CN113960545B - 基于对称几何构型约束的星载sar无场几何定标方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法及其系统，与现有技术相比解决了星载SAR卫星需在地面控制数据依赖情况下才能实现系统误差参数自标定的缺陷。本发明包括以下步骤：获取对称几何构型影像对；计算距离多普勒几何定位模型参数；建立几何定位模型；进行无场几何定标准备工作；星载SAR无场几何定标的完成。本发明在无需几何定标场依赖下实现星载SAR高精度几何定标，实现与传统星载SAR几何定标相当的精度。

Description

基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法及其 系统

技术领域

本发明涉及星载合成孔径雷达影像几何处理领域，具体来说是基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法及其系统。

背景技术

传统星载SAR几何定标方法基于距离多普勒几何定位模型，应用高精度地面控制数据(如角反射器、外业测量测量GPS控制点)对影响几何定位模型的系统性误差进行标定，以此提升SAR影像几何质量。国外，在传统几何定标方法发展成熟，意大利的COSMO-SkyMed卫星，利用分布在意大利境内的4个定标场和阿根廷境内的1个定标场对其单视斜距复数影像产品进行了几何定标和几何精度验证，条带模式影像的无控平面定位精度达到3m，聚束模式单片无控制点平面定位精度达到1m；德国发射的TerraSAR-X卫星，利用德国南部建设的120km×40km区域内布设的30个点目标进行了几何定标，定标结果表明，绝对定位精度方位向0.5m、距离向0.3m。德国发射的TanDEM-X卫星(2010年)、欧空局发射的Sentinel-1A(2014年)和Sentinel-1B卫星(2016年)的几何定标工作由TerraSAR-X卫星的定标团队负责，继续沿用TerraSAR-X卫星的相关场地几何定标技术，取得了很好的效果。国内，研究者利用嵩山定标场数据对遥感二十九号(2015年)、高分三号(2016年)开展几何定标工作研究，有效将几何定位精度提升至优于5m。

传统的星载SAR几何定标，定标数据获取周期长。先拍摄特定几何定标场区域的影像，再进行定标数据解算处理，是传统几何定标方法的处理流程。由于轨道限制，卫星拍摄定标场区域的影像需要较长的时间周期，而在应急响应中，该成像条件是难以保证的，从而无法满足快速高精度定位等需求。此外，我国星载SAR器件性能相对较弱，星上参数稳定性较差，传统几何定标方法时效性差且成本较高。星载SAR无场几何定标方案，可在无需定标场控制数据的条件下实现SAR卫星的几何定标，从而克服传统几何定标方法严重依赖定标场控制数据的问题，以解决低成本、快速化、常态化定标难题，使国产SAR卫星的几何质量得到保障。

对于无场几何定标方法的研究，国外研究人员在光学卫星上取得了突破，法国CNES的研究者针对Pleiades卫星得到了不逊于传统几何定标方法的精度，而针对SAR卫星的无场几何定标方法未见报道。国内，有研究学者提出利用多重影像覆盖，根据影像同名点定位一致性约束，将几何定标参数纳入到平差中求解。虽然该方法能一定程度上能提高几何定位精度，但是该方法本质和自检校区域网平差一致，只有保证影像重叠数足够多情况下，定标参数才具备有效性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中星载SAR卫星需在地面控制数据依赖情况下才能实现系统误差参数自标定的缺陷，提供一种基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法及其系统来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法，包括以下步骤：

11)获取对称几何构型影像对：读取影像集元数据文件，筛选对同一区域左右侧视方向不同、升降轨及入射角相同成像的星载SAR立体影像对，或者获取对同一区域左右侧视方向及入射角相同、升降轨不同成像的星载SAR立体影像对；

12)计算距离多普勒几何定位模型参数：根据对称几何构型影像对，计算距离多普勒几何定位模型参数，其包括任意SAR影像像元(x,y)的方位向时间t_a参数、斜距R、天线相位中心轨道卫星参数X_{phase_WGS84}、Y_{phase_WGS84}、Z_{phase_WGS84}、

及多普勒参数f_d；

13)建立几何定位模型：针对SAR影像上任意像元(x,y)，建立其距离-多普勒严密几何定位模型；

14)进行无场几何定标准备工作：对称立体SAR影像匹配得到同名点{(x_li,y_li)(x_ri,y_ri)}_i≤N，建立立体平差模型，得到同名点对应的地面目标点三维坐标

