CN118191834A - 一种航空高分机载sar影像的几何和辐射改正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，包括以下步骤：定位SAR图像中角反射器的成像区域，使用质心法确定每个角反射器的图像坐标，并计算中心点的脉冲响应能量；读取SAR图像的辅助信息，建立初始的距离‑多普勒模型；构建附加约束的几何校准模型，并使用最小二乘法对其进行求解，得到轨道改正参数；更新初始的距离‑多普勒模型，得到更新的距离‑多普勒模型；根据所述脉冲响应能量，采用列温伯格马特算法来校准影像辐射模型；将轨道参数改正结果和改正后影像结果输出并保存。与现有技术相比，本发明提出的几何和辐射改正方法校准性能更优，可实现机载SAR影像的精确几何校准和辐射改正等优点。

Description

一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法

技术领域

本发明涉及遥感影像处理领域，尤其是涉及一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种相干微波成像技术，可生成全天候的高分辨率地球图像。事实证明，合成孔径雷达图像可用于多种任务，包括DEM重建、目标识别、地表参数估计和土地利用分类等。这些应用往往依赖于SAR影像具有高质量的几何和辐***度。机载合成孔径雷达的几何定位模型可通过表面方程和几何关系的局部线性近似来更新，从而提高无地面控制点机载合成孔径雷达定位的定位精度和可靠性。通常地面控制点可以从放置在校准场中的角反射器、使用全球导航卫星***设备对自然地貌进行的实地勘测，或从使用数字正射影像图和数字地形模型收集的面板坐标和高程中获得。辐射校准模型通常是对天线模式进行校准以提升机载SAR影像的辐射质量。一般的辐射校准模型依赖于角反射器的高信噪比，或者是通过多飞行合成孔径雷达成像几何建立统一的天线模式，或者是通过统计算法校正天线模式。

虽然合成孔径雷达传感器在发射前会在地面进行校准，但合成孔径雷达***中的各种误差源(如温度变化剧烈的空间环境和仪器老化)会导致回波信号和记录地面特征的辅助信息出现偏差。因此，合成孔径雷达***需要进行几何和辐射校准，以更好地捕捉特征形状、粗糙度和介电常数等物理特性，从而扩大合成孔径雷达的应用潜力。使用地面控制点进行几何校准，结果的精度在很大程度上取决于GCP的数量和分布或数字地形数据集的精度。而且虽然机载合成孔径雷达很少受到大气延迟的影响，但其稳定性不如星载，因此其几何校准更加困难。对于辐射校准，在异质场景中，统计天线模式校正不能很好地校正辐射度，校正后的图像仍有辐射度偏差；例如，在水陆边界和城市边缘区域，场景亮度差异很大。

现有技术中，公开号为CN103869296A的中国专利公开了一种基于成像面表征的极化SAR地形辐射校正和几何纠正方法，该方法克服了由于SAR成像和地形导致的SAR影像亚重的辐射畸变，通过匹配真实SAR影像与模拟SAR影像，建立精确的多项式纠正方程，大大提高几何纠正精度，但是该方法并未平台的速度是SAR成像过程中的重要参数，在对轨道拟合参数进行改正时需要考虑这一参数进行约束。因此，本发明提供一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，该方法考虑平台速度约束的几何改正模型和基于机器算法的辐射校准参数模型，通过利用地面角反射器的像方/物方坐标，以及其成像结果的脉冲响应能量，完成机载SAR影像的几何和辐射质量提升。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，包括以下步骤：

1)定位SAR图像中角反射器的成像区域，使用质心法确定每个角反射器的图像坐标，并计算中心点的脉冲响应能量；

2)读取SAR图像的辅助信息，建立初始的距离-多普勒模型；

3)根据斜距和轨道拟合误差，构建附加约束的几何校准模型，并使用最小二乘法对其进行求解，得到轨道改正参数；

4)基于所述轨道改正参数更新初始的距离-多普勒模型，得到更新的距离-多普勒模型，通过所述更新的距离-多普勒模型计算检查点的物方空间坐标，并将其与实际物方空间坐标进行比较；

