CN109597040B - 一种星载sar影像无场几何定标方法 - Google Patents

一种星载sar影像无场几何定标方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种星载SAR影像无场几何定标方法，其特征在于：根据影像同名点定位一致性建立无场几何定标模型，所述无场几何定标模型由距离方程和多普勒方程组成，在距离方程上补偿斜距改正值和大气延迟改正值；获取同名点对，计算无场几何定标模型中参数，计算待标定影像的大气延迟改正值；通过约束同名点交会残差最小来探测得到几何定标参数。本发明能够解决SAR卫星的快速精确标定及短周期标定难题，不需要依赖地面定标场的控制数据和高精度参考数据，可以提高影像几何定位精度，不需要在地面提前布设靶标。

Description

一种星载SAR影像无场几何定标方法
技术领域
本发明涉及一种几何定标方法，特别是一种星载SAR(Synthetic ApertureRadar)影像无场几何定标方法。
背景技术
几何定标是指利用地面高精度控制数据精确标定星上成像几何参数，对卫星影像的几何精度提升具有重要意义。
传统的几何定标方法依赖于几何定标场的高精度控制数据，因此，卫星发射后，需要收集定标场区域的影像完成几何定标，只有当卫星成功获取到定标场区域影像才能进行几何定标，这无法满足卫星常态化、快速几何定标需求。另外，固定可用的几何定标场数量过少，卫星对定标场的拍摄频次过低，无法利用定标技术监测星上几何成像参数的变化，导致卫星产品精度降低。另一方面，新近出现的交叉几何定标方法虽然为常态化定标提供了一种解决思路，但是交叉几何定标的完成仍然需要高精度的参考数据，定标效率受到限制。
发明内容
因此，针对上述问题，本发明的目的在于提供一种不依赖地面控制数据和高精度参考数据的无场几何定标方法，根据影像同名点定位一致性建立定标模型，同时解算同名点地面坐标与几何定标参数，通过约束同名点交会残差最小来探测得到几何定标参数，解决SAR卫星的快速精确标定及短周期标定难题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为一种星载SAR影像无场几何定标方法，根据影像同名点定位一致性建立无场几何定标模型，所述无场几何定标模型由距离方程和多普勒方程组成，在距离方程上补偿斜距改正值Rs和大气延迟改正值Ratmo；获取同名点对，计算无场几何定标模型中参数，计算待标定影像的大气延迟改正值；通过约束同名点交会残差最小来探测得到几何定标参数。
而且，所述无场几何定标模型如下式，
其中，R为天线相位中心与未知地面点之间的距离，(Xs,Ys,Zs)为卫星位置矢量，(X,Y,Z)为未知地面点坐标，Rs为待探测的斜距***误差，Ratmo为大气延迟误差，fD为目标点对应的多普勒中心频率，(Xv,Yv,Zv)为未知地面点成像时刻卫星的速度矢量，λ为雷达波长。
而且，为解算几何定标参数，定标影像最少为3景，获取同名点对不少于3个。
而且，计算无场几何定标模型中参数，包括根据根据定标影像的近距Rnear和像素间隔D计算天线相位中心与未知地面点之间的距离R，根据同名点对应的地面目标点成像时刻的时间ta，计算卫星的位置矢量Xs,Ys,Zs和速度矢量Xv,Yv,Zv。
而且，所述计算待标定影像的大气延迟改正值，根据NCEP提供的对流层大气数据和CODE提供的电离层数据作为外部输入实现。
而且，探测几何定标参数时，对无场几何定标模型的解算涉及双重迭代，第一层迭代以斜距改正值阈值作为迭代收敛的条件，第二层迭代以方位向时间改正值阈值作为迭代收敛的条件。
