CN112505686B - 高程误差估计方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种高程误差估计方法、装置、电子设备及存储介质，应用于雷达探测技术领域，包括：获取测量设备上的误差，计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差，以及，计算信噪比去相干引入的参考高程误差，根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差。

Description

高程误差估计方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，具体涉及一种高程误差估计方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

星载编队干涉合成孔径雷达(InSAR，Interferometric Synthetic ApertureRadar，)系统是卫星编队技术和InSAR技术相结合的新一代星载对地观测系统，相较于传统的单卫星重轨InSAR卫星系统，星载编队InSAR具有数据可用率高，回波相干性强，产品精度较高等特点；相较于单卫星平台双天线InSAR系统，其具有编队基线构型灵活，工程实现难度和成本低的特点。随着定量应用需求的不断提高，基线定标技术对星载编队InSAR系统获取高精度DEM起着至关重要的作用。

对于星载编队InSAR系统，基线定标方法可分为分布目标和点目标两种，分别指高精度外源DEM(如激光高度计获取的DEM数据)和已知高程平面位置信息的人工点目标(如无源角反射器和有源定标器)。两种方法都有各自的优缺点；点目标定标方法可以通过提高信噪比(增大点目标RCS)来提高定标精度，但数量分布有限，L波段3m的角反射器体积、重量大，布设十分困难，而且标定频次受限于定标场重访周期；分布目标分布范围广，不需要人工布设，但其信噪比一般较低，其参考高程精度受到载荷波段穿透性和信噪比去相干的影响。

目前世界首例星载编队InSAR系统：TanDEM-X采用分布目标基线定标方法利用远近波位，将已知高程(由ICESet激光高度计提供参考高程)与干涉测量高程的高程差带入定标模型中确定基线的系统误差，并选用澳大利亚北部的一个植被稀少的极平坦地区作为试验区进行定标，其基线定标精度可达1-2mm，实现绝对高程精度优于10m的目标。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种高程误差估计方法、装置、电子设备及存储介质，除了测量设备上的误差外，还考虑分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和信噪比去相干引入的参考高程误差，使得估计的最终高程误差更准确。

为实现上述目的，本申请实施例第一方面提供一种高程误差估计方法，包括：

获取测量设备上的误差；

计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差，以及，计算信噪比去相干引入的参考高程误差；

根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差。

可选的，所述计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差包括：

测量所述分布目标在定标场土壤的介电常数ε，以及L波段的微波波长λ；

使用乌拉比穿透深度模型，将电磁波在有损介质中的穿透深度L_p定义为电磁波功率从介质表面到其功率衰减到1/e时的深度，根据所述定标场土壤的介电常数ε，所述L波段的微波波长λ，计算所述穿透深度L_p，并将所述穿透深度L_p作为所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差Δh_errPen；

其中，所述介电常数ε为复数，ε′为所述介电常数的实部，ε″为所述介电常数的虚部，则：

可选的，所述计算信噪比去相干引入的参考高程误差包括：

根据预设的γ-f后向散射模型σ⁰＝γ·af^b·sin(θ+c)，得到后向散射系数σ⁰，其中，f为工作频率，θ为入射余角，a，b，c，γ均为基于统计方法得到的系数；

获取噪声等效后的向散射系数NEσ⁰，将所述后向散射系数σ⁰减去所述噪声等效后的向散射系数NEσ⁰，得到信噪比SNR；

根据所述信噪比SNR，计算信噪比去相干γ_SNR，其中，

根据所述计算信噪比去相干γ_SNR，计算所述信噪比相干引入的相位误差σ_φ，其中，

根据所述σ_φ，计算所述信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_errSNR，其中，r是到分布目标的斜距，θ_i是相对于分布目标位置处的最低点矢量的入射角，λ是L波段的微波波长，B_⊥垂直于视线的基线矢量的分量。

