CN103207388A - 一种斜视条件下的机载干涉sar定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜视条件下的机载干涉SAR定标方法，解决斜视条件下的机载干涉SAR定标中存在的定标精度不足，定标结果不稳定不合理问题。首先，借助定标点与主天线的几何关系，计算定标点所在位置的斜视角；根据斜视SAR成像算法采用的处理几何，建立斜视条件下的系统延时定标方程；利用得到的斜视角，完成系统延时的定标；然后，根据干涉SAR斜视几何关系，建立斜视条件下的目标高程方程，通过对干涉参数求偏导数得到高程敏感度方程，建立斜视干涉定标模型；借助初始干涉参数、机载干涉SAR高程测量值和定标点高程信息代入斜视干涉定标模型，得到定标方程组，完成干涉参数误差的解算。

Description

一种斜视条件下的机载干涉SAR定标方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，具体涉及一种斜视条件下的机载干涉SAR定标方法。

背景技术

实际机载干涉合成孔径雷达（Synthesis Aperture Radar:SAR）系统设备和载机运动平台本身存在各种误差，并带来干涉SAR测量的基本干涉参数误差，系统采样延时不确定性造成系统延时误差；基线结构安装会带来基线长度、基线倾角存在安装和测量误差，并且随载机姿态变化；干涉SAR双接收通道相位误差等都会影响高程测量精度。为了实现机载干涉SAR系统高精度测图，干涉SAR定标成为数据处理流程中不可缺少的一个步骤。

机载干涉SAR系统通常设计为正侧视工作。然而实际飞行过程中气流等外界因素会引起载机平台姿态变化，从而造成实际运行模式偏离理想正侧视模式，即工作在斜视条件下。

斜视条件会造成干涉SAR观测几何相对于正侧视的变化，正侧视几何中的点在斜视几何中的位置会发生变化，进行匹配滤波后成像位置也会改变，这种变化一方面需要成像算法完成，一方面需要在干涉SAR的定标中加以考虑。

目前机载干涉SAR定标方法一般采用正侧视几何，并在此基础上通过对高程求偏导数得到的敏感度方程组作为干涉SAR定标模型，利用地面坐标已知目标点（定标点）求解干涉参数，忽略了斜视对干涉SAR地形测绘的影响，从而造成已有方法存在以下不足：

（1）定标精度不足。由于定标模型不准确，造成定标精度差，难以满足干涉SAR高精度测图要求。

（2）定标结果不稳定。定标结果随距离向和方位向（空间和时间）变化，系统延时参数在图像近距和远距不一致；干涉参数在不同区域或不同架次。

（3）定标结果不合理。如物理基线长度及相应的其他干涉参数的定标结果明显偏离实际值。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，解决斜视条件下的机载干涉SAR定标中存在的定标精度不足，定标结果不稳定不合理问题，提出一种斜视条件下的机载干涉SAR定标方法。该方法考虑了斜视几何对干涉定标的影响，根据成像算法采用的处理几何，在目标距离和高程方程中引入斜视角参数，给出斜视条件系统延时参数的定标方法，建立斜视条件下的高程敏感度方程，得到斜视定标模型，在此基础上求解干涉SAR系统参数误差，完成机载干涉SAR定标。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

步骤1：借助定标点的三维位置信息、运动补偿得到的主天线位置和姿态信息，计算定标点所在位置的斜视角；

步骤2：根据斜视SAR成像算法采用的处理几何，建立斜视条件下的系统延时定标方程，该延时定标方程中记载了定标点的三维位置信息、主天线位置、斜视角与系统延时的关系；利用步骤1得到的斜视角，完成系统延时的定标；

步骤3：根据干涉SAR斜视几何关系，建立斜视条件下的目标高程方程，并对干涉参数求偏导数得到高程敏感度方程，基于高程敏感度方程建立斜视干涉定标模型；

步骤4：借助初始干涉参数、机载干涉SAR高程测量值和定标点高程信息代入步骤3得到的斜视干涉定标模型，得到定标方程组，完成干涉参数误差的解算；所述初始干涉参数指已知的含有误差的干涉参数值。