本发明解决了SAR卫星的快速精确标定及短周期标定难题，其具有以下优点：1、本发明是通过约束同名点交会残差最小来探测得到几何定标参数，不需要依赖地面定标场的控制数据和高精度参考数据。2、采用本发明可以对星上成像参数进行定期监测，提高影像几何定位精度。3、采用本发明可以实现SAR卫星的常态化、短周期几何定标，不需要在地面提前布设靶标，大大节约了人力和财力成本。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
图2为本发明实施例的无场几何定标原理示意图
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。
本发明提供一种星载SAR影像无场几何定标方法，根据影像同名点定位一致性建立几何定标模型，同时解算同名点地面坐标与几何定标参数，通过约束同名点交会残差最小来探测得到几何定标参数。
如图1所示，本发明实施例提供的星载SAR影像无场几何定标方法，包括以下步骤：
1)建立无场几何定标模型
建立待标定影像的无场几何定标模型为：
其中，R为天线相位中心与未知地面点之间的距离，(Xs,Ys,Zs)为卫星位置矢量，(X,Y,Z)为未知地面点坐标，Rs为待探测的斜距***误差，Ratmo为大气延迟误差，fD为目标点对应的多普勒中心频率，(Xv,Yv,Zv)为未知地面点成像时刻卫星的速度矢量，λ为雷达波长。
可见，上述几何定标模型由距离方程和多普勒方程组成，在距离方程上补偿斜距改正值Rs和大气延迟改正值Ratmo。
2)获取同名点对
如图2所示，S1、S2和S3是三张SLC影像对应SAR卫星天线相位中心，不规则曲线为真实的地表，点A为地表上的地物点。当不存在任何误差时候，S1与物方点A之间的斜距为R1，S2与物方点A之间的斜距为R2，S3与物方点A之间的斜距为R3，当不存在任何误差的时候，三张影像的交会点为A。实际上，由于存在影像***误差(如斜距误差△R)，S2和S1的前方交会点为B，S3和S1的前方交会点为C，和S2的前方交会点为D。如果斜距测量的误差是由物方点坐标误差引起的，则前方交会点B、C和D应该是同一个点，三张SLC影像之间同名点的交会残差可以作为几何定标参数求解的一个准则。几何定标参数可以通过约束交会残差最小来探测得到。无场定标需要至少三幅定标影像，通过影像匹配的方式或者人工刺点的方式从三幅定标影像上选取3对以上同名点。具体实施时，同名点不能少于3个，定标影像最少为3景。
3)计算无场几何定标模型中各参数
①从影像提供的辅助文件中读取该定标影像的近距Rnear、像素间隔D、方位向起始时间的测量值ta0、脉冲重复频率prf、多普勒中心频率参数fD和雷达波长λ。
②根据同名点在影像上的行列号坐标(i,j)，计算同名点对应的地面目标点成像时刻的时间ta和天线相位中心与未知地面点之间的距离R。计算公式如下式(2)，该计算实现为现有技术，本发明不予赘述。
③根据同名点对应的地面目标点成像时刻的时间ta，计算卫星的位置矢量Xs,Ys,Zs和速度矢量Xv,Yv,Zv。该计算实现为现有技术，本发明不予赘述。
4)大气延迟改正值计算
建立大气延迟改正模型；电磁波信号在大气中传播遵循Fermat定律，即信号在空间任意两点之间传播时间最小化。已知雷达观测信号在大气中传播速度c1、折射率n与真空中的光速c的关系有n＝c/c1，由此可推得在大气中雷达观测信号发射到地面点的传播时延ttrop为：
大气延迟改正模型为大气天顶延迟和入射角相关映射函数的乘积：
其中，ΔL为待计算的大气延迟改正值，z为传输路径，n(z)为天顶方向大气折射率，m(ε)是与入射角ε相关的映射函数。
实施例中，大气延迟改正值计算采用美国气象环境预报中心(NCEP)提供的对流层大气数据和欧洲定轨中心(CODE)提供的电离层数据作为外部输入。
采用以下步骤计算大气天顶延迟：
①利用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球大气数据，从中获取影像区域的干大气压强Pd，地面温度T，经验常数k1确定干大气延迟分量Δdry：
