一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法。属于遥感影像的微波遥感领域。包括以下步骤：(1)、获取目标区域的航空或航天合成孔径雷达影像、轨道数据及目标区域的DEM数据；(2)、SAR影像多视，DEM根据多视SAR影像的采样间隔重采样；(3)、逐像元计算目标回波强度，生成地理坐标系下的仿真影像；(4)、将地理坐标系下的仿真影像采样到影像坐标系下；(5)、采用相关函数法配准仿真影像与真实影像配准，获得方位向偏移量和距离向偏移量；(6)、根据方位(距离)向偏移量和方位向(距离向)采样频率，计算方位向时间误差并修正及计算距离向时间延迟误差并修正。本发明专利技术不需要控制点数据，能够有效提高合成孔径雷达影像几何参数的精度。何参数的精度。何参数的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法


[0001]本专利技术属于遥感影像的数字摄影测量领域，特别涉及合成孔径雷达影像的几何定位和正射校正；具体是涉及一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法。

技术介绍

[0002]由于观测过程种各种误差的存在，利用SAR数据自带的系统的参数进行几何定位精度不高，必须对系统参数进行定标。定标是通过测定一定数量的控制点，基于有理多项式模型、距离-多普勒模型(Range-Doppler，R-D)或距离-共面模型等几何模型，建立影像与地面点之间的联系，求解系统参数的改正数。
[0003]根据对控制点的需求，SAR影像定标可分为两类：一类是实测控制点，另一类是从DEM中提取控制点。
[0004]实测控制点是通过野外实地测量、高精度的航空摄影测量等手段获取地面点的坐标，并通过人工判读定位在SAR影像上。将控制点的地理坐标和影像坐标带入上述几何模型中，求解对应的几何参数，从而完成定标过程。
[0005]从DEM中提取控制点的方法主要是通过提取DEM的格网点或某些特征点将其定位在SAR影像上作为控制点实用。首先，利用DEM与SAR天线之间的几何关系，计算仿真SAR影像；其次，通过仿真SAR影像与真实SAR影像之间的匹配，将DEM的格网点或特征的定位在真实SAR影像中，作为控制点；第三，从DEM中读取控制点的地理坐标，与影像坐标一起带入上述几何模型中，求解对应的几何参数，从而完成定标过程。
[0006]此外还有一种基于DEM的方法可以提高几何精度，但不涉及参数校正。在R-D模型的基础上，从DEM格网点读取地理坐标并计算其影像坐标，从而建立地理坐标与影像坐标之间的映射关系，即查找表。通过仿真影像与真实影像的配准，使用配准结果修正查找表，提高正射校正的精度。
[0007]实地测量控制点方法精度最高。但是在山区等复杂地形条件下，获取控制点成本高、难度大。特别是在快速的应急应用中或在境外，无法获取控制点。从DEM中提取控制点的方法虽然避免了实地测量，但是提取的点精度较低，特别是在山区往往存在数十米的高程误差，定标过程复杂，容易出现误差累积。而使用查找表的方法则逐点记录了地理坐标与影像坐标的对应关系，没有对几何参数进行定标。

