JPH02231591A - 合成開口レーダ画像の歪補正方法 - Google Patents

合成開口レーダ画像の歪補正方法

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JPH02231591A
JPH02231591A JP1051936A JP5193689A JPH02231591A JP H02231591 A JPH02231591 A JP H02231591A JP 1051936 A JP1051936 A JP 1051936A JP 5193689 A JP5193689 A JP 5193689A JP H02231591 A JPH02231591 A JP H02231591A
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JP
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image
distortion correction
corrected
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aperture radar
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JP1051936A
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Fuminobu Furumura
文伸 古村
Takatoshi Kodaira
高敏 小平
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は合成開口レーダ画像処理システムにおける高精
度な画像形状歪補正方法に関する。
【従来の技術1 衛星または航空機に搭載された合成開口レーダ(以下S
ARと略す)は全天候で分解能な地表観測画像を得るた
めのセンサである。センサの観測データはホログラムで
あり、一般に地上の処理システムでディジタル処理によ
りホログラムから画像を再生する.この再生処理の詳細
は例えば文献、ヒタチ・レビュー,33 (1984年
)第161頁から166頁(Hitachi Revi
ew, 3 3(1984)PP.161−166)に
おいて論じられているが概略は次のとおりである.第2
図に示すごとく、マイクロ波の地表各点からの反射がア
ジマス方向(センサ進行方向)及びレンジ方向(進行方
向に交差するレーダ照射方向)に拡がったものであると
ころのホログラム(20)を各方向に圧縮する.まずレ
ンジ圧縮(21)L,、得られたデータ(22)に対し
、信号帯域(ルックと言う)に区分しそれぞれについて
アジマス圧縮(23)する.その結果のデータ(24)
の足し合わせすなわちルック加算(25)の結果として
地表画像(26)が再生される. ところが再生画像には (i)センサを搭載した飛翔体の軌道,姿勢のゆらぎ,
センサが斜め側方を観測していること、地表の曲率,地
球の自転に起伏する低周波的な形状歪 (n)地表各点の標高に起因する倒れ込みである高周波
な形状歪 があるため、画像を地図と対応づけて利用するためには
この形状歪を補正し,歪のない画像に変換する必要があ
る.このための従来技術は、生産研究34巻9号(19
82年9月)の前田らによる論文,SEASAT SA
R画像の地形歪補正、において論じられている.その内
容は概略次のとおりである. (1)補正画像から未補正画像八の写像の決定第3図に
示すごとく,補正画像31の座標を未補正画像30の座
標に対応づける写像曹34を求める.このとき地表の起
伏は無視する。未補正画像の座標系32をレンジ,アジ
マスに対応して(R,A) 、補正画像の座標系33を
所定の地図投影法に対応して(u,v)とすると、この
写像▼は形式的に A           V と表わされる.上記従来技術ではこの写像をU,■の多
項式とし,その係数を未補正画像及び地図上から読みと
った基準点(Geodefic ControlPai
nt, GCPと略す》35の座標から最小2乗法によ
り求めている. (2)標高による補正 与えられた補正画像の画素に対応する地図座標(u,v
)から,数値地形モデル( D igitalTerr
ain Model, DTMと略す)を用いて該点の
標高hを求める.一方飛翔体の軌道データから得られる
該画素撮影時刻の飛翔体すなわちセンサ位置と上記地表
点の3次元座標(u,v,h)から、該点とセンサとの
距離(レンジ)を求めこれをR′とする。この結果、座
標を考慮したときの写像は(1)式で求めたRttR’
