CN113093190B - 基于高精度组合惯导系统的机载条带sar图像定位方法 - Google Patents

基于高精度组合惯导系统的机载条带sar图像定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：(1)获取成像和坐标转换参数；(2)进行雷达内部延时定标；(3)选取成像地理区域；(4)进行高斯平面直角坐标到SAR图像坐标的反向定位；(5)进行图像地理编码。本发明利用SAR成像中间参数精确计算强点目标与成像参考轨迹间的最近斜距，有效校正了雷达系统的内部延时，而且该项校正对于一个雷达系统在系统参数不变的情况下，只需要校正一次，极大地提升了SAR图像的定位精度；将斜视和外部高程因素完美地融合在整个推导过程中，定位精度主要取决于外部高程的精度，模型本身引入的定位误差极小。

Description

基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法。
背景技术
SAR图像目标定位方法主要分为有控制点方法和无控制点方法两类。其中，有控制点方法包括多项式法和共线方程法，但由于地面控制点难以获得，此类方法的应用受到了很大限制；无控制点方法因此得到了广泛的应用。无控制点方法主要基于距离-多普勒(RD)模型。R-D模型定位使用斜距方程、多普勒方程以及地球椭球模型方程解算雷达与目标之间的位置关系。这种算法完全从SAR成像几何出发与SAR成像过程有机结合，已经成为SAR定位最常用的定位方法。
尤红建等人对机载SAR直接定位的精度进行了分析，指出影响定位精度的主要因素之一为平台运动参数，参考：“尤红建,丁赤彪,向茂生，机载高分辨率SAR图像直接对地定位原理及精度分析，武汉大学学报·信息科学版，2005，30(8):712–715.”；孙文峰等人提出了一种新几何校正和定位的距离多普勒算法，这种方法仅适用于相对定位，参考“孙文峰，陈安，邓海涛等，一种新的机载SAR图像几何校正和定位算法，电子学报，2007(3)：553-556.”；张耀天等人研究了无控制点的机载SAR图像直接定位算法，参考：“张耀天,孙进平,毛士艺，机载SAR图像直接定位算法研究，信号处理，2009，25(4):669–673.”；宋占军等人提出了一种利用少量控制点修正斜距测量误差的间接定位算法，参考“宋占军，张继贤，黄国满等，基于斜距测量误差改正的机载SAR间接定位方法研究，遥感信息，2011(4)：23-27.”；王丁等人结合DEM的间接定位方法并对图像间接定位过程中的若干影响因素进行讨论和分析，参考“王丁，刘爱芳，夏雪，基于距离多普勒间接定位的误差模型，电子测量技术，2018，41(21)：139-144.”。
上述定位模型都有一个共同点，就是定位精度不高，有些方法还需要一个或多个外部控制点提高定位精度。而对于机载条带SAR图像，在雷达系统提供高精度组合惯导并且图像聚焦良好的情况下，雷达相位中心与目标间的关系可以通过成像几何关系严格推导出来。另外，雷达系统参数的误差，尤其是雷达斜距的误差直接影响了目标定位的精度。雷达斜距误差主要由雷达内部延时引起，对于一般的机载SAR系统，该误差一般在百米量级，投影到地距上，将会引起近距和远距端目标定位误差的差异。而且，雷达内部延时在不调整雷达系统参数的情况下一段时间内基本不变，不需要重复校正。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够极大地提升SAR图像定位精度的基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)获取成像和坐标转换参数；
(2)进行雷达内部延时定标；
(3)选取成像地理区域；
(4)进行高斯平面直角坐标到SAR图像坐标的反向定位；
(5)进行图像地理编码。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
在未作外定标前，利用雷达系统提供的最近斜距Rnear0进行成像，成像完成后，输出以下参数用于SAR图像的斜距外定标和坐标变换：
L0为高斯平面直角坐标系的本地中央经线；
X0为GPS实际轨迹的第一个脉冲在高斯平面直角坐标系中的X坐标；
Y0为GPS实际轨迹的第一个脉冲在高斯平面直角坐标系中的Y坐标；
Figure GDA0004218704690000021
为GPS参考轨迹相对于正北方向的夹角；