根据平面坐标

从对应DEM上提取高程h′_i，组合成列参考点

完成无场几何定标准备工作；

15)星载SAR无场几何定标的完成：利用生成的SAR影像参考点

对覆盖参考点范围的待标定影像SAR影像I进行标定，建立待标定影像I几何定标模型，对观测像点坐标进行非系统性误差补偿后，利用参考点求解距离向和方位向的系统误差补偿参数，完成定标参数求解。

所述计算距离多普勒几何定位模型参数包括以下步骤：

21)进行时间参数建模：

获取SAR影像方位向成像起始t_start和脉冲重复频率PRF、影像的近距R_min和距离采样频率F_s，对任意像元(x，y)来说，其中x为距离向像素坐标，y为影像方位向像素坐标，进而建立方位向时间模型t(y)和距离模型R(x)如下：

t(y)＝t_start+y/PRF，

R(x)＝R_min+c/2·x/F_s，

上式中c为光速，其中斜距R＝c/2·τ，τ为双程时延；

22)进行轨道参数建模：

获取SAR影像成像起止时间范围并前后拓展m秒的卫星轨道数据，卫星轨道数据判断元数据中标注的是卫星平台质心还是SAR天线相位中心；

若标注为卫星平台质心轨道数据，则添加天线相位中心偏置矩阵R_offset(u_{pahse_body}，v_{phase_body}，w_{phase_body})补偿，转换至SAR天线相位中心轨道数据，公式如下：

上式中，X_ori、Y_ori、Z_ori为元数据中标注的卫星平台质心在WGS84坐标系下的坐标，u_{pahse_body}、v_{pahse_body}、w_{pahse_body}为天线相位中心在卫星平台坐标系中下的坐标，X_phase、Y_pahse、Z_phase为更新后的天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标；

若标注为SAR天线相位中心轨道数据情况，则R_offset＝(0，0，0)；

为得到任意方位向时刻t_a的运动状态参数，对零散时刻的轨道位置矢量及速度矢量数据进行建模，以n(n＞3)阶多项式建模：

式中

为天线相位中心在WGS84坐标系中下三个坐标轴的速度，多项式系数a_i，b_i，c_i(i＝1，2，…n)为利用最小二乘求解的模型参数，基于该模型得到任意成像时刻t_a的轨道参数；

23)进行多普勒参数建模：

获取距离向离散多普勒参数，对离散普勒参数多项式建模，为了得到任意影像斜距R的多普勒参数f_dc，以n(n＞3)阶多项式建模：

f_dc＝p₀+p₁(R-R_ref)+p₂(R-R_ref)²+…+p_n(R-R_ref)ⁿ，

式中，R为通过距离模型获取的当前影像斜距通，R_ref为参考斜距，p₀，p₁，...，p_n(n≤5)为多普勒参数多项式系数；如果成像脉压至零多普勒，则对任意斜距，上式f_dc恒为0，与斜距变化无关。

所述建立几何定位模型包括以下步骤：

31)获取其方位向时间t(y)和距离向斜距R(x)；

32)采用多项式内插方法得到成像时刻的天线相位中心在WGS84坐标系下的位置矢量C_S＝[X_phase(y) Y_phase(y) Z_phase(y)]^T、

速度矢量

和距离多普勒参数f_dc(x)，其表达式如下：

距离方程：|C_S(y)-C_T|-R(x)＝0，

多普勒方程：

椭球方程：

上式中，C_T＝[x_T y_T z_T]^T为观测目标在WGS84坐标系下的位置矢量；

33)建立其距离-多普勒严密几何定位模型，即：

将距离方程，简记为f_R(C_S(y)，C_T，x)＝0；

多普勒方程，简记为

椭球方程，简记为f_Terrain(C_T(y)，C_T，x)＝1。

所述进行无场几何定标准备工作包括以下步骤：

41)通过对立体SAR影像匹配，在对称立体SAR影像上得到同名点对集合{(x_li，y_li)(x_ri，y_ri)}_i≤N，其中(x_ri，y_ri)表示SAR影像1上第i个同名点，(x_ri，y_ri)表示SAR影像r上第i个同名点，N为获取的同名SAR影像点对数；