②根据NCEP大气数据，从中获取影像区域的湿大气压强Pw和地面温度T，经验常数k2，经验常数k3确定湿大气延迟分量Δwet：
③根据影像辅助文件中提供的雷达信号频率f、欧洲定轨中心(CODE)提供的天顶方向电子含量tec和经验常数k4计算电离层天顶方向延迟分量Δiono：
④确定映射函数m(ε)形式为：
⑤将步骤①确定的干大气延迟分量Δdry、步骤②确定的湿大气延迟分量Δwet、步骤③确定的电离层天顶方向延迟分量Δiono、步骤④确定的映射函数m(ε)代入大气延迟改正模型，得到大气延迟改正模型为：
根据待标定影像成像时间，利用National Centers for EnvironmentalPrediction(NCEP)提供的全球大气数据和欧洲定轨中心(CODE)提供的电离层电子含量分布数据，根据式(9)建立的大气延迟改正模型计算待标定影像的大气延迟改正值Ratmo。
5)定标参数解算
实施例中，几何模型的解算涉及双重迭代，第一层迭代为以斜距改正值阈值作为迭代收敛的条件，第二层迭代以方位向时间改正值阈值作为迭代收敛的条件。实施例的解算过程具体如下：
①确定未知数的初始值。无场几何定标必须给出待定参数的初始值，斜距***误差的数值一般不大，可以取0，同名点地面坐标可以通过前方交会确定初始值。
②逐点计算各同名点斜距和多普勒中心频率的近似值。利用未知数的近似值按无场几何定标模型的斜距方程和多普勒方程(式1)计算各多普勒中心频率的近似值和同名点斜距的近似值(fD),(R)。
其中，公式(1)无场几何定标模型的斜距方程中使用步骤4)所得待标定影像的大气延迟改正值Ratmo。
③逐点计算误差方程式的系数和常数项，组成误差方程式，误差方程式的一般形式如下。
其中，VR为斜距的改正数，VfD为多普勒中心频率的改正数；Rs为待探测的斜距***误差，dRs为相应的改正数；X,Y,Z为未知地面点坐标，dX,dY,dZ为相应的改正数；
利用若干张影像进行解算时，上式可以写成如下的矩阵形式：
MinV＝AT-L (11)
其中，V是改正数向量；A是未知数的系数矩阵；T是同名点的地面坐标和几何定标参数；L是观测值向量：
T＝[dX,dY,dZ,dRs]T
其他符号对应每一次观测为：
经推导可得误差方程式中各偏导数的值为：
a1，4＝1
其中，Xs,Ys,Zs为卫星的位置矢量，Xv,Yv,Zv为卫星的速度矢量。
基于式(11)，本发明约束同名点交会残差最小来探测得到几何定标参数。
④计算法方程的系数矩阵ATA与常数项ATL，组成法方程式，如公式(10)。
⑤求解同名点地面坐标和斜距***误差。根据法方程式(10)，按式(1)求解同名点地面坐标和斜距***误差，并与相应近似值求和，得到同名点地面坐标和斜距***误差新的近似值。
⑥检查计算是否收敛。具体实施时可将所求得的同名点地面坐标或斜距***误差的改正数与阈值比较，通常对斜距***误差改正数设定阈值，阈值优选设置为0.1，当斜距***误差改正数小于0.1时，迭代结束。如果不满足终止条件，则用新的近似值重复①～⑥步骤的计算，直到满足终止条件，进入步骤⑦。
⑦更新方位向成像时间。根据求解的同名点地面坐标，可利用现有技术中距离多普勒方程的间接定位算法算出新的像平面坐标，更新方位向成像时间，记录方位向时间的改正值，利用拉格朗日内插算法重新计算卫星的位置矢量Xs,Ys,Zs和速度矢量Xv,Yv,Zv。斜距***误差取0，同名点地面坐标初始值取上一次迭代的结果。重复①～⑦步骤的计算，直到方位向时间误差的改正值小于限差0.00001s。
具体实施时，可采用软件方式实现自动运行流程。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种星载SAR影像无场几何定标方法，其特征在于：根据影像同名点定位一致性建立无场几何定标模型，所述无场几何定标模型由距离方程和多普勒方程组成，在距离方程上补偿斜距改正值Rs和大气延迟改正值Ratmo；获取同名点对，计算无场几何定标模型中参数，计算待标定影像的大气延迟改正值；通过约束同名点交会残差最小来探测得到几何定标参数，实现过程包括以下步骤，