yGPS为利用GPS天线位置即组合惯导测量值拟合的直线的截距，所述直线为参考轨迹；
yAPC为载机本体坐标系下，天线相位中心APC相对于GPS天线的y坐标；
xAPC为载机本体坐标系下，天线相位中心APC相对于GPS天线的x坐标；
Hsar为天线相位中心APC参考轨迹中天线相位中心APC的参考高程；
Posux0为天线相位中心APC参考轨迹中第一个脉冲的天线相位中心APC位置的x坐标；
binA为天线相位中心APC参考轨迹中相邻脉冲间的方位间隔，对于一幅SAR图像，该值为常数；
binR为SAR图像斜距向的采样间隔；
β为SAR成像的斜视角；
Figure GDA0004218704690000031
为SAR图像定标前的最近斜距。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2a)在SAR图像中找到角反或强点目标的行列值(mCR，nCR)，根据该值和成像参数通过式(1)计算该点处的斜距RCR0：
RCR0＝Rnear0+nCR×binR (1)
式中，mCR是目标在图像方位向的像元位置，nCR是目标在图像距离向的像元位置，
Figure GDA0004218704690000032
为SAR系统提供的图像最近斜距；
(2b)计算该角反或强点相对于APC参考轨迹的最近斜距，包括以下步骤：
(2b1)将角反或强点目标的经纬度转为高斯平面直角坐标系(XCR,YCR)，L0为其本地中央经线；
(2b2)利用式(2)将角反或强点目标的高斯平面直角坐标系转换为载机本体坐标系，坐标原点在天线相位中心：
Figure GDA0004218704690000033
其中，hCR是角反或强点目标的高度，(xCR,yCR,zCR)是角反或强点目标在载机本体坐标系中的坐标；XCR、YCR是角反或强点目标的高斯平面直角坐标；
(2b3)利用式(3)计算角反或强点目标相对于APC参考轨迹的最近斜距RCR,min：
Figure GDA0004218704690000034
(2c)根据成像的斜视角β利用式(4)计算角反或强点目标的实际斜距RCR：
RCR＝RCR,min/cosβ (4)
(2d)将通过几何关系计算出的目标斜距与通过图像测量出的目标斜距相减，得到与雷达内部延时等效的斜距dR＝RCR-RCR0，实际SAR系统给出的最近斜距需要加上校正量dR才能获得真实的最近斜距Rnear：
Rnear＝Rnear0+dR (5)。
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)将图像四个角点的经纬度坐标转换为高斯平面直角坐标,中央经线为L0,获得横坐标的最大值Xmax和最小值Xmin,纵坐标的最大值Ymax和最小值Ymin；
(3b)确定地理编码后的SAR图像的采样间隔,这里设与SAR图像距离向采样间隔binR一致,确定地理编码后SAR图像横轴和纵轴的像元数Nx和Ny：
Figure GDA0004218704690000041
其中,[.]表示取整；
(3c)编码后图像左下角像元的高斯平面直角坐标为(Xmin,Ymin),则图像中任意格网单元(i,j)处的高斯平面直角坐标(X,Y)为：
Figure GDA0004218704690000042
其中,i＝0,1,2,…Nx-1,j＝0,1,2,…Ny-1。
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4a)根据成像参数和地理编码图中每个格网单元的高斯平面直角坐标(X，Y)，利用式(8)计算得到目标在载机本体坐标系下的坐标(x,y,z)：
Figure GDA0004218704690000043
其中，h是该格网单元点的高程；
(4b)将目标在载机本体坐标系下的坐标(x，y)通过式(9)变换到图像坐标系中：
Figure GDA0004218704690000051
其中，(m，n)是SAR图像中目标的方位向和距离向像元位置坐标，R是目标的斜距，θ是目标本地视角，并且有：
Figure GDA0004218704690000052
R＝Rnear+n×binR (11)
其中，Rnear是经过校正后的SAR系统最近斜距；
(4c)利用双线性插值方法得到SAR图像坐标(m，n)处较为准确的幅度值；
(4d)将得到的幅度值赋值给地理编码图中相应的格网单元；若(m，n)超出图像范围，则地理编码图中相应格网单元的幅度值置零；