可选的，所述根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差包括：

其中，Δh_err为最终高程误差，ΔB_||err为平行视线的基线误差，Δφ为与平行视线的基线误差ΔB_||err相对应的相位偏移，Δh_errMea为所述测量设备上的误差，

本申请实施例第二方面提供一种高程误差估计装置，包括：

获取模块，用于获取测量设备上的误差；

第一计算模块，用于计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差；

第二计算模块，用于计算信噪比去相干引入的参考高程误差；

估计模块，用于根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差。

可选的，所述第一计算模块包括：

测量子模块，用于测量所述分布目标在定标场土壤的介电常数ε，以及L波段的微波波长λ；

第一计算子模块，用于使用乌拉比穿透深度模型，将电磁波在有损介质中的穿透深度L_p定义为电磁波功率从介质表面到其功率衰减到1/e时的深度，根据所述定标场土壤的介电常数ε，所述L波段的微波波长λ，计算所述穿透深度L_p，并将所述穿透深度L_p作为所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差Δh_errPen；

其中，所述介电常数ε为复数，ε′为所述介电常数的实部，ε″为所述介电常数的虚部，则：

可选的，所述第二计算模块包括：

根据预设的γ-f后向散射模型σ⁰＝γ·af^b·sin(θ+c)，得到后向散射系数σ⁰，其中，f为工作频率，θ为入射余角，a，b，c，γ均为基于统计方法得到的系数；

获取噪声等效后的向散射系数NEσ⁰，将所述后向散射系数σ⁰减去所述噪声等效后的向散射系数NEσ⁰，得到信噪比SNR；

根据所述信噪比SNR，计算信噪比相干γ_SNR，其中，

根据所述计算信噪比去相干γ_SNR，计算所述信噪比去相干引入的相位误差σ_φ，其中，

根据所述σ_φ，计算所述信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_errSNR，其中，r是到分布目标的斜距，θ_i是相对于分布目标位置处的最低点矢量的入射角，λ是L波段的微波波长，B_⊥垂直于视线的基线矢量的分量。

可选的，所述根据所述测量设备上的误差，所述估计模块包括：

其中，Δh_err为最终高程误差，ΔB_||err为平行视线的基线误差，Δφ为与平行视线的基线误差ΔB_||err相对应的相位偏移，Δh_errMea为所述测量设备上的误差，

本申请实施例第三方面提供了一种电子设备，包括：

存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现本申请实施例第一方面提供的高程误差估计方法。

本申请实施例第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请实施例第一方面提供的高程误差估计方法。

本申请可实现以下有益效果：

(1)本申请通过对传统分布目标基线定标方法中存在的额外参考高程误差进行预估，有益于进一步提出基于穿透校正的改进基线定标方法和定标场的设计准则，获取更高精度的数字高程模型。

(2)本申请拓宽了分布目标极限定标方法适用的频带范围，对低频带(例如L波段)仍旧适用。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的高程误差估计方法的流程示意图；

图2为本申请一实施例提供的最终高程误差的组成示意图；

图3a为本申请一实施例提供的介电常数实部仿真图；

图3b为本申请一实施例提供的介电常数虚部仿真图；

图4为本申请一实施例提供的γ-f后向散射系数模型，L波段信噪比去相干引起的参考高程误差仿真图；

图5为本申请一实施例提供的高程误差估计装置的结构示意图；

图6示出了一种电子设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请一实施例提供的高程误差估计方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

S101、获取测量设备上的误差；

S102、计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差，以及，计算信噪比去相干引入的参考高程误差；

S103、根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差。

具体的，首先分析L波段基线误差影响机理。基线测量误差可分解为沿航向基线误差、垂直视线基线误差和平行视线基线误差三个分量，其中平行于视线的基线误差ΔB_||err是对最终高程误差影响最大的基线误差分量，其产生的高程误差Δh_err为：