におきかえたものとなる。 (3)リサンプリング 補正画像の各画素に対し(1),(2)により対応する
未補正画像の座標(R’ ,A)が得られる.第4図に
示すごとくこの座標点41は、未補注画像の画素40と
位置が一致しない.そこで点41の濃淡強度を周囲の点
40の濃淡強度から補関して求める.これをリサンプリ
ングという.補間にはニアレストネイバ法,キュービッ
クコンポルーシ目ン法等が知られている. 以上により形状歪の補正された画像が得られる.【発明
が解決しようとする課題】 上記従来技術には次の問題があった.すなわち(1)G
CPの数が(1)式の多項式モデルの次数から定まる所
定の箇数より少ない時には写像が求まらず,歪の補正が
できない。 (2)写像の精度すなわち歪補正の精度がGCPの数,
配置に依存し、かつGCP以外の場所での精度が予測で
きない。 (3)GCPの標高がほぼ一定でないと写像の精度すな
わち歪補正の精度が低下する。 本発明は上記従来技術の問題点を解決し、(i)GCP
数,配置等の制約がなく (ii)画像全体について精度の予測が可能な高精度な
SAR画像の形状歪補正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段1 上記目的を達成するために、歪補正係数作成処理とリサ
ンプリング処理からなる画像補正処理において、合成開
口レーダを搭載した飛翔体の軌道,姿勢データおよび地
球形状モデルから合成開口レーダ再生画像の各点を補正
画像中の点に対応づけるモデルを用いて補正画像中の複
数の代表点において該点に対応する再生画像中の位置を
求める処理と、該位置データから補正画像の各画素に対
応する再生画像の処理を求める歪補正係数を作成する処
理と、該係数を用いて得た補正画像の各画素に対応する
再生画像位置の画像強度を再生画像の画素強度のリサン
プリングにより求める処理を設けたものである. さらに、高精度化のために再生画像中の1つ以上の基準
点の該画像PJi櫟と、咳点の地図座標とから飛翔体の
軌道,姿勢データを推定する処理を設けだものである。 さらに、地表の起伏による歪の高精度な補正のために歪
補正係数により与えられる補正画像の各画素に対応する
再生画像中の位置を地表の標高データにより修正し、該
修正位置の画像強度を再生画像の画素強度の2次元リサ
ンプリングにより求める処理を設けたものである。 【作用】 飛翔体の軌道,姿勢データおよび地球形状モデルから、
補正画像から未補正画像への写像を決定するので、GC
Pの数が少なくても、特にGCPがなくても歪の補正が
できる。 さらにGCPが与えられた場合には、GCPを用いて飛
翔体の軌道,姿勢データを推定するので、その推定精度
から写像すなわち歪補正の精度を、GCP以外の場所に
ついても予測できる。この際、各GCPの標高に差があ
っても飛翔体の軌道,姿勢データを推定できるので,G
CPの配置に制約がなく適用できる。 以上により.GCPとDTMを用いて高精度なSAR画
像の歪補正が可能になる。
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。 第1@は本発明によるSAR画像の歪補正処理の全体フ
ロー図である。まず飛翔体の軌道・姿勢パラメータを推
定する。(処理10)このパラメータを用いて補正画像
から未補正の再生画像への写像Wを決定する。(処理1
1)次にこの写像を用いて歪補正係数を決定する。(処
理12)最後にこの係数を用いて再生画像14に対しリ
サンプリング処理13をほどこし、所望の補正画像15
を得る。以下各処理の詳細を示す。なお処理10におい
て再生画像14およびGCPデータ16を用いる高精度
化の方法について第2の実施例で、また処理17におい
てDTM17を用いる高精度化の方法について第3の実
施例でそれぞれ示す。 処理10は第5図に示すごとく、軌道パラメータの推定
処理51と姿勢パラメータの推定処理53から成る。処
理51は飛翔体の追跡観測あるいは飛翔体搭載センサか
ら得られる時系列の軌道データ50を入力とし、それを
時刻の多項式近似したときの係数を求める。すなわち時
刻tにおける飛翔体位置を地球固定座標系(x(tL 
y(t),Z(t))または緯度,経度,高度系で(l
at (t) =1on(t), h(t))とすると
き各成分をtの多項式で表わす。例えばx (t)を ?(t)=x,+x■t+x2t”+−=+Xnt”+
x(t)(1)式 で表わす。多項式の次数には3ないし4とすればよい。 またx (t)は多項式近似の残差で高次あるいは高周
波成分である。(1)式のパラメータx0, xエ,・
・・IXnは次の最小2乗法により求める6すなわち評
価 f {χ(t)−(x.+x1t +x, t”+−・