(4e)重复步骤(4a)至步骤(4d)，直至遍历完所有Nx×Ny像元。
所述步骤(5)具体是指：将步骤(4)生成的图像的每个格网位置的高斯平面直角坐标(X,Y)转换为经纬度坐标，从而完成SAR图像的定位计算。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明利用SAR成像中间参数精确计算强点目标与成像参考轨迹间的最近斜距，有效校正了雷达系统的内部延时，而且该项校正对于一个雷达系统在系统参数不变的情况下，只需要校正一次，极大地提升了SAR图像的定位精度；第二，在深入理解SAR成像原理的基础上，跳出传统R-D定位模型的限制，利用成像过程中的中间变量完整恢复SAR成像几何关系，推演得到了最终SAR图像坐标与大地坐标之间严格的关系式；第三，将斜视和外部高程因素完美地融合在整个推导过程中，定位精度主要取决于外部高程的精度，模型本身引入的定位误差极小。
附图说明
图1是高斯平面直角坐标与载机本体坐标系转换关系示意图；
图2是成像参数几何关系示意图；
图3是本发明的方法流程图；
图4是SAR系统和成像参数；
图5是地理编码前的SAR图像；
图6是地理编码后的SAR图像；
图7是检查点分布情况示意图；
图8是实测SAR图像平面定位精度比较表；
图9是定位精度评测分析表。
具体实施方式
如图3所示，一种基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)获取成像和坐标转换参数；
(2)进行雷达内部延时定标；
(3)选取成像地理区域；
(4)进行高斯平面直角坐标到SAR图像坐标的反向定位；
(5)进行图像地理编码。
所述步骤(1)具体包括以下步骤：
机载SAR成像过程中，坐标系关系和成像几何参数关系分别见图1和图2。在图1中，X-Y为高斯平面直角坐标系，X轴指向正北，Y轴指向正东，x-y为载机本体坐标系，x的正方向为载机飞行参考轨迹的方向，z轴垂直水平面向下，y向右并与x、z轴垂直。在未作外定标前，利用雷达系统提供的最近斜距Rnear0进行成像，成像完成后，输出以下参数用于SAR图像的斜距外定标和坐标变换：
L0为高斯平面直角坐标系的本地中央经线；
X0为GPS实际轨迹的第一个脉冲在高斯平面直角坐标系中的X坐标；
Y0为GPS实际轨迹的第一个脉冲在高斯平面直角坐标系中的Y坐标；
Figure GDA0004218704690000071
为GPS参考轨迹相对于正北方向的夹角；
yGPS为利用GPS天线位置即组合惯导测量值拟合的直线的截距，所述直线为参考轨迹；
yAPC为载机本体坐标系下，天线相位中心APC相对于GPS天线的y坐标；
xAPC为载机本体坐标系下，天线相位中心APC相对于GPS天线的x坐标；
Hsar为天线相位中心APC参考轨迹中天线相位中心APC的参考高程；
Posux0为天线相位中心APC参考轨迹中第一个脉冲的天线相位中心APC位置的x坐标；
binA为天线相位中心APC参考轨迹中相邻脉冲间的方位间隔，对于一幅SAR图像，该值为常数；
binR为SAR图像斜距向的采样间隔；
β为SAR成像的斜视角；
Figure GDA0004218704690000072
为SAR图像定标前的最近斜距。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2a)在SAR图像中找到角反或强点目标的行列值(mCR，nCR)，根据该值和成像参数通过式(12)计算该点处的斜距RCR0：
RCR0＝Rnear0+nCR×binR (12)
式中，mCR是目标在图像方位向的像元位置，nCR是目标在图像距离向的像元位置，
Figure GDA0004218704690000073
为SAR系统提供的图像最近斜距；
(2b)计算该角反或强点相对于APC参考轨迹的最近斜距，包括以下步骤：
(2b1)将角反或强点目标的经纬度转为高斯平面直角坐标系(XCR,YCR)，L0为其本地中央经线；
(2b2)利用式(13)将角反或强点目标的高斯平面直角坐标系转换为载机本体坐标系，坐标原点在天线相位中心：
Figure GDA0004218704690000074
其中，hCR是角反或强点目标的高度，(xCR,yCR,zCR)是角反或强点目标在载机本体坐标系中的坐标；XCR、YCR是角反或强点目标的高斯平面直角坐标；
(2b3)利用式(14)计算角反或强点目标相对于APC参考轨迹的最近斜距RCR,min：
Figure GDA0004218704690000081
