CN112305510B - 一种基于dem匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法。属于遥感影像的微波遥感领域。包括以下步骤：(1)、获取目标区域的航空或航天合成孔径雷达影像、轨道数据及目标区域的DEM数据；(2)、SAR影像多视，DEM根据多视SAR影像的采样间隔重采样；(3)、逐像元计算目标回波强度，生成地理坐标系下的仿真影像；(4)、将地理坐标系下的仿真影像采样到影像坐标系下；(5)、采用相关函数法配准仿真影像与真实影像配准，获得方位向偏移量和距离向偏移量；(6)、根据方位(距离)向偏移量和方位向(距离向)采样频率，计算方位向时间误差并修正及计算距离向时间延迟误差并修正。本发明不需要控制点数据，能够有效提高合成孔径雷达影像几何参数的精度。

Description

一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法

技术领域

本发明属于遥感影像的数字摄影测量领域，特别涉及合成孔径雷达影像的几何定位和正射校正；具体是涉及一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法。

背景技术

由于观测过程种各种误差的存在，利用SAR数据自带的系统的参数进行几何定位精度不高，必须对系统参数进行定标。定标是通过测定一定数量的控制点，基于有理多项式模型、距离-多普勒模型(Range-Doppler，R-D)或距离-共面模型等几何模型，建立影像与地面点之间的联系，求解系统参数的改正数。

根据对控制点的需求，SAR影像定标可分为两类：一类是实测控制点，另一类是从DEM中提取控制点。

实测控制点是通过野外实地测量、高精度的航空摄影测量等手段获取地面点的坐标，并通过人工判读定位在SAR影像上。将控制点的地理坐标和影像坐标带入上述几何模型中，求解对应的几何参数，从而完成定标过程。

从DEM中提取控制点的方法主要是通过提取DEM的格网点或某些特征点将其定位在SAR影像上作为控制点实用。首先，利用DEM与SAR天线之间的几何关系，计算仿真SAR影像；其次，通过仿真SAR影像与真实SAR影像之间的匹配，将DEM的格网点或特征的定位在真实SAR影像中，作为控制点；第三，从DEM中读取控制点的地理坐标，与影像坐标一起带入上述几何模型中，求解对应的几何参数，从而完成定标过程。

此外还有一种基于DEM的方法可以提高几何精度，但不涉及参数校正。在R-D模型的基础上，从DEM格网点读取地理坐标并计算其影像坐标，从而建立地理坐标与影像坐标之间的映射关系，即查找表。通过仿真影像与真实影像的配准，使用配准结果修正查找表，提高正射校正的精度。

实地测量控制点方法精度最高。但是在山区等复杂地形条件下，获取控制点成本高、难度大。特别是在快速的应急应用中或在境外，无法获取控制点。从DEM中提取控制点的方法虽然避免了实地测量，但是提取的点精度较低，特别是在山区往往存在数十米的高程误差，定标过程复杂，容易出现误差累积。而使用查找表的方法则逐点记录了地理坐标与影像坐标的对应关系，没有对几何参数进行定标。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，该方法直接使用仿真影像与真实影像的匹配结果标定几何参数，无需测量或从DEM中提取控制点；并且在配准过程中，得益于采用较大的匹配窗口，所获取的结果具有很高的精度和鲁棒性。

本发明的技术方案是：一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，利用合成孔径雷达影像和DEM的匹配结果标定方位向时间和距离向时间，其具体操作步骤包括如下：

