CN117310633B - 一种多维度sar系统几何定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多维度SAR系统几何定标方法，包括：（1）根据C波段定标点的地理坐标计算其在C波段干涉精确图像坐标；（2）利用定标点解算C波段干涉定标参数；（3）多维度SAR系统其它波段图像与C波段干涉图像进行匹配；（4）基于干涉定标方程利用C波段干涉图像解算同名点的地理坐标；（5）建立多维度SAR系统其它波段图像的几何定标模型；（6）利用同名点的地理坐标及其图像坐标，利用随机抽样一致性检验方法解算其它波段的几何定标模型参数。由此，对多维度SAR系统分别进行几何定标，只需布置C波段定标点，减少对其它波段定标点的依赖，大幅降低多维度SAR系统几何定标的外业定标工作量。

Description

一种多维度SAR系统几何定标方法
技术领域
本发明涉及SAR几何处理技术领域，是一种多维度SAR系统几何定标方法。
背景技术
SAR系统几何定标是对SAR系统的几何参数进行标定，进而大幅提高SAR系统的几何定位精度。多维度SAR系统是包括P、L、S、C、X、Ka六个波段SAR系统。由于不同波段的需要的角反射器尺寸不等，传统的几何定标方法需要在外场布置六个波段的角反射器进行几何参数标定，外业工作量大、几何参数标定繁琐。同时，多维度SAR系统具备多种不同分辨率的工作模式，不同工作模式的几何定标进一步增加了外业工作的任务。常规的几何交叉定标方法涉及单一波段，需要高精度的外部数据（如DEM、DOM等）作为基础数据支撑，且精度受外部数据精度或数据处理过程（如同名点）中的粗差影响。
发明内容
本发明的目的是公开一种多维度SAR系统几何定标方法，通过布置C波段角反射器精确标定几何参数，然后利用定标后的C波段的交轨干涉数据完成对其余波段的几何参数精确标定，解决多维度SAR系统几何定标依赖多波段的角反射器以及常规几何交叉定标数据对外部高精度数据的依赖问题。
为了达到上述目的，本发明提出一种多维度SAR系统几何定标方法，包含以下步骤：
步骤1.利用定标点地理坐标计算其在C波段干涉图像的初始图像坐标，采用频域插值方法，获取定标点的精确图像坐标；
步骤2.利用定标点信息包括精确图像坐标和地理坐标，根据干涉定标方程解算多维度C波段干涉定标参数；
步骤3.多维度SAR系统其它波段图像分别与C波段干涉图像进行匹配，获取若干同名点；
步骤4.利用C波段定标后的干涉定标参数、同名点的图像坐标，估算同名点的地理坐标；
步骤5.构建多维度SAR系统其它波段的几何定标模型；
步骤6.利用同名点的图像坐标和地理坐标，解算多维度SAR系统其它波段的几何定标模型参数。
进一步，步骤1的的具体实现方法包括以下步骤：
步骤1.1根据距离多普勒方程，利用定标点的地理坐标计算定标点在C波段干涉图像的初始图像坐标；
步骤1.2在定标点在C波段干涉图像的初始图像坐标邻域的一定范围内，寻找强度最大值点作为定标点的整数图像坐标；
步骤1.3在以强度最大值点为中心的16×16邻域范围内，在图像频域进行升采样，最大强度值坐标作为定标点的子像素坐标，即得到定标点的精确图像坐标。
进一步，步骤3中的多维度SAR其它波段，包括P/L/S/X/Ka波段，分别与C波段干涉图像进行匹配，获取其它波段图像的若干同名点，同名点在其它波段上的图像坐标为，b代表波段，每个波段与C波段干涉图像获取的同名点不少于2个。
进一步，步骤5中多维度SAR系统其它波段建立的几何定标模型如下：
，
式中，和/>分别表示待求解的距离向和方位向时间修正量，/>和分别表示距离向和方位向每个像素代表的时间间隔，/>和/>分别表示同名点在b波段图像上距离向和方位向的图像坐标，/>和/>分别表示根据距离多普勒方程计算的同名点在b波段图像上距离向和方位向的初始图像坐标。
进一步，步骤6中解算多维度SAR系统其它波段的几何定标模型参数，具体实现如下：
步骤6.1根据距离多普勒方程，利用同名点的地理坐标估算同名点在其它波段上的初始图像坐标；
步骤6.2利用同名点的图像坐标和初始图像坐标/>，采用随机抽样一致性检验方法，进行几何定标模型待求解参数/>和/>的最小二乘迭代解算；
步骤6.3满足设定阈值条件的几何定标模型参数作为最终解算的几何定标模型参数。
本次发明的有益效果是：
1、本发明只需一种波段的角反射器，利用该波段的交轨干涉完成其它波段的几何参数标定，摆脱了对其它波段角反射器的依赖，大幅降低外业工作量；