5)根据步骤1)所述脉冲响应能量，结合SAR图像的成像参数，构建初始的影像辐射模型，然后采用列温伯格马特算法来校准影像辐射模型，获取新的辐射校正参数；

6)计算距离向的校正系数，完成相对辐射校准，并利用角反射体的雷达散射截面来确定校准常数，以完成绝对辐射校准；

7)将基于几何和辐射改正模型的参数改正结果和改正后影像结果输出并保存。

进一步地，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

1-1)将原始的SLC数据转变为强度影像，通过人工判别确定角反射器的成像区域，并截取影像；

1-2)对角反射器的成像区域进行n倍插值，使用质心法确定每个角反射器的行坐标和列坐标，并计算中心点的脉冲响应能量。

进一步地，所述脉冲响应能量的计算公式为：

其中，ε_p是脉冲响应能量；DN²是点目标的像素强度；a/r是天线在距离和方位向上的3dB脉冲响应宽度；p_a/p_r是距离和方位向上的空间分辨率；N_A是点目标能量积分区域内的图像像素数；N_B是背景区域内的图像像素数。

进一步地，所述的步骤2)具体为：

2-1)读取SAR影像的辅助文件，获取成像参数包括：轨道位置、初始斜距以及斜距分辨率；

2-2)根据所述成像参数，构建一个初始的距离-多普勒模型。

进一步地，所述距离-多普勒模型包括距离方程、多普勒方程和椭球方程。

进一步地，所述成像参数采用如下公式表示：

其中，X_p、Y_p、Z_p分别为平台的位置矢量；V_x、V_y、V_z分别是平台的速度矢量；a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂、c₀、c₁、c₂是描述搭载载荷的飞机平台运行轨道的多项式系数；t₀和R₀分别是初始成像时间和最近斜距；PRF是脉冲重复频率，row是影像的行数；col为影像的列数，ResoRan是斜距分辨率

进一步地，所述距离-多普勒模型采用如下公式表示：

其中，X_p、Y_p、Z_p和V_x、V_y、V_z分别为平台的位置矢量和速度矢量；X_s、Y_s、Z_s为WGS-84坐标系中角反射器的位置矢量；λ为雷达波长；a和b分别为WGS-84坐标系中地球的长短半轴；h为目标附近的平均高程。

进一步地，所述的步骤3)中的附加约束的几何校准模型采用如下公式表示：

其中，V_x′、V_y′和V_z′分别是根据轨道拟合参数改正值更新后的速度矢量；VC是，V_x′是更新后的速度矢量与搭载载荷的飞机平台的速度之差；Δa₁，Δb₁，Δc₁和Δa₂，Δb₂，Δc₂分别是轨道拟合参数的一次项和二次项的改正值；t影像某一行所对应的时刻，V是所记录的搭载载荷的飞机平台的速度。

