摆角、光学卫星实时轨道高度计算光学卫星侧视后分辨率序列线通过光学卫星侧摆角θ₂与光学卫星地面入射角α'的角度关系进行转化，转换公式如下：

光学卫星侧视后像元分辨率GSD_C的计算公式为：

式中，IFOV为光学卫星的瞬时视场角，θ₂为光学卫星侧摆角，H₂为光学卫星实时轨道高度。

根据光学卫星和SAR卫星本身的设计指标，根据步骤(7)所得光学卫星侧视后分辨率序列、步骤(2)所得SAR卫星侧视后分辨率序列进行优化，再计算出二者在面向图像融合的成像模式中的最佳匹配的侧视角度，便于用户在提出光学图像与SAR图像融合的需求时，便于卫星直接给出最优的成像侧视角度。

所述步骤(8)中，对光学卫星侧视后像元分辨率序列、SAR卫星侧视后成像点像元分辨率序列进行优化计算，计算公式如下：

Φ_min(θ₂)＝min[Φ(θ₂)]

式中，[GSDc(ξ,θ₂)]为光学卫星侧视后像元分辨率序列，[ρ_g(ξ)]为SAR卫星侧视后成像点像元分辨率序列，Φ(θ₂)为优化计算后的光学卫星成像侧视角度对应分辨率差值平方序列，Φ_min(θ₂)为最优光学卫星成像侧视角度对应分辨率。随着SAR卫星侧视角θ₁的一系列变化值，可得出光学卫星侧摆角θ₂的一系列最优对应值。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据SAR卫星的当地入射角α确定SAR卫星侧视后分辨率；

(2)根据SAR卫星及光学卫星的实时轨道高度、SAR卫星波束中心侧视角、光学卫星侧摆角、SAR卫星波束角、光学卫星实时视场角计算SAR卫星及光学卫星的覆盖区域对应地心角；

(3)对步骤(2)确定的覆盖区域大小进行栅格化分割，并获取分割后所有栅格点对应的地心角序列；

(4)根据步骤(3)所得地心角序列计算SAR卫星及光学卫星于该点成像时，SAR卫星与光学卫星分别对应的地心张角序列；

(5)计算获得与SAR卫星成像时的地心张角序列对应的SAR卫星侧视后分辨率序列；

(6)根据光学卫星的视场角、光学卫星侧摆角、光学卫星实时轨道高度及光学卫星侧摆角与光学卫星地面入射角转化关系计算光学卫星侧视后分辨率序列；

(7)根据步骤(5)、步骤(6)所得分辨率序列计算差值平方序列，选取序列中的最小值对应的光学卫星侧摆角及SAR卫星侧视角作为最优角度。

2.根据权利要求1所述的一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，SAR卫星侧视后成像点像元分辨率ρ_g的计算公式为：

式中，θ₁为SAR卫星侧视角，H₁为SAR卫星实时轨道高度，α为当前时刻SAR卫星成像点的地面入射角，c为光速，T为脉冲宽度，R为地球半径，α'为当前时刻光学卫星成像点的地面入射角。

3.根据权利要求1所述的一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，其特征在于：所述步骤(2)中，SAR卫星及光学卫星的覆盖区域对应地心角d₀的计算方法为：

式中，H₁为SAR卫星实时轨道高度，θ₁为SAR卫星波束中心侧视角，SOV为SAR卫星波束角，R为地球半径。

4.根据权利要求3所述的一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，其特征在于：所述步骤(4)中，根据步骤(3)所得的覆盖区域范围进行栅格化使其均匀划分为N个点并得到栅格点序列{ξ}，根据每个点及其前一点和地心点对应的地心张角得到地心张角序列{d₀}。

5.根据权利要求4所述的一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，其特征在于：所述步骤(5)中，SAR卫星对应的地心张角序列{d_SAR}计算公式如下：

式中，d₁为融合成像区域中距离SAR卫星星下点最近点对应的SAR卫星地心张角；

光学卫星对应的地心张角序列{d_光学}计算公式如下：

式中，d₂为融合成像区域中距离光学卫星星下点最近点对应的光学卫星地心张角。

6.根据权利要求1所述的一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，其特征在于：所述步骤(7)中，光学卫星侧摆角θ₂与光学卫星地面入射角α'的转换公式如下：

式中，FOV为光学卫星的视场角，H₂为光学卫星实时轨道高度，R为地球半径，R为地球半径，θ₂为光学卫星侧摆角，α'为当前时刻光学卫星成像点的地面入射角。

7.根据权利要求6所述的一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，其特征在于：所述步骤(7)中，光学卫星侧视后像元分辨率GSD_C的计算公式为：

式中，IFOV为光学卫星的瞬时视场角。

8.根据权利要求7所述的一种光学卫星与SAR卫星图像融合的成像视角优化方法，其特征在于：所述步骤(8)中，对光学卫星侧视后像元分辨率序列、SAR卫星侧视后成像点像元分辨率序列进行优化计算，计算公式如下：

Φ_min(θ₂)＝min[Φ(θ₂)]

式中，[GSDc(ξ,θ₂)]为光学卫星侧视后像元分辨率序列，[ρ_g(ξ)]为SAR卫星侧视后成像点像元分辨率序列，Φ(θ₂)为优化计算后的光学卫星成像侧视角度对应分辨率差值平方序列，Φ_min(θ₂)为最优光学卫星成像侧视角度对应分辨率。