CN116699609A - 一种高精度的机载sar图像平面定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高精度的机载SAR图像平面定位方法。技术方案是：利用在一次飞行中具有相同成像模式的机载雷达获取的同一目标区域的不同视角的两幅SAR图像，在两幅SAR图像中选取至少一个同名点，利用同名点构建位置等价方程，求解位置等价方程得到SAR图像的系统定位误差，利用系统定位误差对本次飞行中所有的SAR图像中的每一个像素点进行校正，完成SAR图像的定位。本发明不需要已知精确地理位置信息的地面参考点，也不需要利用载机的精确轨道信息，解决了现有机载SAR图像定位方法解算条件苛刻的问题。

Description

一种高精度的机载SAR图像平面定位方法
技术领域
本发明属于微波遥感技术领域，旨在提出一种高精度的机载SAR(SyntheticAperture Radar，合成孔径雷达)图像平面定位方法。
背景技术
机载SAR灵活多变，可以全天时、全天候、高分辨率对目标区域成像的同时，还能够对场景中的目标高精度定位，在对重点目标和区域进行有效监控中发挥着重要的作用。随着机载高分辨率SAR技术的日趋成熟，对目标定位精度提出了更高的要求，因此对机载SAR高精度定位技术的研究具有重要意义和实用价值。
机载SAR图像定位根据定位过程是否需要地面参考点通常可分为相对定位方法和绝对定位方法。相对定位方法，参见文献：Jiang,W.；Yu,A.；Dong,Z.Refined polynomialgeometric correction methods for spaceborne SAR image.In Proceedings of the2016CIE International Conference on Radar,Guangzhou,China,10-13October 2016；pp.1-4.http://dx.doi.org/10.1109/RADAR.2016.8059216，该方法依据具有精确地理位置信息的地面参考点，选择合适的模型，如多项式模型和共线方程模型，利用地面参考点的先验位置信息反求图像区域的位置信息。但是在某些目标区域如海洋、沙漠、军事区等，往往无法轻易获取地面参考点的精确地理位置信息(即经纬度、高度)；且这类定位方法容易受到地形起伏、地面参考点的数量和分布的影响，使得基于地面参考点的相对定位技术局限性很大。
绝对定位技术即无地面参考点定位技术，参见文献：Luo,Y.；Qiu,X.；Dong,Q.；Fu,K.Arobust stereo positioning solution for multiview spaceborne SAR imagesbased on Range-Doppler model.IEEE Geosci.Remote Sens.Lett.2022,19,1-5.http://dx.doi.org/10.1109/LGRS.2020.3048731，该类方法根据机载雷达的成像机理求得目标区域的位置信息。此类方法容易受到载机导航系统提供的载机运动参数的影响，当载机受高空气流影响产生的运动误差和导航系统记录的载机运动参数的偏差较大时，会严重影响机载SAR图像的定位精度。
发明内容
为了提高机载SAR图像的平面定位精度，发明人进行了大量研究和工作。通过多次飞行试验，发明人发现：在一次飞行中具有相同成像模式的机载雷达获取的同一目标区域的不同视角的机载SAR图像的系统定位误差具有相对一致的特点。基于这个发现，本发明提出了一种高精度的机载SAR图像平面定位方法。与现有方法相比，本发明能够更精确、更方便的解算SAR图像中每个像素的经纬度位置，提高SAR图像平面定位精度。
本发明的技术方案是：一种高精度的机载SAR图像平面定位方法，其特征在于，利用在一次飞行中具有相同成像模式的机载雷达获取的同一目标区域的不同视角的两幅SAR图像，在两幅SAR图像中选取至少一个同名点，利用同名点构建位置等价方程，求解位置等价方程得到SAR图像的系统定位误差，利用系统定位误差对本次飞行中所有的SAR图像中的每一个像素点进行校正，完成SAR图像的定位。
以一个同名点为例，构造的位置等价方程为：
其中，[i1 j1]和[i2 j2]分别为一个同名点在两幅机载SAR图像中的像素位置；C1和C2分别为两幅机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的一阶项系数转换矩阵，D1和D2分别为两幅机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的常数项系数转换矩阵；ρr1和ρr2分别为两幅机载SAR图像在距离向上的采样间隔，ρa1和ρa2分别为两幅机载SAR图像在方位向上的采样间隔；Δr和Δa分别为本次飞行中机载SAR图像在距离向和方位向上的系统定位误差。