①确定未知数的初始值，包括对无场几何定标给出待定参数的初始值，斜距***误差的数值取0，同名点地面坐标通过前方交会确定初始值；
②逐点计算各同名点斜距和多普勒中心频率的近似值，包括利用未知数的近似值按无场几何定标模型的斜距方程和多普勒方程计算各多普勒中心频率的近似值和同名点斜距的近似值(fD),(R)；
其中，无场几何定标模型的斜距方程中使用所得待标定影像的大气延迟改正值Ratmo；
③逐点计算误差方程式的系数和常数项，组成误差方程式，误差方程式的一般形式如下，
其中，VR为斜距的改正数，为多普勒中心频率的改正数；Rs为待探测的斜距***误差，dRs为相应的改正数；X,Y,Z为未知地面点坐标，dX,dY,dZ为相应的改正数；
利用若干张影像进行解算时，上式写成如下的矩阵形式，
MinV＝AT-L
其中，V是改正数向量；A是未知数的系数矩阵；T是同名点的地面坐标和几何定标参数；L是观测值向量：
T＝[dX,dY,dZ,dRs]T
其他符号对应每一次观测为：
经推导可得误差方程式中各偏导数的值为：
a1，4＝1
其中，Xs,Ys,Zs为卫星的位置矢量，Xv,Yv,Zv为卫星的速度矢量，
约束同名点交会残差最小来探测得到几何定标参数；
④计算法方程的系数矩阵ATA与常数项ATL，组成法方程式；
⑤求解同名点地面坐标和斜距***误差，包括根据法方程式，求解同名点地面坐标和斜距***误差，并与相应近似值求和，得到同名点地面坐标和斜距***误差新的近似值；
⑥检查计算是否收敛，包括将所求得的同名点地面坐标或斜距***误差的改正数与阈值比较，当斜距***误差改正数小于阈值时，迭代结束，如果不满足终止条件，则用新的近似值重复①～⑥步骤的计算，直到满足终止条件，进入步骤⑦；
⑦更新方位向成像时间，包括根据求解的同名点地面坐标，利用距离多普勒方程的间接定位算法算出新的像平面坐标，更新方位向成像时间，记录方位向时间的改正值，利用拉格朗日内插算法重新计算卫星的位置矢量Xs,Ys,Zs和速度矢量Xv,Yv,Zv，斜距***误差取0，同名点地面坐标初始值取上一次迭代的结果，重复①～⑦步骤的计算，直到方位向时间误差的改正值小于限差。
2.如权利要求1所述星载SAR影像无场几何定标方法，其特征在于：所述无场几何定标模型如下式，
其中，R为天线相位中心与未知地面点之间的距离，(Xs,Ys,Zs)为卫星位置矢量，(X,Y,Z)为未知地面点坐标，Rs为待探测的斜距***误差，Ratmo为大气延迟误差，fD为目标点对应的多普勒中心频率，(Xv,Yv,Zv)为未知地面点成像时刻卫星的速度矢量，λ为雷达波长。
3.如权利要求2所述星载SAR影像无场几何定标方法，其特征在于：为解算几何定标参数，定标影像最少为3景，获取同名点对不少于3个。
4.如权利要求3所述星载SAR影像无场几何定标方法，其特征在于：所述计算无场几何定标模型中参数，包括根据定标影像的近距Rnear和像素间隔D计算天线相位中心与未知地面点之间的距离R，根据同名点对应的地面目标点成像时刻的时间ta，计算卫星的位置矢量Xs,Ys,Zs和速度矢量Xv,Yv,Zv。
5.如权利要求1或2或3或4所述星载SAR影像无场几何定标方法，其特征在于：所述计算待标定影像的大气延迟改正值，根据NCEP提供的对流层大气数据和CODE提供的电离层数据作为外部输入实现。
6.如权利要求1或2或3或4所述星载SAR影像无场几何定标方法，其特征在于：探测几何定标参数时，对无场几何定标模型的解算涉及双重迭代，第一层迭代以斜距改正值阈值作为迭代收敛的条件，第二层迭代以方位向时间改正值阈值作为迭代收敛的条件。
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