・・+ xn t ’)}2d tt1 (2)式 を最小にするx0, xl,・・・,Xnを求める。こ
こに、x (t)は軌道データ5oにより与えられる値
、tエとt2は処理対象とするシーンの撮影開始および
終了時刻である.いま軌道データ50が離散時刻で与え
られている場合には(2)式の積分を次の和の形に代え
ればよい。 Σ(x(t)−(x.+x1t+x.t”+−=+xn
t”))”   (2)’式他の軌道要素y (t) 
r z(t)またはlat(t), ion(t),h
(t)についても伺様の処理を行なう.さらに軌道デー
タ50で与えられる,飛翔体速度の各成分V x(t)
 r V y(t) , v z(t)についても同様
に多項式近似係数を求める.処理53は飛翔体搭載セン
サから得られる時系列の姿勢データ52を入力とし、そ
れを時刻の多項式近似したときの係数を求める.すなわ
ち時刻tにおける飛翔体の姿勢角を軌道座標系あるいは
地球固定座標系で(roll(t),pitch(t)
, yaw(t))とするとき各成分をtの多項式で表
わす.例えば、roll(t)をroll(t)= r
,+ r1t + r2t2+・・・・・・+rntn
+r(t)   (3)式で表わす。多項式の次数nは
3ないし4とすればよい.またr (t)は多項式近似
の残差で高次および高周波成分である。(3)式のパラ
メータは軌道パラメータと同様最小2乗法により求める
。 すなわち評価 f  (roll(t)−(rll+rit+r.t″
+−−+ rn tfl))” d t”      
                (4)式あるいは Σ(roll(t)−(r,,+r1t+r,t”+−
+rnt″)}”  (4)’式を最小にするrlll
 rエ,r2,・・・H  rnを求める.他の姿勢角
成分pitch(t), yaw(t)についても同様
である. 処理11は第6図に示すごとく補正画像60を分割する
格子の各点61について,未補正の再生画像62中の対
応する点63への写像!64を求める.この写像▼は直
接得られないので再生画像から補正画像への写像Tから
第7図に示す繰返し演算により求める。すなわち未補正
画像の座標系66における点位置(R,A)がら幾何モ
デルと地図モデルによる写像Tにより補正画像の座標系
67における座ml(u,v)を求メル.  <処yi
i70)これと所望の格子点61の座標( u., v
,)との誤差を次のように計算する.(処理71)この
誤差を用いて(R,A)を(R+ΔR,A+ΔA)に修
正する.(処理72)修正量はにより得られる.微係数
は幾何,地図モデルから解析的に、または数値的に求め
る−(utv)の誤差が十分小さくなるまで処理70〜
72を繰返す。第8図は写像Tの内容を示すものである
.一未補正画像の座IjI(R,A)80を幾何モデル
81により地表点の地球固定系の座標(xt y+ z
)82に変換する.次に地図モデル83により、(Xy
3’yZ)を緯度,経度に変換したのち、メルカトール
法等,所定の投影法に従う地図座標(u,v)84に変
換する.第9図は幾何モデル81を説明する図である.
まず処理10で求めた軌道パラメータを用いて飛翔体の
位置と速度ベクトルを求める.着目点のアジマス(A)
座標から時刻tが得られる.このtと軌道パラメータか
ら例えば飛翔体位置のX成分を x=x,+x,t+x,t”+・・・・・・+xnt.
”     (7)式により求める* y,z成分ある
いはlat, ion, h成分も同様に求める。その
結果tにおける飛翔体すなわちセンサ位flrs= (
x  y  z)”90を得る。同様に軌道パラメータ
から飛翔体速度のX成分を lv ” (Vx Vy vz)”/ (vx”+vy
”+vz”)     (8)式と得られる。所望の点
r= (x  y  z)”は、孤93上にあることか
ら (r   rs)” (r − rs)  =R2(r
−rs)n=0 (11)式 (12)式 として得る.tにおけるレーダビーム面92上でセンサ
からの距離がRである円孤93と地表面94との交点r
95が所望の地表点である。処理10で求めた姿勢パラ
メータを用いて、軌道と同様にtにおける姿勢角をr0
11についてを満たす。一方ここでは地表の起伏を無視
し、他表が離心率e,赤道半径Reの回転楕円体である
と近似すれば、地球固定系97でrの座標はroll 
= r,+ r, t 十r, t2+,,,,,,+
 rnt’    (9)式により、pitch, y
awについても同様に求める。この姿勢角とセンサの飛
翔体への取付角から、速度ベクトル1vからビーム面の
法線ベクトルユ96への直交変換行列Mを得る。このM