利用下式计算本次飞行中的获取的任意一幅SAR图像中任意像素[i j]的平面定位结果[B′L′]：
其中，ρr为所计算的机载SAR图像在距离向上的采样间隔，ρa为所计算的机载SAR图像在方位向上的采样间隔；C为所计算的机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的一阶项系数转换矩阵，D为所计算的机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的常数项系数转换矩阵。
采用本发明可取得以下技术效果：
本发明从影响机载SAR图像定位精度的机理出发，利用在一次飞行中具有相同成像模式的机载雷达获取的同一目标区域的不同视角机载SAR图像的系统定位误差具有相对一致的特点，以至少一个同名点构建位置等价方程，通过正确估计机载SAR图像的系统定位误差计算求取SAR图像中每个像素的精确平面位置。本发明不需要已知精确地理位置信息的地面参考点，也不需要利用载机的精确轨道信息，因此解决了现有机载SAR图像定位方法解算条件苛刻的问题。实测数据实验结果表明，本发明能够大幅度提高机载SAR图像的平面定位精度。本发明在SAR图像定位、地理测绘等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明所提方法的原理流程示意图；
图2是多视角机载SAR图像中的同名点和测试点选取示意图；
图3是基于同名点的机载SAR图像系统定位误差的估计结果；
图4是现有方法和本文方法对测试点的定位误差评估结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式进行进一步的说明。
本发明所述的机载SAR图像是指初始地距机载SAR图像，即机载雷达成像后直接下传到地面站的SAR图像；所述的一次飞行是指载机在机载雷达的两次成像之间的时间间隔内不落地，进行连续飞行；所述相同的成像模式是指机载雷达两次成像的扫描模式和分辨率一致。本发明技术方案中涉及的两幅机载SAR图像是载机在一次飞行中沿两条不同的航线获取的。
图1是本发明所提方法的原理流程示意图。如图1所示，在同一次飞行中采用相同成像模式的机载雷达沿两条不同飞行航迹获得同一目标区域的不同视角机载SAR图像后，再进行下述处理：
第一步：计算两幅机载SAR图像中目标像素位置和初始地理位置间的仿射变换关系；第二步：根据同名点构建位置等价方程；第三步：根据位置等价方程求解系统定位误差；第四步，完成对每个图像像素的高精度平面定位。详细描述如下：
第一步：计算机载SAR图像中目标像素位置和初始地理位置间的仿射变换关系
本步骤根据每幅机载SAR图像的初始定位辅助参数分别解算各自图像中目标像素位置和初始地理位置间的仿射变换关系。
利用下述过程求解任意一幅机载SAR图像中目标像素位置和初始地理位置间的仿射变换关系：
机载SAR图像中像元位置(i,j)和地理位置(B,L)间的转换关系可以用下式描述：
其中，a,b,c,d,e,f为仿射变换系数；C为一阶项系数转换矩阵，即D为常数项系数转换矩阵，即D＝[e f]。从机载SAR图像的定位辅助参数中可以直接获取该机载SAR图像四角点的像元位置(1,1),(1,Height),(Width,Height),(Width,1)和地理位置(B1,L1),(B2,L2),(B3,L3),(B4,L4)，Height和Width分别为机载SAR图像的高度和宽度。利用四角点的像元位置和地理位置，根据(3)式，可以得到(4)式：
设H＝[Hx Hy]，则一阶项系数转换矩阵C＝H(1:2,1:2)，常数项系数转换矩阵D＝H(3,:)。
利用(4)式，得到的两幅机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的一阶项系数转换矩阵分别为C1和C2，两幅机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的常数项系数转换矩阵分别为D1和D2。
第二步：根据同名点构建位置等价方程
本步骤在两幅机载SAR图像中选取同名点，同名点是指在两幅SAR图像中真实地理位置相同，并且具有显著特性的点，如道路交叉口、建筑物角点或在SAR图像中很容易识别的显著自然地标。设同名点在两幅机载SAR图像中的像素位置分别为[i1 j1]和[i2 j2]，根据同名点构建位置等价方程，如(1)式所述。
第三步：根据位置等价方程求解系统定位误差
令：
上式中，a1,b1,c1,d1为一阶项系数转换矩阵C1中的仿射变换系数，即a2,b2,c2,d2为一阶项系数转换矩阵C2中的仿射变换系数，即/>根据式(1)和式(5)可解得机载SAR图像在距离向和方位向上的系统定位误差Δr和Δa分别为：