步骤(1.1)、获取目标区域的航空合成孔径雷达影像和POS观测值，或航天合成孔径雷达影像和轨道位置、速度信息，以及目标区域的DEM数据；

步骤(1.2)、SAR影像多视，DEM根据多视SAR影像的采样间隔重采样；

步骤(1.3)、根据雷达天线与目标的相对位置关系，计算DEM中每一个像元的回波强度，从而生成地理坐标系下的仿真影像；

步骤(1.4)、根据R-D模型和DEM中的高程信息，将地理坐标系下的仿真影像采样到影像坐标系下；

步骤(1.5)、在影像中心取较大窗口，采用相关函数法配准仿真影像与真实影像配准，获得方位向偏移量和距离向偏移量；

步骤(1.6)、根据方位向偏移量和方位向重复采样频率，计算方位向时间误差并修正，根据距离向偏移量和距离向采样频率，计算距离向时间延迟误差并修正。

进一步的，在步骤(1.2)中，SAR影像多视以降低斑点噪声，DEM数据根据多视后SAR影像进行重采样，使采样间隔与多视后SAR影像相似；

其中，SAR影像的方位向为天线飞行方向，距离向垂直于飞行方向指向目标；

方位向多视数M_az和距离向多视数M_r由影像的方位向采样间隔σ_az、距离向采样间隔σ_r、影像中心视角θ和多视后分辨率σ共同决定,其公式如下：

式中，[·]表示四舍五入取整，令σ_max＝max(σ_az,σ_r)，σ由下式设定：

当DEM的采样间隔不大于2σ时，不对DEM重采样；DEM的采样间隔大于2σ时，将DEM重采样至2σ采样间隔。

进一步的，在步骤(1.3)中，对重采样后的DEM或原始DEM中的每一个格网点计算回波强度；其解算方法包括如下步骤：

(a)、计算天线指向目标位置的视向量L；计算DEM格网点的空间三维坐标P，并根据距离-多普勒模型计算该点的影像坐标(row,col)：

式中，S表示天线相位中心，P表示目标位置，r表示天线相位中心到目标的距离，f_dop表示多普勒频率，v表示天线飞行速度，λ表示载波波长；其中，波长λ、速度v和多普勒频率f_dop从参数文件中读取；由行坐标row计算对应时刻并从内插出该时刻的天线相位中心S，计算视向量：

L＝P-S

(b)、计算目标位置的局部法向量N；读取DEM中目标位置附近的格网点，计算东西方向和南北方向的梯度矢量r_ew和r_ns，局部法向量为二者叉乘：

(c)、按照朗伯余弦定理计算仿真回波强度；漫反射强度为法线方向回波强度与本地入射角余弦的乘积：

式中，I_N表示多视SAR影像的平均散射强度；

对DEM中每一个格网点进行上述计算，获取地理坐标系下的SAR仿真影像。

进一步的，在步骤(1.4)中，将步骤(1.3)中获取的SAR仿真影像由地理坐标重采样至影像坐标系；首先，读取步骤(a)中计算出的每一个DEM格网点的影像坐标(row,col)；其次，按照影像坐标逐像元进行内插，插值半径一般选择2-4像元，权重一般选择反距离加权或反距离平方加权；逐像元进行内插处理，完成仿真影像由地理坐标向影像坐标的重采样。

进一步的，在步骤(1.5)中，选择大窗口配准，以提高配准的精度和可靠性；

配准窗口中心选择真实影像中心，配准窗口大小为满足下列条件的最大值：

式中，W_win表示配准窗口宽度，H_win表示配准窗口高度，W_img表示真实影像宽度，H_img表示真实影像高度，m和n表示正整数；

使用相关函数法计算上述配准窗口处仿真SAR影像相对于真实SAR影像的偏移量：

式中，row_sim、col_sim表示仿真SAR影像坐标，row_sar、col_sar表示真实SAR影像坐标，off_az表示方位向偏移量，off_r表示距离向偏移量。

进一步的，在步骤(1.6)中，直接由配准结果计算系统参数改正数；

(a)、计算并校正影像方位向时间延迟；方位向时间改正数ΔT_az由下式计算：

ΔT_az＝off_az·M_az·Δt_azi

式中，Δt_azi表示原始影像方位向时间采样间隔；

(b)、计算并校正影像距离向时间延迟；距离向时间改正数ΔT_r由下式计算：

式中，C表示光速，Δr_ps表示距离向空间采样间隔；

计算出上述方位向时间和距离向时间的改正数后，分别用于校正方位向影像时间和距离向回波延迟，从而完成定标工作。

本发明的有益效果是：本发明所述的一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，该方法无需控制点数据支持，仅使用DEM数据与SAR影像，通过DEM生成的仿真SAR影像与真实SAR影像的配准计算系统参数的改正数，从而完成定标工作，且本发明数据处理精度高，应用范围广。

附图说明

图1是本发明的结构流程图；

图2是本发明实施例中合成孔径雷达影像的示意图；

图3是本发明实施例中影像覆盖区域DEM数据的示意图；

图4是本发明实施例中地理坐标系下的仿真影像的示意图；

图5是本发明实施例中影像坐标系下的仿真影像的示意图；

图6是本发明实施例中使用定标参数和未定标参数的正射影像的示意图：a是实施例使用未定标参数的正射校正影像的示意图，b是实施例使用定标后参数的正射校正影像的示意图，c是实施例使用未定标参数的正射校正影像的示意图(局部区域1)，d是实施例使用定标后参数的正射校正影像的示意图(局部区域1)，e是实施例使用未定标参数的正射校正影像的示意图(局部区域2)，f是实施例使用定标后参数的正射校正影像的示意图(局部区域2)。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所述；一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，利用合成孔径雷达影像和DEM的匹配结果标定方位向时间和距离向时间，其具体操作步骤包括如下：