进一步地，所述的步骤5)具体包括以下步骤：

5-1)根据点目标的响应能量，构建天线模式校正函数G，函数G可表示为：

其中，x₁是幅度系数；x₂是入射角的比例系数；x₃是入射角在射程方向上的偏移量；θ是入射角；

5-2)构建点目标的估计脉冲响应能量与真实脉冲响应能量之间的误差E_G，用以准确估计x₁/x₂/x₃，所述误差E_G采用如下公式表示为：

其中，θ_i是与第i个点目标相关的入射角；G_i是与第i个点目标相关的脉冲响应能量；

5-3)采用列文伯格马特算法校准影像辐射模型，所述列文伯格马特算法采用如下公式表示：

x_s+1＝x_s-(H+αI)^-1G；

其中，x_s+1是待求解参数值，x_s是初始参数值，H是多维向量的矩阵；G是多维向量的一阶梯度；α是步长，I是单位矩阵。

进一步地，所述的步骤6)具体包括：

利用所述函数G求出的距离向最大值与距离向每个像素拟合值的比值，获得距离向每个像素的对应的改正系数，以校正影像中存在的辐射偏差。

可选地，对于稳定的SAR***其***传递函数为一个常数即定标常数K，根据需求可进一步使用定标常数K计算影像的后向散射系数，计算公式为：

其中，K_i是与点目标i相对应的校准常数；E_pi是脉冲响应能量，σ_refi是理论散射截面；β_i是局部入射角。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用地面角反射器的像方/物方坐标以及其成像结果的脉冲响应能量，该方法全面利用地面参考点信息，有助于提升机载SAR影像的几何和辐射质量，以便更有效地捕捉地物特征和细节，在目标识别和监测方面提供更高质量的影像。

2、本发明通过采用平台速度约束的几何改正模型提高机载SAR影像的地理定位精度，该方法能够克服现有技术在航空高分机载SAR影像几何精度受飞机平台影响的缺陷，将定位精度从初始330m提升至3m，实现更为准确的地理定位，确保目标位置的精准映射。

3、本发明基于机器算法的辐射校准参数模型使得该方法能够有效校正影像的辐射特性，包括亮度和对比度等关键参数。辐***度优于1.5dB，有助于生成更为真实和可解释的影像，提高信息提取和分析的准确性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的实施例案例研究区域图；

图3为本发明的实施例案例研究区影像图；

图4为本发明的附加速度约束的轨道拟合参数改正结果；

图5为本发明的辐射校正改正系数；

图6为本发明的辐射校正结果对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本案例提供一种用于合成孔径雷达图像的几何和辐射改正方法，完整流程如图1所示，以中国科学院空天信息创新研究院采集的SAR影像质量提升为案例，本案例区域的位置如图2所示。为验证所提的几何和辐射改正模型的有效性，对在获取的SAR影像进行了实验。结果表明所提模型能以显著提升机载SAR影像的几何和辐射质量。

该方法包括以下步骤：

1)首先，选择采集的Ka和X/S波段SLC数据(SAR的单视复数数据(Single LookComple)是原始的最高分辨率数据)，通过处理将复数据转换为影像，如图3所示；在影像中定位到角反射器的成像区域，使用质心法确定每个角反射器的图像坐标，并计算出中心点处相应的脉冲响应能量；

所述角反射器中心点处的脉冲响应能量计算公式为：

其中，ε_p是脉冲响应能量；DN²是点目标的像素强度；a/r是天线在距离和方位向上的3dB脉冲响应宽度；p_a/p_r是距离和方位向上的空间分辨率；N_A是点目标能量积分区域内的图像像素数；N_B是背景区域内的图像像素数。

2)读取SAR图像的辅助文件中的轨道、斜距和时间等成像参数构建一个初始的距离-多普勒(RD)模型，反映角反射器的图像坐标与角反射器的实测物方坐标之间的关系；

SAR影像的辅助文件中所述成像参数采用如下公式表示：

其中，X_p、Y_p、Z_p分别为平台的位置矢量；V_x、V_y、V_z分别是平台的速度矢量；a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂、c₀、c₁、c₂是描述平台轨道的多项式系数；t₀和R₀分别是初始成像时间和最近斜距；PRF是脉冲重复频率，row是影像的行数；col为影像的列数，ResoRan是斜距分辨率。

根据成像参数所构建的距离-多普勒模型采用如下公式表示：

其中，X_p、Y_p、Z_p和V_x、V_y、V_z分别为平台的位置矢量和速度矢量；X_s、Y_s、Z_s为WGS-84坐标系中角反射器的位置矢量；λ为雷达波长；a和b分别为WGS-84坐标系中地球的长短半轴；h为目标附近的平均高程。