を用いて工はn ” M 1 v (10)式 を満たす。そこで(11)〜(13)式を連立させてr
が求まる。これが幾何モデル81である。 次に処理12の内容を説明する。第10図に補正画像中
の格子100の一部である4角形のブロック101を示
す。このブロック内の補正画像座標(u,v)から未補
正画像座標(R,A)への写像▼を ?近似する。この係数R。,・・・,R3、A6,・・
・,A3は次のように求まる。すなわち注目ブロックの
四隅■〜■のu,v座標と対応するA座標からA0,・
・・A■を得る。また■〜■のU座標と対応するA,R
座標からR0,・・・,R3を得る。以上の処理を補正
画像の全ブロックに対して行なうことにより得られる係
数を歪補正係数と呼ぶ。(14)式の陪線形モデルはブ
ロックの境界で連続であるという特長がある。 最後にリサンプリング処理13の内容を第11図により
説明する。縦リサンプリング処理112は座標系(R,
A)110にある未補正の再生画像111に対し縦すな
わちR方向のリサンプリングを行ない座標系(u,A)
113にある中間画像114を生成する。すなわち画像
114の各画素座標に対し(14)の第1式を用いて対
応するR座標を求め、該座標における画像111の強度
を補間により求める。補間では第12図に示すごとく注
目する画素位置R(120)の両側に隣接する複数の画
素座標111・・・l x,における強度fi(1”l
i+・・・,i,)を適当な曲線または直線121で補
間して、所望の強度f122を求める。一般には f=ΣL−w (i −R)      (15)式の
積和演算となる。重みWの形によりニアレストネイバ法
,キュービックコンポルーション法が知られている。例
えば文献,土屋等による“全ディジタル方式による高精
度地球観測画像情報処理技術″,日立評論62.3 (
1980年)を参照されたい。次に横リサンプリング処
理115で同様は(14)の第2式を用いて中間画像1
14から座標系(u,v)116にある補正画像117
を得る.リサンプリングにおいてブロックに応じた歪補
正係数を用いることは言うまでもない.以上によりSA
R画像の歪補正が行なえる。 次に第2の実施例としてGCPを用いて歪補正を高精度
化する方法を述べる.第13図に示すごとく、第5図に
示した方法で得た飛翔体の軌道,姿勢パラメータを高精
度化することにより歪補正の精度を高めるものである.
acpは地図上の位置すなわち緯,経,高度あるいは(
xt ye z)が正確に知られており,かつ画像上で
検出可能な特徴点であり、その地図座標はファイルl7
に蓄えておく.まず再生画像14をディスプレイに表示
し、各GCPの画像座標(R,A)を読みとる.(13
0)次にこの座標とファイル17中の地図座標を用いて
パラメータの精度推定を行なう.(1 3 1)いま推
定対象とする飛翔体の位置,姿勢の多項式係数の集まり
をベクトル五と表わす.第iGCPに対し幾何モデル8
lを用いて(R,A》から予測した地表点座標を工t 
(1)と表わす.一方ファイル17で与えられる該GC
Pの地図座標を−Llとする.このとき評価 J=(g−go)”w.(g−&l)+Σ(yt it
 (g))”ws (yi fi (g))(l6)式 を最小にする工が所望のパラメータ値である.ここに1
0は処理51.52で得たパラメータ値、W.はその重
みマトリックス、w1は21の誤差共分散の逆行列に相
当する重みマトリックスである.この最小2乗法はニュ
ートンラフソン法またはカルマンフィルタにより解くこ
とができる.具体的には先願、特願昭58−22750
を参照されたい.なお幾何モデル8lで用いる(l3)
式のReは、ここでは地球表面の起伏を考慮し、各GC
Pごとに各点の地図座標(x’,y’z’)を用いて で求める. 次に第3の実施例としてDTMを用いて歪補正を高精度
化する方法を述べる.リサンプリング処理13は第14
図に示すものに置き換える.すなわち以下の処理を補正
画像の各画素に対し行なう。 まず与えられたDTMl7の補間140により該画素に
対応する地表点の標高を求める.この標高と軌道パラメ
ータ141と歪補正係数143から該点観測時のレンジ
距離R′を算出する.(142)このR′と歪補正係数
143を用いて再生画像14に対して2次元リサンプリ
ング144を施こして所望の補正画像15を得る.補間
140は標高の2次元配列のリサンプリングであり、(
14)と同等の式を用いて前述の処理13と同様2段階
の1次元リサンプリングとして実現できる.処理142
は第15図に示すごとく、歪補正係数Ass・・・,A
3を用いて(14)の第2式より対応する再生画像のア
ジマスAを求める.このAより撮影時刻tを得、軌道パ
ラメータを用いて(7)式より飛翔体位置rsを得る.