其中λ是波长，H_amb是代表系统高度灵敏度的模糊高度，模糊高度等于一个条纹(2π)的相位变化，可以表示为：

其中r是到目标的斜距，θ_i是相对于目标位置处的最低点矢量的入射角，λ是波长，B_⊥垂直于视线的基线矢量的分量。

将(2)式带入(1)式中可得：

如果采用LT-1的系统参数计算，并假定入射角θ_i为20°，基线倾角为-10°到10°，斜距约为642km，B_⊥约为2km～694m，则由平行于视线的基线误差产生的高程误差将达到米级。

然后，结合编队InSAR系统基线误差源和特性，参考TanDEM-X系统基线定标模型，结合L波段的波段特性，建立L波段基线定标模型。由上述误差分析可知，影响高程精度的基线误差主要是垂直于航向的平面中的基线偏差ΔB_bias，包括平行于视线的基线误差ΔB_||err和垂直于视线的基线误差ΔB_⊥。下面将推导ΔB_||err，对于给定的具有精确高程参考区域上的原始数字高程模型，可以通过干涉测量来估计每次采集时的平行于视线的基线误差ΔB_||err。将测得参考数字高程模型和原始数字高程模型的高度差带入式(3)，计算ΔB_||err。为了描述这种复杂的关系，引入了下面的高程误差估计方法，最终高程误差的组成如图2所示。

故ΔB_||err可表示成以下形式：

其中，Δh_errMea为测量设备上的误差，Δh_errPen为分布目标的穿透特性引入的参考高程误差，Δh_errSNR为信噪比去相干引入的参考高程误差，Δφ为与平行视线的基线误差，ΔB_||err相对应的相位偏移。

然后，使用利用乌拉比穿透深度模型对分布目标在L波段引入的穿透深度L_p进行计算，将穿透深度L_p作为分布目标的穿透特性引入的参考高程误差Δh_errPen。

乌拉比穿透深度模型将电磁波在有损介质中的穿透深度L_p定义为电磁波功率从介质表面到其功率衰减到1/e时的深度。当介质的介电常数满足则穿透深度L_p的公式如下：

其中：λ为微波波长(cm)，如图3a和3b所示，ε′，ε″分别为土壤复介电常数的实部和虚部。由上式可知要想测量L波段在定标场的穿透深度，必先测量定标场土壤的介电常数。LT-1项目中定标场拟选在新疆的平坦沙地，在本公开仿真实验中对沙地的介电常数进行仿真。将图3中介电常数带入(5)式计算得到L波段在定标场仿真穿透深度为L_p＝0.904m。

然后，利用γ-f后向散射系数模型，以及修正后的Morchin后向散射系数模型对定标场地后向散射系数σ⁰进行计算。

γ-f后向散射模型是一种能够反映雷达频率、入射角度和地形种类对地杂波反射率影响的后向散射模型，γ-f模型表达式为：

其中，f为工作频率，其单位为GHz；θ为入射余角或者称为擦地角。而a，b，c，γ均为基于统计方法得到的系数。

后向散射系数σ⁰的差异会产生一个难以忽略的信噪比，从而产生一个相干系数的误差，导致测量相位的误差，从而产生信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_errSNR。具体过程将在下面进行推导。后向散射系数σ⁰与信噪比之间的关系可由下式表示：

SNR(dB)＝σ⁰(dB)-NEσ⁰(dB)， (7)

其中，SNR表示信噪比，NEσ⁰表示噪声等效后向散射系数，这是一个十分有用的参数代表了接收能量等于热噪声能量时的后向散射系数σ⁰，在仿真过程中假设NEσ⁰的值为-28dB。

信噪比是影响干涉图像的相干性重要因素，信噪比差会带来信噪比去相干，去相干越严重，则干涉相位误差越大，相应的干涉高程测量误差也会变大，信噪比去相干γ_SNR可以由以下方程表示：

而信噪比去相干γ_SNR与干涉相位误差σ_φ之间的关系如下：

最后，由干涉相位误差σ_φ引起的信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_errSNR为：

采用24倍多视，可以得到信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_errSNR，如图4所示，最大可达0.922m。