2、本发明利用干涉数据和不同波段间匹配方法获取了其它波段定标点的地理坐标信息，不需要高精度的外部高精度数据（DOM、DEM）；
3、本发明利用随机抽样一致性检验方法进行几何参数迭代解算，大幅提高了系统的适用性，有效降低几何定标过程中粗差的影响。
附图说明
图1 本发明实施例的流程图；
图2 本发明实施例的干涉几何关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明提供一种多维度SAR系统几何定标方法，利用C波段定标点对C波段的干涉参数进行定标。其次利用C波段干涉图像分别和多维度SAR系统中的其它5个波段待定标图像进行匹配，得到同名点。再根据同名点和C波段干涉数据计算同名点的地理坐标。然后建立5个波段待定标图像的几何定标模型。最后根据随机抽样一致性检验方法利用同名点解算待定标图像的几何定标参数，其具体流程图如图1所示。
（1）利用定标点地理坐标计算其在C波段干涉图像的初始图像坐标，采用频域插值方法，获取定标点的精确图像坐标；
1）根据距离多普勒方程，利用定标点地理坐标可以计算定标点在C波段干涉图像的初始图像坐标；
，
式中，表示斜距，/>表示定标点对应时刻的SAR位置向量，/>表示多普勒中心，/>表示定标点对应时刻的SAR速度向量，/>表示波长，/>表示地球椭球长半轴，/>表示地球椭球短半轴。
2）在定标点在C波段干涉图像的初始图像坐标周围个像素内搜索强度最大值点，最大值点坐标作为定标点的图像坐标；
3）在定标点的图像坐标邻域取个像素，在图像频域进行16倍子像素插值升采样，最大强度值点坐标作为定标点的精确图像坐标。
（2）利用定标点信息包括图像坐标和地理坐标，根据干涉定标方程解算多维度C波段干涉定标参数；
1）利用定标点的精确图像坐标可以计算斜距，定标点的地理坐标可以计算定标点的高程。根据干涉几何关系，如图2所示，表示C波段干涉SAR主天线，/>表示定标点，/>表示C波段干涉SAR主天线至地面高度，/>表示定标点的高程，/>表示C波段干涉SAR主天线至定标点P的距离，/>表示基线倾角，/>表示基线长度，/>表示波长，/>表示干涉相位，表示一发双收干涉工作模式，/>表示自发自收干涉工作模式。则可建立C波段干涉定标方程：
，
2）确定需要干涉定标的四个参数：基线长度、基线倾角、斜距、干涉相位，干涉定标方程可写为：
，
3）对于每个定标点，构建误差方程如下所示：
，
其中，
,/> ,/>，
表示第i个定标点的干涉定标方程对基线长度的偏导数，/>表示第i个定标点的干涉定标方程对基线倾角的偏导数，/>表示第i个定标点的干涉定标方程对斜距的偏导数，/>表示第i个定标点的干涉定标方程对干涉相位的偏导数，/>表示基线长度的修正量，/>表示基线长度的修正量，/>表示基线长度的修正量，/>表示基线长度的修正量，/>表示第i个定标点的干涉定标方程的初值，/>表示定标点的数量。
4）根据最小二乘准则，即可解算四个干涉定标参数。
（3）多维度SAR系统其它波段图像分别与C波段干涉图像进行匹配，获取若干同名点；
利用SAR-SIFT算法分别进行C波段图像和其他波段图像匹配，获取C波段图像和其他波段图像的同名点坐标，同名点在其它波段上的图像坐标记为，b代表波段。以P波段为例进行详细说明，其它波段(L、S、X、Ka)类似；
1）利用SAR-SIFT算法在C波段图像和P波段图像上进行特征点提取和特征点描述；
2）基于最邻近距离与次邻近距离比值准则，进行C波段图像和P波段图像特征点的双向一致性匹配，得到同名点；
3）基于得到的同名点构建三角网几何约束，进行2）步未匹配特征点的匹配，获取更多的同名点。
（4）利用C波段定标后的干涉参数、同名点图像坐标，估算同名点的地理坐标；
利用C波段干涉定标后的干涉参数、同名点图像坐标，根据距离方程、多普勒方程和干涉相位方程，联立三个方程组可计算同名点的地理坐标。
，
式中，表示斜距，/>表示多普勒中心，/>表示同名点对应时刻的SAR位置向量，/>表示同名点对应时刻的SAR速度向量，/>表示波长，/>表示基线倾角，/>表示基线长度，/>表示干涉相位，/>表示一发双收干涉工作模式，/>表示自发自收干涉工作模式。
（5）构建多维度SAR系统其它波段的几何定标模型；
建立多维度SAR系统其它波段的几何定标模型，几何定标模型如下：
，