3)将角反射器随机分为控制点和检查点，其中控制点用在RD模型中，构建附加约束的几何校准模型以求解斜距和轨道拟合误差，改正参数采用最小二乘法求解获取；

附加约束的几何校准模型采用如下公式表示：

其中，V_x′、V_y′和V_z′分别是根据轨道拟合参数改正值更新后的速度矢量；VC是更新后的速度矢量与搭载载荷的飞机平台的速度之差；Δa₁，Δb₁，Δc₁和Δa₂，Δb₂，Δc₂分别是轨道拟合参数的一次项和二次项的改正值；t是影像某一行所对应的时刻；V是所记录的搭载载荷的飞机平台的速度。

表1不同控制点数目下有无附加约束的轨道拟合参数修正的统计差异。

4)基于控制点求解的成像参数改正值更新RD模型，将检查点的像方坐标代入到RD模型中，计算检查点的物方空间坐标，并与实际物方空间坐标进行比较，定标结果如图4所示。每种数目的控制点均进行了50组实验，结果统计如表2所示。相比于常规参数改正方案，附加约束的几何校正模型结果更加稳定，定位精度整体上优于5m，最高可达到3m。

表2使用不同方案和不同数目控制点的几何定位精度比较

5)根据角反射器的相关信息计算雷达截面积，并根据地形信息计算入射角，将相应参数代入到辐射改正模型中，使用列温伯格马特(LM)算法求解；同时最小二乘(LSQ)求解作为对比；

首先构建天线模式校正函数G，函数G可表示为：

其中，x₁是幅度系数；x₂是入射角的比例系数；x₃是入射角在射程方向上的偏移量；θ是入射角；

然后根据点目标的估计脉冲响应能量与真实脉冲响应能量之间的误差E_G，用以准确估计x₁/x₂/x₃，所述误差E_G采用如下公式表示为：

其中，θ_i是与第i个点目标相关的入射角；G_i是与第i个点目标相关的脉冲响应能量；

采用列文伯格马特算法求解误差E_G以校准影像辐射模型，所述列文伯格马特算法采用如下公式表示：

x_s+1＝x_s-(H+αI)^-1G；

其中，x_s+1是代求解参数值；x_s是初始参数值，H是多维向量的矩阵；G是多维向量的一阶梯度；α是步长，I是单位矩阵。

求解后的校准系数如图5所示，校准系数结果与影像存在的辐射偏差的趋势相似，即对于X波段影像而言，影像的视觉效果表现出中间量，两边暗，而X波段的校准系数结果呈现出两侧系数值大，中间值低的趋势。对于S波段影像，随着列数的增大，影像呈现出逐渐变暗的趋势，而对应的校准系数则是逐渐增大。

6)计算出距离向的校正系数，完成SAR影像的相对辐射校准，如图6所示，减小辐射偏差，然后根据角反射体的雷达散射截面确定校准常数，完成绝对辐射校准；校准后的影像对比度更加均匀，辐射偏差明显消除，且对于X和S波段影像，辐***度优于1.5dB。

表3 X和S波段影像的辐射改正结果

7)将基于几何和辐射改正模型的参数改正结果和改正后影像结果输出并保存。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)定位SAR图像中角反射器的成像区域，使用质心法确定每个角反射器的图像坐标，并计算中心点的脉冲响应能量；

2)读取SAR图像的辅助信息，建立初始的距离-多普勒模型；

3)根据斜距和轨道拟合误差，构建附加约束的几何校准模型，并使用最小二乘法对其进行求解，得到轨道改正参数；

4)基于所述轨道改正参数更新初始的距离-多普勒模型，得到更新的距离-多普勒模型，通过所述更新的距离-多普勒模型计算检查点的物方空间坐标，并将其与实际物方空间坐标进行比较；