步骤(1.1)、获取目标区域的航空合成孔径雷达影像和POS观测值，或航天合成孔径雷达影像和轨道位置、速度信息，以及目标区域的DEM数据；

步骤(1.2)、SAR影像多视，DEM根据多视SAR影像的采样间隔重采样；

步骤(1.3)、根据雷达天线与目标的相对位置关系，计算DEM中每一个像元的回波强度，从而生成地理坐标系下的仿真影像；

步骤(1.4)、根据R-D模型和DEM中的高程信息，将地理坐标系下的仿真影像采样到影像坐标系下；

步骤(1.5)、在影像中心取较大窗口，采用相关函数法配准仿真影像与真实影像配准，获得方位向偏移量和距离向偏移量；

步骤(1.6)、根据方位向偏移量和方位向重复采样频率，计算方位向时间误差并修正，根据距离向偏移量和距离向采样频率，计算距离向时间延迟误差并修正。

实施例：

在对合成孔径雷达轨道误差消除方法进行描述之前，首先对所述合成孔径雷达进行简要介绍：合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是利用一个小天线沿着长线阵的轨迹等速移动并辐射相参信号，把在不同位置接收的回波进行相干处理,从而获得较高分辨率的成像雷达。下面结合具体步骤对基于DEM匹配的SAR影像定标方法进行介绍。

步骤(1.1)，获取合成孔径雷达数据，并根据该合成孔径雷达数据生成真实SAR影像，以及根据该合成孔径雷达数据包含的轨道观测值和雷达中心频率从数字高程模型中截取与所述目标区域对应的DEM数据；

本实施例中，所述合成孔径雷达数据为目标区域航天合成孔径雷达单视复数据或回波强度数据、方位向和距离向的采样间隔，轨道观测值、雷达中心频率、初始斜距、多普勒中心频率参数等；其中，截取所述DEM数据的具体过程包括：读取轨道观测值、初始斜距和多普勒频率，利用距离-多普勒模型计算主影像的四个角点地理坐标，根据主影像的四个角点地理坐标统计坐标范围，进而根据统计范围从DEM数字高程模型中裁剪出对应目标区域的DEM数据。

如图2-3所述，图2是根据获取的合成孔径雷达数据生成的灰度影像，图3是裁剪的目标区域DEM数据；

步骤(1.2)，根据合成孔径雷达数据的方位向和距离向的采样间隔，确定合适的方位向和距离向多视数并生成多视强度影像，根据多视强度影像的分辨率对目标区域的DEM数据重采样；

本实施例中，SAR影像多视以降低斑点噪声，DEM数据根据多视后SAR影像进行重采样，使采样间隔与多视后SAR影像相似；

其中，SAR影像的方位向为天线飞行方向，距离向垂直于飞行方向指向目标；

方位向多视数M_az和距离向多视数M_r由影像的方位向采样间隔σ_az、距离向采样间隔σ_r、影像中心视角θ和多视后分辨率σ共同决定,其公式如下：

式中，[·]表示四舍五入取整，令σ_max＝max(σ_az,σ_r)，σ由下式设定：

本实施例中，所述DEM数据为步骤(1)中截取的目标区域DEM数据；当DEM数据的采样间隔不大于2σ时，不对DEM重采样；DEM的采样间隔大于2σ时，将DEM重采样至2σ采样间隔。

步骤(1.3)，对DEM数据中的每一个格网点计算仿真回波强度；本实施例中，当步骤(1.2)中对DEM数据进行重采样处理时，步骤(1.3)中所述的DEM数据为步骤(1.2)重采样之后的DEM数据；当步骤(1.2)中不对DEM数据进行重采样处理时，步骤(1.3)中所述的DEM数据为步骤(1.1)中截取的目标区域DEM数据；另外，本实施例中，可通过以下过程计算DEM数据中的每一个格网点的仿真回波强度，具体如下：