一种斜视条件下的机载干涉SAR定标方法，与现有定标方法相比的有益效果在于：

1．在定标模型中考虑了机载干涉SAR普遍存在的斜视角影响，使得定标模型更准确，更符合实际情况。

2．可有效增强定标结果的稳定性和可靠性，通过引入与成像相关的斜视角参数，减小了定标结果随空间和时间的变化，有助于减少测图区域内的定标点数目的问题。

附图说明

图1为斜视几何示意图。

图2为斜视条件下机载干涉SAR干涉定标流程图。

具体实施方式

为描述方便，首先说明机载干涉SAR的斜视几何，如图1所示，A_m和A_s分别表示安装在机载干涉SAR飞机平台上的主天线和副天线，B表示主副天线间距构成的物理基线，XOY表示大地参考面，飞机沿A_mX′轨迹飞行，飞机距地面高度坐标为H，A_mX′平行于OX，地面目标P的高度坐标为h，主天线A_m和副天线在波束中心穿越时刻与目标P的斜距分别为R₁和R₂，P到轨迹A_mX的最短距离为R₀，A_mX′与A_mP′相互垂直，A_mP′为主天线的正侧视方向，主天线波束中心指向与正侧视方向的夹角为斜视角θ_sq，基线B与水平方向的夹角为基线倾角α，斜视下视角θ，正侧视下视角

如图1所示。

一种斜视条件下的机载干涉SAR定标方法由4个步骤组成，实现对系统延时，基线长度，基线倾角，干涉相位的定标，具体步骤的实施方式如下：

步骤1：首先根据干涉SAR图像、定标点三维坐标和主天线三维坐标及姿态信息，计算斜视角。斜视角可按照公式(1)计算：

θ_sq＝θ_ysinθ+θ_pcosθ         (1)

其中θ_sq为斜视角，θ_y和θ_p是作为已知的干涉SAR成像运动补偿后的主天线偏航角和俯仰角θ为斜视下视角通过公式(2)确定。

$\mathrm{\θ}=\arccos \{(Z_{\mathrm{Ai}}-Z_{\mathrm{Pi}})/R_1\}=\arccos \{(Z_{\mathrm{Ai}}-Z_{\mathrm{Pi}})/\sqrt{{(X_{\mathrm{Ai}}-X_{\mathrm{Pi}})}^2+{(Y_{\mathrm{Ai}}-Y_{\mathrm{Pi}})}^2}\}---\left(2\right)$

其中，（X_Ai,Y_Ai,Z_Ai）为主天线A_m所在位置的三维坐标，（X_Pi,Y_Pi,Z_Pi）是场景内第i个定标点P_i所在位置的三维坐标，按照公式(1)-(2)计算场景内所有定标点P₁～P_n的斜视角θ_sq1～θ_sqn。n为场景内定标点的总数。

步骤2：根据斜视SAR成像算法采用的成像处理几何，建立斜视条件下的系统延时定标方程，该延时定标方程中记载了定标点的三维位置信息、主天线位置、斜视角与系统延时的关系；利用步骤1计算得到的θ_sq1～θ_sqn，估计系统延时τ，从而完成系统延时的定标。

斜视SAR成像算法一般有基于零多普勒（Zero Doppler,ZD）和非零多普勒（Non-zero Doppler,ND）成像处理几何两类。对于ZD成像处理几何如CS算法可采用公式(3)计算系统延时，对于ND成像处理几何如ECS算法，采用公式(4计算系统延时。