(2c)根据成像的斜视角β利用式(15)计算角反或强点目标的实际斜距RCR：
RCR＝RCR,min/cosβ (15)
(2d)将通过几何关系计算出的目标斜距与通过图像测量出的目标斜距相减，得到与雷达内部延时等效的斜距dR＝RCR-RCR0，实际SAR系统给出的最近斜距需要加上校正量dR才能获得真实的最近斜距Rnear：
Rnear＝Rnear0+dR (16)。
所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)将图像四个角点的经纬度坐标转换为高斯平面直角坐标,中央经线为L0,获得横坐标的最大值Xmax和最小值Xmin,纵坐标的最大值Ymax和最小值Ymin；
(3b)确定地理编码后的SAR图像的采样间隔,这里设与SAR图像距离向采样间隔binR一致,确定地理编码后SAR图像横轴和纵轴的像元数Nx和Ny：
Figure GDA0004218704690000082
其中,[.]表示取整；
(3c)编码后图像左下角像元的高斯平面直角坐标为(Xmin,Ymin),则图像中任意格网单元(i,j)处的高斯平面直角坐标(X,Y)为：
Figure GDA0004218704690000091
其中,i＝0,1,2,…Nx-1,j＝0,1,2,…Ny-1。
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4a)根据成像参数和地理编码图中每个格网单元的高斯平面直角坐标(X，Y)，利用式(19)计算得到目标在载机本体坐标系下的坐标(x,y,z)：
Figure GDA0004218704690000092
其中，h是该格网单元点的高程；
(4b)将目标在载机本体坐标系下的坐标(x，y)通过式(20)变换到图像坐标系中：
Figure GDA0004218704690000093
其中，(m，n)是SAR图像中方位向和距离向像元位置坐标，θ是目标本地视角，并且有：
Figure GDA0004218704690000094
R＝Rnear+n×binR(22)
其中，Rnear是经过校正后的SAR系统最近斜距；
(4c)利用双线性插值方法得到SAR图像坐标(m，n)处较为准确的幅度值；
(4d)将得到的幅度值赋值给地理编码图中相应的格网单元；若(m，n)超出图像范围，则地理编码图中相应格网单元的幅度值置零；
(4e)重复步骤(4a)至步骤(4d)，直至遍历完所有Nx×Ny像元。
所述步骤(5)具体是指：将步骤(4)生成的图像的每个格网位置的高斯平面直角坐标(X,Y)转换为经纬度坐标，从而完成SAR图像的定位计算。
实施例一
以P波段机载SAR图像定位为例说明上述方法的有效性。SAR系统的参数见图4，图5是定位前的P波段SAR幅度图像。利用图3所示的方法进行定位处理，得到地理编码后的SAR图像，见图6。寻找了第三方单位实地抽样检查确定定位精度，检查的面积约20～25平方公里，检查点分布情况如图7所示。图8是各个检查点上实测坐标和计算坐标的比较。误差计算公式如下：
Figure GDA0004218704690000101
图9是精度评测结果，可以看到利用所述发明进行计算，平面定位精度达到3.3米。
综上所述，本发明利用SAR成像中间参数精确计算强点目标与成像参考轨迹间的最近斜距，有效校正了雷达系统的内部延时，而且该项校正对于一个雷达系统在系统参数不变的情况下，只需要校正一次，极大地提升了SAR图像的定位精度。

Claims (4)

1.一种基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：
(1)获取成像和坐标转换参数；
具体操作如下：
在未作外定标前，利用雷达系统提供的最近斜距Rnear0进行成像，成像完成后，输出以下参数用于SAR图像的斜距外定标和坐标变换：
L0为高斯平面直角坐标系的本地中央经线；
X0为GPS实际轨迹的第一个脉冲在高斯平面直角坐标系中的X坐标；
Y0为GPS实际轨迹的第一个脉冲在高斯平面直角坐标系中的Y坐标；
Figure QLYQS_1
为GPS参考轨迹相对于正北方向的夹角；
yGPS为利用GPS天线位置即组合惯导测量值拟合的直线的截距，所述直线为参考轨迹；
yAPC为载机本体坐标系下，天线相位中心APC相对于GPS天线的y坐标；
xAPC为载机本体坐标系下，天线相位中心APC相对于GPS天线的x坐标；