将计算得出的分布目标的穿透特性引入的参考高程误差Δh_errPen、信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_errSNR，以及Δh_errMea为所述测量设备上的误差带入式(4)，得到最终高程误差，自此，就完成了对L波段星载编队InSAR分布目标基线定标参考高程误差的估计。

请参阅图5，图5是本申请一实施例提供的高程误差估计装置的结构示意图，该装置主要包括：

获取模块501，用于获取测量设备上的误差；

第一计算模块502，用于计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差；

第二计算模块503，用于计算信噪比去相干引入的参考高程误差；

估计模块504，用于根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差。

在本公开其中一个实施例中，所述第一计算模块502包括：

测量子模块，用于测量所述分布目标在定标场土壤的介电常数ε，以及L波段的微波波长λ；

第一计算子模块，用于使用乌拉比穿透深度模型，将电磁波在有损介质中的穿透深度L_p定义为电磁波功率从介质表面到其功率衰减到1/e时的深度，根据所述定标场土壤的介电常数ε，所述L波段的微波波长λ，计算所述穿透深度L_p，并将所述穿透深度L_p作为所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差Δh_errPen；

其中，所述介电常数ε为复数，ε′为所述介电常数的实部，ε″为所述介电常数的虚部，则：

在本公开其中一个实施例中，所述第二计算模块503包括：

根据预设的γ-f后向散射模型σ⁰＝γ·af^b·sin(θ+c)，得到后向散射系数σ⁰，其中，f为工作频率，θ为入射余角，a，b，c，γ均为基于统计方法得到的系数；

获取噪声等效后的向散射系数NEσ0，将所述后向散射系数σ⁰减去所述噪声等效后的向散射系数NEσ⁰，得到信噪比SNR；

根据所述信噪比SNR，计算信噪比相干γ_SNR，其中，

根据所述计算信噪比去相干γ_SNR，计算所述信噪比去相干引入的相位误差σ_φ，其中，

根据所述σ_φ，计算所述信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_errSNR，其中，r是到分布目标的斜距，θ_i是相对于分布目标位置处的最低点矢量的入射角，λ是L波段的微波波长，B_⊥垂直于视线的基线矢量的分量。

在本公开其中一个实施例中，所述估计模块504包括：

其中，Δh_err为最终高程误差，ΔB_||err为平行视线的基线误差，Δφ为与平行视线的基线误差ΔB_||err相对应的相位偏移，Δh_errMea为所述测量设备上的误差，

请参见图6，图6示出了一种电子设备的硬件结构图。

本实施例中所描述的电子设备，包括：

存储器61、处理器62及存储在存储器61上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该程序时实现前述图1所示实施例中描述的高程误差估计方法。

进一步地，该电子设备还包括：

至少一个输入设备63；至少一个输出设备64。

上述存储器61、处理器62输入设备63和输出设备64通过总线65连接。

其中，输入设备63具体可为摄像头、触控面板、物理按键或者鼠标等等。输出设备64具体可为显示屏。

存储器61可以是高速随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)存储器，也可为非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器61用于存储一组可执行程序代码，处理器62与存储器61耦合。

进一步地，本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是设置于上述各实施例中的电子设备中，该计算机可读存储介质可以是前述图5所示实施例中的电子设备。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述图1所示实施例中描述的高程误差估计方法。进一步地，该计算机可存储介质还可以是U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，在本公开各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种高程误差估计方法、装置、电子设备及存储介质的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种高程误差估计方法，其特征在于，包括：

获取测量设备上的误差；

计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差，以及，计算信噪比去相干引入的参考高程误差；

根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差；

所述计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差包括：

测量所述分布目标在定标场土壤的介电常数ε，以及L波段的微波波长λ；

使用乌拉比穿透深度模型，将电磁波在有损介质中的穿透深度L_p定义为电磁波功率从介质表面到其功率衰减到1/e时的深度，根据所述定标场土壤的介电常数ε，所述L波段的微波波长λ，计算所述穿透深度Lp，并将所述穿透深度L_p作为所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差Δh_errPen；