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_{A1}-X_{P1})}^2+{(Y_{A1}-Y_{P1})}^2+{(Z_{A1}-Z_{P1})}^2}=\frac{c}{2}(\mathrm{\τ}+j1/f_s)/{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sq}1}\\ \sqrt{{(X_{A2}-X_{P2})}^2+{(Y_{A2}-Y_{P2})}^2+{(Z_{A2}-Z_{P2})}^2}=\frac{c}{2}(\mathrm{\τ}+j2/f_s)/{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sq}2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \sqrt{{(X_{\mathrm{An}}-X_{\mathrm{Pn}})}^2+{(Y_{\mathrm{An}}-Y_{\mathrm{Pn}})}^2+{(Z_{\mathrm{An}}-Z_{\mathrm{Pn}})}^2}=\frac{c}{2}(\mathrm{\τ}+\mathrm{jn}/f_s)/{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sqn}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_{A1}-X_{P1})}^2+{(Y_{A1}-Y_{P1})}^2+{(Z_{A1}-Z_{P1})}^2}=\frac{c}{2}(\mathrm{\τ}+j1/f_s)+(1/{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sq}1}-1)R_{\mathrm{ref}}\\ \sqrt{{(X_{A2}-X_{P2})}^2+{(Y_{A2}-Y_{P2})}^2+{(Z_{A2}-Z_{P2})}^2}=\frac{c}{2}(\mathrm{\τ}+j2/f_s)+(1/{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sq}2}-1)R_{\mathrm{ref}}\\ \·\\ \·\\ \·\\ \sqrt{{(X_{\mathrm{An}}-X_{\mathrm{Pn}})}^2+{(Y_{\mathrm{An}}-Y_{\mathrm{Pn}})}^2+{(Z_{\mathrm{An}}-Z_{\mathrm{Pn}})}^2}=\frac{c}{2}(\mathrm{\τ}+\mathrm{jn}/f_s)+(1/{\cos \mathrm{\θ}}_{\mathrm{sqn}}-1)R_{\mathrm{ref}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中ji表示第i个定标点在图像上的距离向采样序号，f_s是距离向采样频率，τ为需要标定的系统延时，R_ref为ECS算法所用的参考斜距，c为光速。

根据公式(3)或(4)，对各个定标点求得的系统延时统计平均作为系统延时τ定标的估计结果。

步骤3：根据干涉SAR斜视几何关系，建立斜视条件下的目标高程方程，并通过对干涉参数求偏导数得到高程敏感度方程，作为斜视干涉定标模型。

由图1所示几何关系可以分别求得斜视下视角，任意定标点P处的斜视下视角θ为：

基线B与R₁的夹角γ为：

定标点处对应的干涉相位为：

φ＝2πQ(R₂-R₁)/λ＝2πQΔR/λ          (7)

其中Q为机载干涉SAR的工作模式，当机载干涉SAR工作为一发双收模式时Q＝1，当工作于乒乓模式时Q＝2，ΔR为R₁和R₂的斜距差，λ为机载干涉SAR信号中心频率对应的波长。

根据余弦定理可得:

$\cos \mathrm{\γ}=\frac{{(R_1+\mathrm{\ΔR})}^2-R_1^2-B^2}{{2R}_{1}B}---\left(8\right)$

根据正弦定理斜距差也可近似表示为

$\mathrm{\ΔR}=\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\λ}\≈B\sin \mathrm{\γ}---\left(9\right)$

定标点P的高程可表示为：

以高程h为目标函数，通过公式(5)-(10)对各干涉参数求偏导数可得各干涉参数的敏感度方程。

类似的还可以得到目标高程对其他干涉参数如飞行高度H、偏航角θ_y等的敏感度方程。一般而言，在进行了系统延时定标后，可不再考虑斜距误差的影响，也就是不考虑公式（14），通过(11)-(13)建立斜视干涉定标模型，即：

F×ΔX=Δh          (15)