42)针对同名SAR影像点{(x_li，y_li)(x_ri，y_ri)}_i≤N构建立体平差模型，并平差求解坐标同名点对应的地面点三维坐标

具体步骤为：

421)对于{(x_li，y_li)(x_ri，y_ri)}_i≤N点，构建立体平差模型如下：

并对模型线性化，得到以下误差方程：

简记为

422)对目标点的三维坐标初始值

赋值为影像中心坐标，坐标改正值初始值

赋为0；

423)求解误差方程，得到地面目标点坐标的改正值

424)将改正值更新补偿到待求解的地面点三维坐标初始值

中，更新

425)重复422)至424)步骤，直到地面目标点坐标的改正数

小于设定阈值为止；

426)逐个同名点对求解，得到影像点对{(xL_i，yL_i)(xR_i，yR_i)}_i≤N的地面三维坐标

43)根据对称几何构型约束、升降轨及入射角相同的两影像，升降轨配置保证方位向误差反向，入射角相同配置保证距离向误差大小相等，利用误差自抵消性，平差得到的目标点的三维坐标

中的平面坐标

位置精确，然后从对应区域高精度DEM模型上提取高程h′_i，生成定标所需的参考点

所述星载SAR无场几何定标的完成包括以下步骤：

51)基于待标定影像SAR影像I建立距离-多普勒严密几何定位模型；

52)根据待标定影像SAR影像I的几何定位反算模型，将参考点

反算到像方得到预测点影像坐标(x_e，i，y_e，i)，转换为时间量纲坐标为(τ_e，i，t_e，，i，)，同时量测参考点在影像I上的影像坐标(x_m，i，y_m，i)，转换为时间量纲坐标为(τ_m，i，t_m，i)；

53)对测量坐标(τ_e，i，t_e，，i，)进行非系统性误差补偿，即回波信号大气传播延迟的补偿，其为流程延迟Δt^Tro以及电离层延迟

其表达式如下：

54)建立顾及回波信号大气传播延迟误差的几何定标模型，如下所示：

上式中τ为经定标参数补偿后的距离向时间坐标，t为经定标参数补偿后的方位向时间坐标，Δτ^cal为距离向定标参数、Δt^cal为方位向定标参数；

55)将距离方程和多普勒方程转换为时间量纲形式如下：

其中f_R(τ，t)为时间坐标形式的距离方程，f_A(τ，t)为时间坐标形式的多普勒方程；

将补偿非系统误差的观测值代入上式中，并线性化，得到以下误差方程：

上式简记为v_t，τ＝Ad_t，τ-l_t，τ；

56)将距离时间观测值τ_i赋值为

方位向时间初始值赋t_i值为

定标参数改正值初始值[dτ dt]^T赋为0；

57)求解误差方程，得到几何定标参数的改正值[d_τ d_t]^T；

58)将定标参数补偿至观测值中，更新观测值τ_i＝τ_i+dτ，t_i＝t_i+dt；

59)重复54)至58)步，直到几何定标参数的改正值[d_τ d_t]^T小于阈值为止，在此阈值为10^-5。

基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法的系统，包括以下模块：

对称立体SAR影像提取模块，用于自动筛选满足本文中提出的对称几何构型约束的立体SAR影像；

距离多普勒几何定位模型构建模块，包含适用零、非零多普勒两种情形，用于几何定位正算和反算功能；

对称立体SAR影像匹配和平差模块，用于首先匹配对称立体SAR影像获取同名点，然后立体平差，再根据平差得到的平面坐标从相应DEM上提取高程更新替代平差得到的高程，生成用于无场定标的参考数据；

无场几何定标模块，用于首先非系统性误差补偿，再构建顾及大气传播延迟误差的几何定标模型，最后通过对称立体SAR影像和DEM生成的参考点完成几何定标参数求解。

有益效果

本发明的基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法及其系统，与现有技术相比在无需几何定标场依赖下实现星载SAR高精度几何定标，实现与传统星载SAR几何定标相当的精度，该方法可低成本、快速化、常态化的对现役SAR卫星几何定标，从而进一步提升和保障星载SAR影像几何质量。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图；

图2为本发明所涉及的方法实施流程图；

图3为SAR卫星质心与SAR天线相位中心不一致示意图；

图4为星载SAR零多普勒观测几何示意图；

图5为方位向时间误差δt导致地面坐标偏移δl_t示意图；

图6为δl_t在本地坐标系中分解示意图；

图7为距离向时间误差δτ导致地面坐标偏移δl_τ示意图；

图8为δl_τ在本地坐标系中分解示意图；

图9为对称几何构型约束下立体SAR影像观测几何示意图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1和图2所示，本发明所述的一种基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法，包括以下步骤：