其中，所述介电常数ε为复数，ε′为所述介电常数的实部，ε″为所述介电常数的虚部，则：

所述计算信噪比去相干引入的参考高程误差包括：

根据预设的γ-f后向散射模型σ⁰＝γ·af^b·sin(θ+c)，得到后向散射系数σ⁰，其中，f为工作频率，θ为入射余角，a，b，c，γ均为基于统计方法得到的系数；

获取噪声等效后向散射系数NEσσ⁰，将所述后向散射系数σ⁰减去所述噪声等效后向散射系数NEσσ⁰，得到信噪比SNR；

根据所述信噪比SNR，计算信噪比去相干γ_SNR，其中，

根据所述计算信噪比去相干γ_SNR，计算所述信噪比相干引入的相位误差σ_φ，其中，

根据所述σ_φ，计算所述信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_erSNR，其中，r是到分布目标的斜距，θ_i是相对于分布目标位置处的最低点矢量的入射角，λ是L波段的微波波长，B_⊥垂直于视线的基线矢量的分量；

所述根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差包括：

其中，Δh_err为最终高程误差，ΔB_||err为平行视线的基线误差，Δφ为与平行视线的基线误差ΔB_||err相对应的相位偏移，Δh_errMea为所述测量设备上的误差，

2.一种高程误差估计装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取测量设备上的误差；

第一计算模块，用于计算分布目标的穿透特性引入的参考高程误差；

第二计算模块，用于计算信噪比去相干引入的参考高程误差；

估计模块，用于根据所述测量设备上的误差，所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差和所述信噪比去相干引入的参考高程误差，估计最终高程误差；

所述第一计算模块包括：

测量子模块，用于测量所述分布目标在定标场土壤的介电常数ε，以及L波段的微波波长λ；

第一计算子模块，用于使用乌拉比穿透深度模型，将电磁波在有损介质中的穿透深度L_p定义为电磁波功率从介质表面到其功率衰减到1/e时的深度，根据所述定标场土壤的介电常数ε，所述L波段的微波波长λ，计算所述穿透深度L_p，并将所述穿透深度L_p作为所述分布目标的穿透特性引入的参考高程误差Δh_errPen；

其中，所述介电常数ε为复数，ε′为所述介电常数的实部，ε″为所述介电常数的虚部，则：

所述第二计算模块包括：

根据预设的γ-f后向散射模型σ⁰＝γ·af^b·sin(θ+c)，得到后向散射系数σ⁰，其中，f为工作频率，θ为入射余角，a，b，c，γ均为基于统计方法得到的系数；

获取噪声等效后向散射系数NEσ⁰，将所述后向散射系数σ⁰减去所述噪声等效后向散射系数NEσ⁰，得到信噪比SNR；

根据所述信噪比SNR，计算信噪比相干γ_SNR，其中，

根据所述计算信噪比去相干γ_SNR，计算所述信噪比去相干引入的相位误差σ_φ，其中，

根据所述σ_φ，计算所述信噪比去相干引入的参考高程误差Δh_errSNR，其中，r是到分布目标的斜距，θ_i是相对于分布目标位置处的最低点矢量的入射角，λ是L波段的微波波长，B_⊥垂直于视线的基线矢量的分量；

所述根据所述测量设备上的误差，所述估计模块包括：

其中，Δh_err为最终高程误差，ΔB_||err为平行视线的基线误差，Δφ为与平行视线的基线误差ΔB_||err相对应的相位偏移，Δh_errMea为所述测量设备上的误差，

3.一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1所述的高程误差估计方法中的各个步骤。

4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1所述的高程误差估计方法中的各个步骤。