Hsar为天线相位中心APC参考轨迹中天线相位中心APC的参考高程；
Posux0为天线相位中心APC参考轨迹中第一个脉冲的天线相位中心APC位置的x坐标；
binA为天线相位中心APC参考轨迹中相邻脉冲间的方位间隔，对于一幅SAR图像，该值为常数；
binR为SAR图像斜距向的采样间隔；
β为SAR成像的斜视角；
Figure QLYQS_2
为SAR图像定标前的最近斜距；
(2)进行雷达内部延时定标；
具体操作如下：
(2a)在SAR图像中找到角反或强点目标的行列值(mCR，nCR)，根据该值和成像参数通过式(1)计算该点处的斜距RCR0：
RCR0＝Rnear0+nCR×binR (1)
式中，mCR是目标在图像方位向的像元位置，nCR是目标在图像距离向的像元位置，
Figure QLYQS_3
为SAR系统提供的图像最近斜距；
(2b)计算该角反或强点相对于APC参考轨迹的最近斜距，包括以下步骤：
(2b1)将角反或强点目标的经纬度转为高斯平面直角坐标系(XCR,YCR)，L0为其本地中央经线；
(2b2)利用式(2)将角反或强点目标的高斯平面直角坐标系转换为载机本体坐标系，坐标原点在天线相位中心：
Figure QLYQS_4
其中，hCR是角反或强点目标的高度，(xCR,yCR,zCR)是角反或强点目标在载机本体坐标系中的坐标；XCR、YCR是角反或强点目标的高斯平面直角坐标；
(2b3)利用式(3)计算角反或强点目标相对于APC参考轨迹的最近斜距RCR,min：
Figure QLYQS_5
(2c)根据成像的斜视角β利用式(4)计算角反或强点目标的实际斜距RCR：
RCR＝RCR,min/cosβ (4)
(2d)将通过几何关系计算出的目标斜距与通过图像测量出的目标斜距相减，得到与雷达内部延时等效的斜距dR＝RCR-RCR0，实际SAR系统给出的最近斜距需要加上校正量dR才能获得真实的最近斜距Rnear：
Rnear＝Rnear0+dR (5)；
(3)选取成像地理区域；
(4)进行高斯平面直角坐标到SAR图像坐标的反向定位；
(5)进行图像地理编码。
2.根据权利要求1所述的基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3a)将图像四个角点的经纬度坐标转换为高斯平面直角坐标,中央经线为L0,获得横坐标的最大值Xmax和最小值Xmin,纵坐标的最大值Ymax和最小值Ymin；
(3b)确定地理编码后的SAR图像的采样间隔,这里设与SAR图像距离向采样间隔binR一致,确定地理编码后SAR图像横轴和纵轴的像元数Nx和Ny：
Figure QLYQS_6
其中,[.]表示取整；
(3c)编码后图像左下角像元的高斯平面直角坐标为(Xmin,Ymin),则图像中任意格网单元(i,j)处的高斯平面直角坐标(X,Y)为：
Figure QLYQS_7
其中,i＝0,1,2,…Nx-1,j＝0,1,2,…Ny-1。
3.根据权利要求1所述的基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4a)根据成像参数和地理编码图中每个格网单元的高斯平面直角坐标(X，Y)，利用式(8)计算得到目标在载机本体坐标系下的坐标(x,y,z)：
Figure QLYQS_8
其中，h是该格网单元点的高程；
(4b)将目标在载机本体坐标系下的坐标(x，y)通过式(9)变换到图像坐标系中：
Figure QLYQS_9
其中，(m，n)是SAR图像中目标的方位向和距离向像元位置坐标，R是目标的斜距，θ是目标本地视角，并且有：
Figure QLYQS_10
R＝Rnear+n×binR (11)
其中，Rnear是经过校正后的SAR系统最近斜距；
(4c)利用双线性插值方法得到SAR图像坐标(m，n)处较为准确的幅度值；
(4d)将得到的幅度值赋值给地理编码图中相应的格网单元；若(m，n)超出图像范围，则地理编码图中相应格网单元的幅度值置零；
(4e)重复步骤(4a)至步骤(4d)，直至遍历完所有Nx×Ny像元。
4.根据权利要求1所述的基于高精度组合惯导系统的机载条带SAR图像定位方法，其特征在于：所述步骤(5)具体是指：将步骤(4)生成的图像的每个格网位置的高斯平面直角坐标(X,Y)转换为经纬度坐标，从而完成SAR图像的定位计算。
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