第一步，获取对称几何构型影像对。读取影像集元数据文件，筛选对同一区域左右侧视方向不同、升降轨及入射角相同成像的星载SAR立体影像对，或者获取对同一区域左右侧视方向及入射角相同、升降轨不同成像的星载SAR立体影像对。

遍历对同一区域拍摄的SAR影像，从影像元数据文件中读取相应的侧视、升降轨、入射角信息，判断是否符合条件1)左右侧视方向不同、升降轨及入射角相同成像的SAR影像对，或者条件2)左右侧视方向及入射角相同、升降轨不同成像的SAR影像对，考虑到定标参数稳定性问题，立体影像对间时间间隔不宜过长，筛选出的影像对记为SAR影像r和SAR影像l。

第二步，计算距离多普勒几何定位模型参数：根据对称几何构型影像对，计算距离多普勒几何定位模型参数，其包括任意SAR影像像元(x，y)的方位向时间t_a参数、斜距R、天线相位中心轨道卫星参数X_{phase_WGS84}、Y_{phase_WGS84}、Z_{phase_WGS84}、

及多普勒参数f_d。其具体步骤如下：

(1)进行时间参数建模：

获取SAR影像方位向成像起始t_start和脉冲重复频率PRF、影像的近距R_min和距离采样频率F_s，对任意像元(x，y)来说，其中x为距离向像素坐标，y为影像方位向像素坐标，进而建立方位向时间模型t(y)和距离模型R(x)如下：

t(y)＝t_start+y/PRF，

R(x)＝R_min+c/2·x/F_s，

上式中c为光速，其中斜距R＝c/2·τ，τ为双程时延；

(2)进行轨道参数建模：

获取SAR影像成像起止时间范围并前后拓展m秒的卫星轨道数据(在此m＝5)，如图3所示，轨道数据需要注意元数据中标注的是卫星平台质心还是SAR天线相位中心，在此卫星轨道数据先判断元数据中标注的是卫星平台质心还是SAR天线相位中心。

若标注为卫星平台质心轨道数据，则添加天线相位中心偏置矩阵R_offset(u_{pahse_body}，v_{phase_body}，w_{phase_body})补偿，转换至SAR天线相位中心轨道数据，公式如下：

上式中，X_ori、Y_ori、Z_ori为元数据中标注的卫星平台质心在WGS84坐标系下的坐标，u_{pahse_body}、v_{pahse_body}、w_{pahse_body}为天线相位中心在卫星平台坐标系中下的坐标，X_phase、Y_pahse、Z_phase为更新后的天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标；

若标注为SAR天线相位中心轨道数据情况，则R_offset＝(0，0，0)；

为得到任意方位向时刻t_a的运动状态参数，对零散时刻的轨道位置矢量及速度矢量数据进行建模，以n(n＞3)阶多项式建模：

式中

为天线相位中心在WGS84坐标系中下三个坐标轴的速度，多项式系数a_i，b_i，c_i(i＝1，2，…n)为利用最小二乘求解的模型参数，基于该模型得到任意成像时刻t_a的轨道参数；

(3)进行多普勒参数建模：

获取距离向离散多普勒参数，对离散普勒参数多项式建模，为了得到任意影像斜距R的多普勒参数f_dc，以n(n＞3)阶多项式建模：

f_dc＝p₀+p₁(R-R_ref)+p₂(R-R_ref)²+…+p_n(R-R_ref)ⁿ，

式中，R为通过距离模型获取的当前影像斜距通，R_ref为参考斜距，p₀，p₁，...，p_n(n≤5)为多普勒参数多项式系数；如果成像脉压至零多普勒，如图4所示，则对任意斜距，上式f_dc恒为0，与斜距变化无关。

第三步，建立几何定位模型：针对SAR影像上任意像元(x，y)，建立其距离-多普勒严密几何定位模型。其具体步骤如下：

(1)获取其方位向时间t(y)和距离向斜距R(x)；

(2)采用多项式内插方法得到成像时刻的天线相位中心在WGS84坐标系下的位置矢量C_S＝[X_phase(y) Y_phase(y) Z_phase(y)]^T、

速度矢量

和距离多普勒参数f_dc(x)，其表达式如下：

距离方程：|C_S(y)-C_T|-R(x)＝0，

多普勒方程：

椭球方程：

上式中，C_T＝[x_T y_T z_T]^T为观测目标在WGS84坐标系下的位置矢量；

(3)建立其距离-多普勒严密几何定位模型，即：

将距离方程，简记为f_R(C_S(y)，C_T，x)＝0；

多普勒方程，简记为

椭球方程，简记为f_Terrain(C_T(y)，C_T，x)＝1。

第四步，进行无场几何定标准备工作：对称立体SAR影像匹配得到同名点{(x_li，y_li)(x_ri，y_ri)}_i≤N，建立立体平差模型，得到同名点对应的地面目标点三维坐标