一方補正画像の画素(up v)に対応する回転楕円体
151上の地表点L152の座標と上記DTMの補間で
求めた標高とから地表の起伏を考慮した二の直上にある
地表点r’ 153の座標を得る.raとL′からレン
ジ距離R′を により得る.処理144では、第16図に示すごとく上
述のRとAが所望の画素に対応する未補正画像の画素点
160であるから,この点の強度を周囲の画素点161
の強度から補関する.まず周、囲の各レンジラインにつ
いてアジマス方向に1次元リサンプリングを行ない、該
A位置162の強度を求める.次に二九をレンジ方向に
1次元リサンプリングし,所望の点160の強度を得る
.ここで起伏を考慮したため,歪の局所的線形性が失な
われたため,第11図に示すごとき2段階の1次元リサ
ンプリングを適用することはできない.以上により起伏
を考慮した高精度歪補正が可能となる. なお、第2及び第3の実施例を組合せて高精度化を図る
ことが可能なことはもちろんである。 [発明の効果】 本発明によれば、 (1)飛翔体の軌道,姿勢データおよび地球形状モデル
から、補正画像から未補正画像への写像を決定できるの
で、GCFの数が少なくても、特にGCPがなくても歪
の補正ができるという効果がある. (2)GCPを用いて飛翔体の軌道,姿勢データを推定
するので,その推定精度から写像すなわち歪補正の精度
を、GCP以外の場所についても予測できるという効果
がある。 (3)各GCPの標高に差があっても飛翔体の軌道,姿
勢データを推定できるので、GCPの配置に制約がなく
適用できるという効果がある. (4)GCPとDTMを用いて、高精度なSAR画像の
歪補正が,可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の合成開口レーダ画像の歪補
正方法の処理フロー図、第2図は合成開口レーダの画像
再生処理フロー図、第3図は補正画像と未補正画像の間
の写像を示す図、第4図は画像のリサンプリングを説明
するための図、第5図は第1図のフローを構成する軌道
・姿勢パラメータ推定処理のフロー図、第6図は第1図
のフローを構成する写像の決定処理を説明するための図
、第7図は同じく写像の決定処理のフロー図、第8図は
写像の内容を示す図、第9図は幾何モデルを説明するた
めの図、第10図は画像のブロックを示す図、第11図
は2段階リサンプリングを示す図、第12(i!は画像
強度の補間を示す図、第13図は第2の実施例における
軌道・姿勢パラメータ推定処理のフロー図、第14図は
第3の実施例におけるリサンプリング処理のフロー図,
第15図は該処理のレンジ距離計算を説明するための図
、第16図は同じく2次元リサンプリングを説明するた
めの図である. 第2図 案,15′目 第乙区 第7目 第7ρ目 第 72 図 茅/.?目

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、歪補正係数作成処理とリサンプリング処理からなる
    画像補正処理方法において、合成開口レーダを搭載した
    飛翔体の軌道、姿勢データおよび地球形状モデルから合
    成開口レーダ再生画像の各点を補正画像中の点に対応づ
    けるモデルを用いて補正画像中の複数の代表点において
    該点に対する再生画像中の位置を求める処理と、該位置
    データから補正画像の各画素に対応する再生画像の位置
    を求める歪補正係数を作成する処理と、該係数を用いて
    得た補正画像の各画素に対応する再生画像位置の画像強
    度を再生画像の画素強度のリサンプリングにより求める
    処理を設けたことを特徴とする合成開口レーダ画像の歪
    補正方法。 2、上記再生画像中の1つ以上の基準点の該画像座標と
    、該点の地図座標とから飛翔体の軌道、姿勢データを推
    定することを特徴とする請求項1項記載の合成開口レー
    ダ画像の歪補正方法。 3、上記歪補正係数として縦方向及び横方向の2種類を
    作成し、縦方向および横方向の1次元リサンプリングを
    順次行なうことを特徴とする請求項1項記載の合成開口
    レーダ画像の歪補正方法。 4、上記歪補正係数により与えられる補正画像の各画素
    に対応する再生画像中の位置を地表の標高データにより
    修正し、該修正位置の画像強度を再生画像の画素強度の
    2次元リサンプリングにより求めることを特徴とする請
    求項1項記載の合成開口レーダ画像の歪補正方法。
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