(3.1)、计算天线指向目标位置的视向量L；计算DEM格网点的空间三维坐标P，并根据距离-多普勒模型计算该点的影像坐标(row,col)：

式中，S表示天线相位中心，P表示目标位置，r表示天线相位中心到目标的距离，f_dop表示多普勒频率，v表示天线飞行速度，λ表示载波波长；其中，波长λ、速度v和多普勒频率f_dop从参数文件中读取；由行坐标row计算对应时刻并从内插出该时刻的天线相位中心S，计算视向量：

L＝P-S

(3.2)、计算目标位置的局部法向量N；读取DEM中目标位置附近的格网点，计算东西方向和南北方向的梯度矢量r_ew和r_ns，局部法向量为二者叉乘：

(3.3)、按照朗伯余弦定理计算仿真回波强度；漫反射强度为法线方向回波强度与本地入射角余弦的乘积：

式中，I_N表示多视SAR影像的平均散射强度；

对DEM中每一个格网点进行上述计算，获取地理坐标系下的SAR仿真影像，如图4所示。

步骤(1.4)，将步骤(1.3)中获取的SAR仿真影像由地理坐标重采样至影像坐标系；首先，读取步骤(3.1)中计算出的每一个DEM格网点的影像坐标(row,col)；其次，按照影像坐标逐像元进行内插，插值半径一般选择2-4像元，权重一般选择反距离加权或反距离平方加权；逐像元进行内插处理，完成仿真影像由地理坐标向影像坐标的重采样，如图5所示。

步骤(1.5)，以真实SAR影像为参考影像，计算仿真影像向真实影像配准的偏移量；

(5.1)、选择配准窗口；配准窗口中心选择真实影像中心，配准窗口大小为满足下列条件的最大值：

式中，W_win为配准窗口宽度，H_win为配准窗口高度，W_img为真实影像宽度，H_img为真实影像高度，m和n为正整数；

(5.2)、配准方法选择相关函数法：使用相关函数法计算上述配准窗口处仿真SAR影像相对于真实SAR影像的偏移量：

式中，row_sim、col_sim为仿真SAR影像坐标，row_sar、col_sar为真实SAR影像坐标，off_az为方位向偏移量，off_r为距离向偏移量。

步骤(1.6)、通过仿真SAR影像与真实SAR影像之间的偏移量计算SAR影像的方位向时间延迟和距离向时间延迟，从而完成定标工作；解算方法包括如下步骤：

(6.1)、计算并校正影像方位向时间延迟；方位向时间改正数ΔT_az由下式计算：

ΔT_az＝off_az·M_az·Δt_azi

式中，Δt_azi为原始影像方位向时间采样间隔；

(6.2)、计算并校正影像距离向时间延迟；距离向时间改正数ΔT_r由下式计算：

式中，C为光速，Δr_ps为距离向空间采样间隔；

计算出上述方位向时间和距离向时间的改正数后，分别用于校正方位向影像时间和距离向回波延迟，从而完成定标工作。

另外本实施例中，使用正射校正影像来表示定标结果的可靠性；如图6所示，分别使用未定标参数和定标后参数对图2中影像进行正射校正，图6(a)为使用未定标参数的正射校正影像，图6(b)为使用定标参数的正射校正影像，图6(c)(e)分别为使用未定标参数的正射校正影像的区域1和区域2的局部放大，图6(d)(f)分别为使用定标参数的正射校正影像的区域1和区域2的局部放大；从图中可以看出，使用未定标参数的正射影像不能正确定位叠掩区域，导致正射校正过程中叠掩区未能正确拉伸；而使用定标参数的正射校正影像中，叠掩区得以正确拉伸，说明定标后数据具有较高的几何精度，并且在整景影像范围内精度均匀。

由上述的基于DEM匹配的SAR影像定标方法中可以明确可以看出，本发明实施例中是基于合成孔径雷达数据本身和DEM数据进行参数标定，且不需要控制点数据支撑，能够有效提高数据处理精度；此外，本发明给出的基于DEM匹配的SAR影像定标方法可以在合成孔径雷达测图中起到重要作用。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，利用合成孔径雷达影像和DEM的匹配结果标定方位向时间和距离向时间，其具体操作步骤包括如下：