根据平面坐标

从对应DEM上提取高程h′_i，组合成列参考点

完成无场几何定标准备工作。

星载SAR对地观测过程中，由于斜距和方位向时间观测值受到各类误差影响而存在误差，这些时间误差会通过距离多普勒方程传递到目标空间坐标中。

对于方位向时间t误差δt，如图5所示，将导致沿轨道方向上的偏移δl_t＝v_g·δ_t，其中v_g表示卫星波束地面移动速度，如图6所示，δl_t误差投影到本地坐标系东方向分量为

投影到本地坐标系北方向分量为

其中α为卫星的本地航向角。

对于方位向时间τ误差δτ，如图7所示，将导致沿距离方向上的偏移δl_{τ_s}＝c/2·δ_τ，其中c表示光速，从而导致地距发生位移δl_{τ_g}＝δl_{τ_s}/sinθ，其中θ表示入射角，如图8所示，δl_{τ_g}误差投影到本地坐标系东方向分量为

投影到本地坐标系北方向分量为

其中α为卫星的本地航向角。

以上是从误差分解的角度，然后以立体形式形象的展示对称几何构型约束下无控定标参数求解方法，如图9所示，选取升降轨配置，同一入射角的两幅SAR影像，在斜距值准确情况下，立体交会至地面X点，由于存在系统误差Δr，现实际交会至Xe点，由于对称性约束，从而带误差的地面点Xe和真实地面点X平面坐标相同。

根据斜距向和方位向误差在物方空间上的特性，因此可以配置这样的组合：升降轨及入射角相同的两影像，升降轨配置保证方位向误差反向，入射角相同配置保证距离向误差大小相等，方向相反。利用其误差自抵消性，前方交会生成一系列精确的平面坐标点，再从相应DEM上提取高程h，从而组合成一系列控制点，这就是对称几何构型约束下自定标的基本原理。

其具体步骤如下：

(1)通过对立体SAR影像匹配，在对称立体SAR影像上得到同名点对集合{(x_li，y_li)(x_ri，y_ri)}_i≤N，其中(x_ri，y_ri)表示SAR影像l上第i个同名点，(x_ri，y_ri)表示SAR影像r上第i个同名点，N为获取的同名SAR影像点对数。

(2)针对同名SAR影像点{(x_li，y_li)(x_ri，y_ri)}_i≤N构建立体平差模型，并平差求解坐标同名点对应的地面点三维坐标

具体步骤为：

A1)对于{(x_li，y_li)(x_ri，y_ri)}_i≤N点，构建立体平差模型如下：

并对模型线性化，得到以下误差方程：

简记为

A2)对目标点的三维坐标初始值

赋值为影像中心坐标，坐标改正值初始值

赋为0；

A3)求解误差方程，得到地面目标点坐标的改正值

A4)将改正值更新补偿到待求解的地面点三维坐标初始值

中，更新

A5)重复A2)至A4)步骤，直到地面目标点坐标的改正数

小于设定阈值为止(在此阈值可设为10^-5)；

A6)逐个同名点对求解，得到影像点对{(xL_i，yL_i)(xR_i，yR_i)}_i≤N的地面三维坐标

(3)根据对称几何构型约束、升降轨及入射角相同的两影像，升降轨配置保证方位向误差反向，入射角相同配置保证距离向误差大小相等，利用误差自抵消性，平差得到的目标点的三维坐标

中的平面坐标

位置精确，然后从对应区域高精度DEM模型上提取高程h′_i，生成定标所需的参考点

第五步，星载SAR无场几何定标的完成：利用生成的SAR影像参考点

对覆盖参考点范围的待标定影像SAR影像I进行标定，建立待标定影像I几何定标模型，对观测像点坐标进行非系统性误差补偿后，利用参考点求解距离向和方位向的系统误差补偿参数，完成定标参数求解。

其具体步骤如下：

(1)基于待标定影像SAR影像I建立距离-多普勒严密几何定位模型；

(2)根据待标定影像SAR影像I的几何定位反算模型，将参考点

反算到像方得到预测点影像坐标(x_e，i，y_e，i)，转换为时间量纲坐标为(τ_e，i，t_e，，i，)，同时量测参考点在影像I上的影像坐标(x_m，i，y_m，i)，转换为时间量纲坐标为(τ_m，i，t_m，i)；