式中，和/>分别表示待求解的距离向和方位向时间修正量，/>和分别表示距离向和方位向每个像素代表的时间间隔，/>和/>分别表示同名点在b波段图像上距离向和方位向的图像坐标，/>和/>分别表示根据距离多普勒方程计算的同名点在b波段图像上距离向和方位向的初始图像坐标。
（6）利用同名点图像坐标和地理坐标，解算多维度SAR系统其它波段的几何定标模型参数；
以一个波段（如P波段）为例进行说明，其它波段(L、S、X、Ka)类推。
1）已知同名点在该波段上的图像坐标和地理坐标/>，根据SAR距离多普勒方程，利用地理坐标/>计算同名点在该波段上的初始图像坐标/>，/>，N表示同名点的数量；
2）设定随机抽样一致性检验方法的误差阈值、最大循环迭代次数num和预期内点概率/>；
3）随机从N个点选取M个同名点，利用M个同名点的图像坐标和初始图像坐标/>，根据几何定标模型构建如下误差方程：
，
其中，，/>，/>，/>和/>分别表示第1个同名点的距离向和方位向图像坐标，/>和/>分别表示第1个同名点的距离向和方位向初始图像坐标，/>和/>分别表示第2个同名点的距离向和方位向图像坐标，/>和/>分别表示第2个同名点的距离向和方位向初始图像坐标，/>和/>分别表示第M个同名点的距离向和方位向图像坐标，/>和/>分别表示第M个同名点的距离向和方位向初始图像坐标，/>和/>分别表示待求解的距离向和方位向时间修正量，/>和/>分别表示距离向和方位向每个像素代表的时间间隔。
根据最小二乘准则，即可解算几何模型参数/>。
4）利用上步得到的几何定标模型参数，计算所有同名点的误差，满足设定阈值的同名点数量记录为K；
5）若循环次数大于num,或者，继续下一步，否则，回到步骤3）；
6）计算的几何定标模型参数作为最终解算的几何定标模型参数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多维度SAR系统几何定标方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1.利用定标点地理坐标计算其在C波段干涉图像的初始图像坐标，采用频域插值方法，获取定标点的精确图像坐标；
步骤2.利用定标点信息包括精确图像坐标和地理坐标，根据干涉定标方程解算多维度C波段干涉定标参数；
步骤3.多维度SAR系统其它波段图像分别与C波段干涉图像进行匹配，获取若干同名点；
步骤4.利用C波段定标后的干涉定标参数、同名点的图像坐标，估算同名点的地理坐标；
步骤5.构建多维度SAR系统其它波段的几何定标模型；
步骤6.利用同名点的图像坐标和地理坐标，解算多维度SAR系统其它波段的几何定标模型参数；
其中，步骤5中多维度SAR系统其它波段建立的几何定标模型如下：
，
式中，和/>分别表示待求解的距离向和方位向时间修正量，/>和/>分别表示距离向和方位向每个像素代表的时间间隔，/>和/>分别表示同名点在b波段图像上距离向和方位向的图像坐标，/>和/>分别表示根据距离多普勒方程计算的同名点在b波段图像上距离向和方位向的初始图像坐标。
2.如权利要求1所述的一种多维度SAR系统几何定标方法，其特征在于：步骤1的具体实现方法包括以下步骤：
步骤1.1根据距离多普勒方程，利用定标点的地理坐标计算定标点在C波段干涉图像的初始图像坐标；
步骤1.2在定标点在C波段干涉图像的初始图像坐标邻域的一定范围内，寻找强度最大值点作为定标点的整数图像坐标；
步骤1.3在以强度最大值点为中心的16×16邻域范围内，在图像频域进行升采样，得到升采样后的最大强度值坐标作为定标点的子像素坐标，即得到定标点的精确图像坐标。
3.如权利要求2中所述的一种多维度SAR系统几何定标方法，其特征在于：步骤3中的多维度SAR其它波段，包括P或L或S或X或Ka波段，分别与C波段干涉图像进行匹配，获取其它波段图像的若干同名点，同名点在其它波段上的图像坐标记为，b代表波段，每个波段与C波段干涉图像获取的同名点不少于2个。
4.如权利要求3中所述的一种多维度SAR系统几何定标方法，其特征在于：步骤6中解算多维度SAR系统其它波段的几何定标模型参数，具体实现如下：
步骤6.1根据距离多普勒方程，利用同名点的地理坐标估算同名点在其它波段上的初始图像坐标；
步骤6.2利用同名点的图像坐标和初始图像坐标/>，采用随机抽样一致性检验方法，进行几何定标模型待求解参数/>和/>的最小二乘迭代解算；
步骤6.3满足设定阈值条件的几何定标模型参数作为最终解算的几何定标模型参数。
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