步骤(1.1)、获取目标区域的航空合成孔径雷达影像和POS观测值，或航天合成孔径雷达影像和轨道位置、速度信息，以及目标区域的DEM数据；

步骤(1.2)、对合成孔径雷达影像进行多视处理，根据多视后影像的分辨率对DEM重采样；

步骤(1.3)、根据雷达天线与目标的相对位置关系，计算DEM中每一个像元的回波强度，从而生成地理坐标系下的仿真影像；

步骤(1.4)、根据R-D模型和DEM中的高程信息，将地理坐标系下的仿真影像采样到影像坐标系下；

步骤(1.5)、在影像中心取较大窗口，采用相关函数法配准仿真影像与真实影像配准，获得方位向偏移量和距离向偏移量；

步骤(1.6)、根据方位向偏移量和方位向重复采样频率，计算方位向时间误差并修正，根据距离向偏移量和距离向采样频率，计算距离向时间延迟误差并修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，在步骤(1.2)中，SAR影像多视以降低斑点噪声，DEM数据根据多视后SAR影像进行重采样，使采样间隔与多视后SAR影像相似；

其中，SAR影像的方位向为天线飞行方向，距离向垂直于飞行方向指向目标；

方位向多视数M_az和距离向多视数M_r由影像的方位向采样间隔σ_az、距离向采样间隔σ_r、影像中心视角θ和多视后分辨率σ共同决定，其公式如下：

式中，[·]表示四舍五入取整，令σ_max＝max(σ_az，σ_r)，σ由下式设定：

当DEM的采样间隔不大于2σ时，不对DEM重采样；DEM的采样间隔大于2σ时，将DEM重采样至2σ采样间隔。

3.根据权利要求1所述的一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，在步骤(1.3)中，对重采样后的DEM或原始DEM中的每一个格网点计算回波强度；其解算方法包括如下步骤：

(a)、计算天线指向目标位置的视向量L；计算DEM格网点的空间三维坐标P，并根据距离-多普勒模型计算该点的影像坐标(row，col)：

式中，S表示天线相位中心，P表示目标位置，r表示天线相位中心到目标的距离，f_dop表示多普勒频率，v表示天线飞行速度，λ表示载波波长；其中，波长λ、速度v和多普勒频率f_dop从参数文件中读取；由行坐标row计算对应时刻并从内插出该时刻的天线相位中心S，计算视向量：

L＝P-S

(b)、计算目标位置的局部法向量N；读取DEM中目标位置附近的格网点，计算东西方向和南北方向的梯度矢量r_ew和r_ns，局部法向量为二者叉乘：

(c)、按照朗伯余弦定理计算仿真回波强度；漫反射强度为法线方向回波强度与本地入射角余弦的乘积：

式中，I_N表示多视SAR影像的平均散射强度；

对DEM中每一个格网点进行上述计算，获取地理坐标系下的SAR仿真影像。

4.根据权利要求1所述的一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，在步骤(1.4)中，

将步骤(1.3)中获取的SAR仿真影像由地理坐标重采样至影像坐标系；

首先，计算天线指向目标位置的视向量L；计算DEM格网点的空间三维坐标P，并根据距离-多普勒模型计算该点的影像坐标(row，col)，读取计算出的每一个DEM格网点的影像坐标(row，col)；

其次，按照影像坐标逐像元进行内插，插值半径选择2-4像元，权重选择反距离加权或反距离平方加权；逐像元进行内插处理，完成仿真影像由地理坐标向影像坐标的重采样。

5.根据权利要求1所述的一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，在步骤(1.5)中，选择大窗口配准，以提高配准的精度和可靠性；

配准窗口中心选择真实影像中心，配准窗口大小为满足下列条件的最大值：

式中，W_win表示配准窗口宽度，H_win表示配准窗口高度，W_img表示真实影像宽度，H_img表示真实影像高度，m和n表示正整数；

使用相关函数法计算上述配准窗口处仿真SAR影像相对于真实SAR影像的偏移量：

式中，row_sim、col_sim表示仿真SAR影像坐标，row_sar、col_sar表示真实SAR影像坐标，off_az表示方位向偏移量，off_r表示距离向偏移量。

6.根据权利要求1所述的一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，在步骤(1.6)中，由步骤(1.5)的结果分别计算方位向和距离向误差的改正数：

(a)、计算并校正影像方位向时间延迟；方位向时间改正数ΔT_az由下式计算：

ΔT_az＝off_az·M_az·Δt_azi

式中，off_az表示方位向偏移量，M_az表示方位向多视数，Δt_azi表示原始影像方位向时间采样间隔；

(b)、计算并校正影像距离向时间延迟；距离向时间改正数ΔT_r由下式计算：

式中，off_r表示距离向偏移量，M_r表示距离向多视数，C表示光速，Δr_ps表示距离向空间采样间隔；

计算出上述方位向时间和距离向时间的改正数后，分别用于校正方位向影像时间和距离向回波延迟，从而完成定标工作。

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