(3)对测量坐标(τ_e，i，t_e，，i，)进行非系统性误差补偿，包括大气传播延迟误差

其具体步骤为：

B2)回波信号大气传播延迟的补偿，其为流程延迟Δt^Tro以及电离层延迟

其表达式如下：

(4)建立顾及回波信号大气传播延迟误差的几何定标模型，如下所示：

上式中τ为经定标参数补偿后的距离向时间坐标，t为经定标参数补偿后的方位向时间坐标，Δτ^cal为距离向定标参数、Δt^cal为方位向定标参数；

(5)将距离方程和多普勒方程转换为时间量纲形式如下：

其中f_R(τ，t)为时间坐标形式的距离方程，f_A(τ，t)为时间坐标形式的多普勒方程；

将补偿非系统误差的观测值代入上式中，并线性化，得到以下误差方程：

上式简记为v_t，τ＝Ad_t，τ-l_t，τ；

(6)将距离时间观测值τ_i赋值为

方位向时间初始值赋t_i值为

定标参数改正值初始值[dτ dt]^T赋为0；

(7)求解误差方程，得到几何定标参数的改正值[d_τ d_t]^T；

(8)将定标参数补偿至观测值中，更新观测值τ_i＝τ_i+dτ，t_i＝t_i+dt；

(9)重复以上(4)至(8)步，直到几何定标参数的改正值[d_τ d_t]^T小于阈值为止，在此阈值为10^-5。

在此，还提供基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法的系统，其特征在于，包括以下模块：

对称立体SAR影像提取模块，用于自动筛选满足本文中提出的对称几何构型约束的立体SAR影像；

距离多普勒几何定位模型构建模块，包含适用零、非零多普勒两种情形，用于几何定位正算和反算功能；

对称立体SAR影像匹配和平差模块，用于首先匹配对称立体SAR影像获取同名点，然后立体平差，再根据平差得到的平面坐标从相应DEM上提取高程更新替代平差得到的高程，生成用于无场定标的参考数据；

无场几何定标模块，用于首先非系统性误差补偿，再构建顾及大气传播延迟误差的几何定标模型，最后通过对称立体SAR影像和DEM生成的参考点完成几何定标参数求解。

下面以国产SAR卫星为例对本发明提出的方法进行说明：首先选取符合条件的对称几何立体SAR影像进行距离多普勒几何定位模型构建，同名点匹配后进行平差获取同名点三维坐标，然后以平差获取的平面坐标去相应区域的1：2000DEM以及SRTM30m DEM提取高程更新高程坐标，形成参考数据。利用对称几何构型约束和DEM生成的参考数据和高精度三维控制数据，对SAR影像进行标定定标对比，结果表明利用严格对称几何构型的SAR立体影像以及高精度1：2000DEM提取出参考点的标定精度与利用高精度三维控制点的标定结果相比，斜距定标参数平均差异0.3m，方位向定标参数平均差异0.03m；利用严格对称几何构型的SAR立体影像以及SRTM30m DEM平坦区域提取出参考点的标定结果相比，斜距定标参数相差2.1m，方位向定标参数相差0.2m。由此说明在符合特殊几何构型的影像对条件下，对称几何构型约束下的无地面控制定标方法与基于控制的定标方法精度相当，由于一些不理想因素，比如未能严格对称，几何定标精度略低于传统基于控制的定标方法，但可以支撑快速、常态化定标，有效的提升精度。

从上述实施步骤可以看出，相较传统依赖几何定标场方法，本发明拥有如下显著优势：

(1)基于对称几何构型约束下几何定位误差自反特性，可获取较高精度的平面点坐标，再在相应高精度DEM上提取高程，形成参考点，可在无需高精度地面控制数据依赖下完成星载SAR几何定标。

(2)本发明可实现与传统星载SAR几何定标相当的精度，实现低成本、快速化、常态化的几何定标，进一步提升和保障星载SAR影像几何质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)获取对称几何构型影像对：读取影像集元数据文件，筛选对同一区域左右侧视方向不同、升降轨及入射角相同成像的星载SAR立体影像对，或者获取对同一区域左右侧视方向及入射角相同、升降轨不同成像的星载SAR立体影像对；