5)根据步骤1)所述脉冲响应能量，结合SAR图像的成像参数，构建初始的影像辐射模型，然后采用列温伯格马特算法来校准影像辐射模型，获取新的辐射校正参数；

6)计算距离向的校正系数，完成相对辐射校准，并利用角反射体的雷达散射截面来确定校准常数，以完成绝对辐射校准；

7)将基于几何和辐射改正模型的参数改正结果和改正后影像结果输出并保存。

2.根据权利要求1所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

1-1)将原始的SLC数据转变为强度影像，通过人工判别确定角反射器的成像区域，并截取影像；

1-2)对角反射器的成像区域进行n倍插值，使用质心法确定每个角反射器的行坐标和列坐标，并计算中心点的脉冲响应能量。

3.根据权利要求2所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述脉冲响应能量的计算公式为：

其中，ε_p是脉冲响应能量；DN²是点目标的像素强度；a/r是天线在距离和方位向上的3dB脉冲响应宽度；p_a/p_r是距离和方位向上的空间分辨率；N_A是点目标能量积分区域内的图像像素数；N_B是背景区域内的图像像素数。

4.根据权利要求1所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：

2-1)读取SAR影像的辅助文件，获取成像参数包括：轨道位置、初始斜距以及斜距分辨率；

2-2)根据所述成像参数，构建一个初始的距离-多普勒模型。

5.根据权利要求4所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述距离-多普勒模型包括距离方程、多普勒方程和椭球方程。

6.根据权利要求5所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述成像参数采用如下公式表示：

其中，X_p、Y_p、Z_p分别为平台的位置矢量；V_x、V_y、V_z分别是平台的速度矢量；a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、b₂、c₀、c₁、c₂是描述平台轨道的多项式系数；t₀和R₀分别是初始成像时间和最近斜距；PRF是脉冲重复频率，row是影像的行数；col为影像的列数，ResoRan是斜距分辨率。

7.根据权利要求5所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述距离-多普勒模型采用如下公式表示：

其中，X_p、Y_p、Z_p和V_x、V_y、V_z分别为平台的位置矢量和速度矢量；X_s、Y_s、Z_s为WGS-84坐标系中角反射器的位置矢量；λ为雷达波长；a和b分别为WGS-84坐标系中地球的长短半轴；h为目标附近的平均高程。

8.根据权利要求1所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述的步骤3)中的附加约束的几何校准模型采用如下公式表示：

其中，V′_x、V′_y和V′_z分别是根据轨道拟合参数改正值更新后的速度矢量；VC是更新后的速度矢量与搭载载荷的飞机平台的速度之差；Δa₁，Δb₁，Δc₁和Δa₂，Δb₂，Δc₂分别是轨道拟合参数的一次项和二次项的改正值；t是影像某一行所对应的时刻；V是所记录的搭载载荷的飞机平台的速度。

9.根据权利要求1所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述的步骤5)具体包括以下步骤：

5-1)根据点目标的响应能量，构建天线模式校正函数G，函数G可表示为：

其中，x₁是幅度系数；x₂是入射角的比例系数；x₃是入射角在射程方向上的偏移量；θ是入射角；

5-2)构建点目标的估计脉冲响应能量与真实脉冲响应能量之间的误差E_G，用以准确估计x₁/x₂/x₃，所述误差E_G采用如下公式表示为：

其中，θ_i是与第i个点目标相关的入射角；G_i是与第i个点目标相关的脉冲响应能量；

5-3)采用列文伯格马特算法校准影像辐射模型，所述列文伯格马特算法采用如下公式表示：

x_s+1＝x_s-(H+αI)^-1G；

其中，x_s+1是代求解参数值；x_s是初始参数值，H是多维向量的矩阵；G是多维向量的一阶梯度；α是步长，I是单位矩阵。

10.根据权利要求7所述的一种航空高分机载SAR影像的几何和辐射改正方法，其特征在于，所述的步骤6)具体包括：

利用所述函数G求出的距离向最大值与距离向每个像素拟合值的比值，获得距离向每个像素的对应的改正系数，以校正影像中存在的辐射偏差。