其中 $F=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\∂h}{\∂B}|1,& \frac{\∂h}{\∂\mathrm{\α}}|1,& \frac{\∂h}{\∂\mathrm{\φ}}|1\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·,& \·,& \·\\ \frac{\∂h}{\∂B}|n,& \frac{\∂h}{\∂\mathrm{\α}}|n,& \frac{\∂h}{\∂\mathrm{\φ}}|n\end{array}\right]$ 为敏感度方程组，下标代表n个不同的定标点； $\mathrm{\Δx}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔB}\\ \mathrm{\Δ\α}\\ \mathrm{\Δ\φ}\end{array}\right]$ 为干涉参数误差向量，Δ*表示干涉参数*的误差； $\mathrm{\Δh}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δh}}_1\\ \mathrm{\Δ}{h}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\Δh}}_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{Z}_{P^{\′}1}-Z_{P1}\\ Z_{P^{\′}-}{Z}_{P2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ Z_{P^{\′}n}-Z_{\mathrm{Pn}}\end{array}\right]$ 为高程误差向量，即机载干涉SAR测量的定标点P_i的高程Z_P′i与地面测量的定标点P_i的高程Z_Pi之差。

在实际中，如果还对其他干涉参数进行误差标定，则敏感度方程组写成通用表达方式为 $F=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\∂h}{{\∂V}_{\text{1}}}\text{|1,}& ...,& \frac{\∂h}{{\∂V}_K}|1\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·,& \·,& \·\\ \frac{\∂h}{{\∂V}_1}|n,& ...,& \frac{\∂h}{{\∂V}_K}|n\end{array}\right],$ 其中V₁、V₂…V_K表示K个干涉参数，

表η∈[1,n]；那么， $\mathrm{\ΔX}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ΔV}}_K\end{array}\right]$ 为干涉参数误差向量，其中Δ*表示干涉参数*的误差；Δh不变，则F×ΔX=Δh可以对K个干涉参数进行误差解算。

步骤4：利用步骤3得到的斜视干涉定标模型（15），借助初始干涉参数、机载干涉SAR高程测量值Z_P′i和定标点高程Z_Pi作为已知数，以干涉参数误差向量为未知数，得到定标方程组，完成干涉参数误差的解算。

其中初始干涉参数即含有误差的基线长度B，基线倾角α和干涉相位φ的初值，这里的初始干涉参数是指已知的有误差的干涉参数，定标就是将误差标出来，修正初值。一般定标求解都是用初值反复迭代，直到结果满意。其中基线长度B和基线倾角α初值可通过地面测量主副天线在飞机上的安装位置得到，干涉相位φ初值为干涉SAR处理得到的含有误差的已知结果；机载干涉SAR高程测量值Z_P′i为对定标点经过成像干涉处理得到的含有误差的已知高程测量值，定标点高程Z_Pi指用差分GPS测得的定标点所在位置的准确已知高程值。

将上述已知数代入(15)，以干涉误差向量ΔX为未知数，一般定标采用多个定标点得到干涉误差向量的超定方程组，利用超定方程组的常规解法，即可获得干涉参数误差，从而修正初始干涉参数，完成斜视条件下的机载干涉SAR定标。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种斜视条件下的机载干涉SAR定标方法，其特征在于，包括：

步骤1：借助定标点的三维位置信息、运动补偿得到的主天线位置和姿态信息，计算定标点所在位置的斜视角；

步骤2：根据斜视SAR成像算法采用的处理几何，建立斜视条件下的系统延时定标方程，该延时定标方程中记载了定标点的三维位置信息、主天线位置、斜视角与系统延时的关系；利用步骤1得到的斜视角，完成系统延时的定标；

步骤3：根据干涉SAR斜视几何关系，建立斜视条件下的目标高程方程，并对干涉参数求偏导数得到高程敏感度方程，基于高程敏感度方程建立斜视干涉定标模型；

步骤4：借助初始干涉参数、机载干涉SAR高程测量值和定标点高程信息代入步骤3得到的斜视干涉定标模型，得到定标方程组，完成干涉参数误差的解算；所述初始干涉参数指已知的含有误差的干涉参数值。

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