12)计算距离多普勒几何定位模型参数：根据对称几何构型影像对，计算距离多普勒几何定位模型参数，其包括任意SAR影像像元(x,y)的方位向时间t_a参数、斜距R、天线相位中心轨道卫星参数X_{phase_WGS84}、Y_{phase_WGS84}、Z_{phase_WGS84}、

及多普勒参数f_d；

所述计算距离多普勒几何定位模型参数包括以下步骤：

121)进行时间参数建模：

获取SAR影像方位向成像起始t_start和脉冲重复频率PRF、影像的近距R_min和距离采样频率F_s，对任意像元(x,y)来说，其中x为距离向像素坐标，y为影像方位向像素坐标，进而建立方位向时间模型t(y)和距离模型R(x)如下：

t(y)＝t_start+y/PRF，

R(x)＝R_min+c/2·x/F_s，

上式中c为光速，其中斜距R＝c/2·τ，τ为双程时延；

122)进行轨道参数建模：

获取SAR影像成像起止时间范围并前后拓展m秒的卫星轨道数据，卫星轨道数据判断元数据中标注的是卫星平台质心还是SAR天线相位中心；

若标注为卫星平台质心轨道数据，则添加天线相位中心偏置矩阵R_offset(u_{pahse_body},v_{phase_body},w_{phase_body})补偿，转换至SAR天线相位中心轨道数据，公式如下：

上式中，X_ori、Y_ori、Z_ori为元数据中标注的卫星平台质心在WGS84坐标系下的坐标，u_{pahse_body}、v_{pahse_body}、w_{pahse_body}为天线相位中心在卫星平台坐标系中下的坐标，X_phase、Y_pahse、Z_phase为更新后的天线相位中心在WGS84坐标系下的坐标；

若标注为SAR天线相位中心轨道数据情况，则R_offset＝(0,0,0)；

为得到任意方位向时刻t_a的运动状态参数，对零散时刻的轨道位置矢量及速度矢量数据进行建模，以n>3，n阶多项式建模：

式中

为天线相位中心在WGS84坐标系中下三个坐标轴的速度，多项式系数a_i,b_i,c_i，i＝1,2,…n，为利用最小二乘求解的模型参数，基于该模型得到任意成像时刻t_a的轨道参数；

123)进行多普勒参数建模：

获取距离向离散多普勒参数，对离散普勒参数多项式建模，为了得到任意影像斜距R的多普勒参数f_dc，以n>3，n阶多项式建模：

f_dc＝p₀+p₁(R-R_ref)+p₂(R-R_ref)²+…+p_n(R-R_ref)ⁿ，

式中，R为通过距离模型获取的当前影像斜距通，R_ref为参考斜距，p₀,p₁,...,p_n，

为多普勒参数多项式系数；如果成像脉压至零多普勒，则对任意斜距，上式f_dc恒为0，与斜距变化无关；

13)建立几何定位模型：针对SAR影像上任意像元(x,y)，建立其距离-多普勒严密几何定位模型；

14)进行无场几何定标准备工作：对称立体SAR影像匹配得到同名点{(x_li,y_li)(x_ri,y_ri)}_i≤N，建立立体平差模型，得到同名点对应的地面目标点三维坐标

根据平面坐标

从对应DEM上提取高程h′_i，组合成列参考点

完成无场几何定标准备工作；

15)星载SAR无场几何定标的完成：利用生成的SAR影像参考点

对覆盖参考点范围的待标定影像SAR影像I进行标定，建立待标定影像I几何定标模型，对观测像点坐标进行非系统性误差补偿后，利用参考点求解距离向和方位向的系统误差补偿参数，完成定标参数求解。

2.根据权利要求1所述的基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法，其特征在于，所述建立几何定位模型包括以下步骤：

21)获取其方位向时间t(y)和距离向斜距R(x)；

22)采用多项式内插方法得到成像时刻的天线相位中心在WGS84坐标系下的位置矢量C_S＝[X_phase(y) Y_phase(y) Z_phase(y)]^T、

速度矢量

和距离多普勒参数f_dc(x)，其表达式如下：

距离方程：|C_S(y)-C_T|-R(x)＝0，

多普勒方程：

椭球方程：

上式中，C_T＝[x_T y_T z_T]^T为观测目标在WGS84坐标系下的位置矢量；

23)建立其距离-多普勒严密几何定位模型，即：

将距离方程，简记为f_R(C_S(y),C_T,x)＝0；

多普勒方程，简记为

椭球方程，简记为f_Terrain(C_T(y),C_T,x)＝1。

3.根据权利要求1所述的基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法，其特征在于，所述进行无场几何定标准备工作包括以下步骤：