其中，[ΔB ΔL]＝[i2 j2]·C2+D2-[i1 j1]·C1-D1。
图2(a)和图2(b)是在一次飞行中获取的两幅机载SAR图像，在两幅图中选取的10个同名点Hpi(i＝1,...,10)单独估计机载SAR图像在距离向和方位向上的系统定位误差，得到的系统定位误差值如图3所示。图3中深色的矩形表示距离向系统定位误差，浅色的矩形表示方位向系统定位误差，通过计算距离向系统定位误差的平均值为14.19m，方差为0.02；方位向系统定位误差的平均值为5.33m，方差为0.067。从中可以看出利用不同的同名点估计的多视角机载SAR图像的系统定位误差相对一致。因此，利用一个或者多个同名点计算系统定位误差的结果类似。
第四步：完成对机载SAR图像中每个像素的高精度平面定位
任取一个同名点估计的机载SAR图像的系统定位误差作为整幅机载SAR图像的实际系统定位误差，利用实际系统定位误差完成SAR图像中每个像素的高精度平面定位。
为了验证本发明所提方法的有效性，我们以图3中同名点Hp1解算的机载SAR图像的系统定位误差作为本次飞行中的任意机载SAR图像的实际系统定位误差，并对在图2(a)中选取的10个测试点Tpi(i＝1,...,10)进行定位，统计并对比了两种现有方法与本发明所提方法最终定位结果。三种方法对10个测试点的平面定位误差如图4所示，带“□”的实线表示的曲线是利用本发明得到的平面定位误差曲线，带“◇”的虚线表示的曲线是利用相对定位技术中的多项式模型得到的平面定位误差曲线，带“○”的点划线表示的曲线是利用绝对定位技术中的距离-多普勒(Range-Doppler RD)模型得到的平面定位误差曲线。从图4中可以看出本发明所提方法对机载SAR图像中各像素的定位误差以及定位误差的波动整体上明显小于其他两种方法，说明了本发明方法相比于现有机载SAR图像的定位方法更加稳健且平面定位精度更高。
值得说明的是，利用位置等价方程求解系统定位误差时，可以利用两幅以上的SAR图像中的一个同名点，或者利用两幅SAR图像中的多个同名点，或者利用两幅以上SAR图像中的多个同名点。利用上述情况和位置等价方程求解系统定位误差，均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高精度的机载SAR图像平面定位方法，SAR是指合成孔径雷达，其特征在于，利用在一次飞行中具有相同成像模式的机载雷达获取的同一目标区域的不同视角的两幅SAR图像，在两幅SAR图像中选取至少一个同名点，利用同名点构建位置等价方程，求解位置等价方程得到SAR图像的系统定位误差，利用系统定位误差对本次飞行中所有的SAR图像中的每一个像素点进行校正，完成SAR图像的定位。
2.根据权利要求1所述的高精度的机载SAR图像平面定位方法，其特征在于，利用一个同名点，构造位置等价方程为：
其中，[i1 j1]和[i2 j2]分别为一个同名点在两幅机载SAR图像中的像素位置；C1和C2分别为两幅机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的一阶项系数转换矩阵，D1和D2分别为两幅机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的常数项系数转换矩阵；ρr1和ρr2分别为两幅机载SAR图像在距离向上的采样间隔，ρa1和ρa2分别为两幅机载SAR图像在方位向上的采样间隔；Δr和Δa分别为本次飞行中机载SAR图像在距离向和方位向上的系统定位误差。
3.根据权利要求2所述的高精度的机载SAR图像平面定位方法，其特征在于，利用下式计算本次飞行中的获取的任意一幅SAR图像中任意像素[i j]的平面定位结果[B′ L′]：
其中，ρr为所计算的机载SAR图像在距离向上的采样间隔，ρa为所计算的机载SAR图像在方位向上的采样间隔；C为所计算的机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的一阶项系数转换矩阵，D为所计算的机载SAR图像中目标的像素位置与地理位置间的常数项系数转换矩阵。
4.一种高精度的机载SAR图像平面定位系统，其特征在于，利用权利要求1至权利要求3所述的任意一种方法对机载SAR图像进行平面定位。
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CN117687028A (zh) * 2024-02-02 2024-03-12 中国科学院空天信息创新研究院 一种基于干涉sar条纹图匹配的载机平台三维定位方法

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