31)通过对立体SAR影像匹配，在对称立体SAR影像上得到同名点对集合{(x_li,y_li)(x_ri,y_ri)}_i≤N，其中(x_ri,y_ri)表示SAR影像l上第i个同名点，(x_ri,y_ri)表示SAR影像r上第i个同名点，N为获取的同名SAR影像点对数；

32)针对同名SAR影像点{(x_li,y_li)(x_ri,y_ri)}_i≤N构建立体平差模型，并平差求解坐标同名点对应的地面点三维坐标

具体步骤为：

321)对于{(x_li,y_li)(x_ri,y_ri)}_i≤N点，构建立体平差模型如下：

并对模型线性化，得到以下误差方程：

简记为

322)对目标点的三维坐标初始值

赋值为影像中心坐标，坐标改正值初始值

赋为0；

323)求解误差方程，得到地面目标点坐标的改正值

324)将改正值更新补偿到待求解的地面点三维坐标初始值

中，更新

325)重复322)至324)步骤，直到地面目标点坐标的改正数

小于设定阈值为止；

326)逐个同名点对求解，得到影像点对{(xL_i,yL_i)(xR_i,yR_i)}_i≤N的地面三维坐标

33)根据对称几何构型约束、升降轨及入射角相同的两影像，升降轨配置保证方位向误差反向，入射角相同配置保证距离向误差大小相等，利用误差自抵消性，平差得到的目标点的三维坐标

中的平面坐标

位置精确，然后从对应区域高精度DEM模型上提取高程h′_i，生成定标所需的参考点

4.根据权利要求1所述的基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法，其特征在于，所述星载SAR无场几何定标的完成包括以下步骤：

41)基于待标定影像SAR影像I建立距离-多普勒严密几何定位模型；

42)根据待标定影像SAR影像I的几何定位反算模型，将参考点

反算到像方得到预测点影像坐标(x_e,i,y_e,i)，转换为时间量纲坐标为(τ_e,i,t_e,i,)，同时量测参考点在影像I上的影像坐标(x_m,i,y_m,i)，转换为时间量纲坐标为(τ_m,i,t_m,i)；

43)对测量坐标(τ_e,i,t_e,i,)进行非系统性误差补偿，即回波信号大气传播延迟的补偿，其为流程延迟△t^Tro以及电离层延迟

其表达式如下：

44)建立顾及回波信号大气传播延迟误差的几何定标模型，如下所示：

上式中τ为经定标参数补偿后的距离向时间坐标，t为经定标参数补偿后的方位向时间坐标，△τ^cal为距离向定标参数、△t^cal为方位向定标参数；

45)将距离方程和多普勒方程转换为时间量纲形式如下：

其中f_R(τ,t)为时间坐标形式的距离方程，f_A(τ,t)为时间坐标形式的多普勒方程；

将补偿非系统误差的观测值代入上式中，并线性化，得到以下误差方程：

上式简记为v_t,τ＝Ad_t,τ-l_t,τ；

46)将距离时间观测值τ_i赋值为

方位向时间初始值赋t_i值为

定标参数改正值初始值[dτ dt]^T赋为0；

47)求解误差方程，得到几何定标参数的改正值[d_τ d_t]^T；

48)将定标参数补偿至观测值中,更新观测值τ_i＝τ_i+dτ，t_i＝t_i+dt；

49)重复44)至48)步，直到几何定标参数的改正值[d_τ d_t]^T小于阈值为止，在此阈值为10^-5。

5.根据权利要求1所述的基于对称几何构型约束的星载SAR无场几何定标方法的系统，其特征在于，包括以下模块：

对称立体SAR影像提取模块，用于自动筛选满足对称几何构型约束的立体SAR影像；

距离多普勒几何定位模型构建模块，包含适用零、非零多普勒两种情形，用于几何定位正算和反算功能；

对称立体SAR影像匹配和平差模块，用于首先匹配对称立体SAR影像获取同名点，然后立体平差，再根据平差得到的平面坐标从相应DEM上提取高程更新替代平差得到的高程，生成用于无场定标的参考数据；

无场几何定标模块，用于首先非系统性误差补偿，再构建顾及大气传播延迟误差的几何定标模型，最后通过对称立体SAR影像和DEM生成的参考点完成几何定标参数求解。

Images