技术实现思路

[0008]针对上述问题，本专利技术提供了一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，该方法直接使用仿真影像与真实影像的匹配结果标定几何参数，无需测量或从DEM中提取控制点；并且在配准过程中，得益于采用较大的匹配窗口，所获取的结果具有很高的精度和鲁棒性。
[0009]本专利技术的技术方案是：一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，利用合成孔径雷达影像和DEM的匹配结果标定方位向时间和距离向时间，其具体操作步骤包括
如下：
[0010]步骤(1.1)、获取目标区域的航空合成孔径雷达影像和POS观测值，或航天合成孔径雷达影像和轨道位置、速度信息，以及目标区域的DEM数据；
[0011]步骤(1.2)、SAR影像多视，DEM根据多视SAR影像的采样间隔重采样；
[0012]步骤(1.3)、根据雷达天线与目标的相对位置关系，计算DEM中每一个像元的回波强度，从而生成地理坐标系下的仿真影像；
[0013]步骤(1.4)、根据R-D模型和DEM中的高程信息，将地理坐标系下的仿真影像采样到影像坐标系下；
[0014]步骤(1.5)、在影像中心取较大窗口，采用相关函数法配准仿真影像与真实影像配准，获得方位向偏移量和距离向偏移量；
[0015]步骤(1.6)、根据方位向偏移量和方位向重复采样频率，计算方位向时间误差并修正，根据距离向偏移量和距离向采样频率，计算距离向时间延迟误差并修正。
[0016]进一步的，在步骤(1.2)中，SAR影像多视以降低斑点噪声，DEM数据根据多视后SAR影像进行重采样，使采样间隔与多视后SAR影像相似；
[0017]其中，SAR影像的方位向为天线飞行方向，距离向垂直于飞行方向指向目标；
[0018]方位向多视数M
az
和距离向多视数M
r
由影像的方位向采样间隔σ
az
、距离向采样间隔σ
r
、影像中心视角θ和多视后分辨率σ共同决定,其公式如下：
[0019][0020]式中，[
·
]表示四舍五入取整，令σ
max
＝max(σ
az
,σ
r
)，σ由下式设定：
[0021][0022]当DEM的采样间隔不大于2σ时，不对DEM重采样；DEM的采样间隔大于2σ时，将DEM重采样至2σ采样间隔。
[0023]进一步的，在步骤(1.3)中，对重采样后的DEM或原始DEM中的每一个格网点计算回波强度；其解算方法包括如下步骤：
[0024](a)、计算天线指向目标位置的视向量L；计算DEM格网点的空间三维坐标P，并根据距离-多普勒模型计算该点的影像坐标(row,col)：
[0025][0026]式中，S表示天线相位中心，P表示目标位置，r表示天线相位中心到目标的距离，f
dop
表示多普勒频率，v表示天线飞行速度，λ表示载波波长；其中，波长λ、速度v和多普勒频率f
dop
从参数文件中读取；由行坐标row计算对应时刻并从内插出该时刻的天线相位中心S，计算视向量：
[0027]L＝P-S
[0028](b)、计算目标位置的局部法向量N；读取DEM中目标位置附近的格网点，计算东西方向和南北方向的梯度矢量r
ew
和r
ns
，局部法向量为二者叉乘：
[0029][0030](c)、按照朗伯余弦定理计算仿真回波强度；漫反射强度为法线方向回波强度与本地入射角余弦的乘积：
[0031][0032]式中，I
N
表示多视SAR影像的平均散射强度；
[0033]对DEM中每一个格网点进行上述计算，获取地理坐标系下的SAR仿真影像。
[0034]进一步的，在步骤(1.4)中，将步骤(1.3)中获取的SAR仿真影像由地理坐标重采样至影像坐标系；首先，读取步骤(a)中计算出的每一个DEM格网点的影像坐标(row,col)；其次，按照影像坐标逐像元进行内插，插值半径一般选择2-4像元，权重一般选择反距离加权或反距离平方加权；逐像元进行内插处理，完成仿真影像由地理坐标向影像坐标的重采样。
[0035]进一步的，在步骤(1.5)中，选择大窗口配准，以提高配准的精度和可靠性；
[0036]配准窗口中心选择真实影像中心，配准窗口大小为满足下列条件的最大值：
[0037][0038]式中，W
win
表示配准窗口宽度，H
win
表示配准窗口高度，W
img
表示真实影像宽度，H
img...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，利用合成孔径雷达影像和DEM的匹配结果标定方位向时间和距离向时间，其具体操作步骤包括如下：步骤(1.1)、获取目标区域的航空合成孔径雷达影像和POS观测值，或航天合成孔径雷达影像和轨道位置、速度信息，以及目标区域的DEM数据；步骤(1.2)、SAR影像多视，DEM根据多视SAR影像的采样间隔重采样；步骤(1.3)、根据雷达天线与目标的相对位置关系，计算DEM中每一个像元的回波强度，从而生成地理坐标系下的仿真影像；步骤(1.4)、根据R-D模型和DEM中的高程信息，将地理坐标系下的仿真影像采样到影像坐标系下；步骤(1.5)、在影像中心取较大窗口，采用相关函数法配准仿真影像与真实影像配准，获得方位向偏移量和距离向偏移量；步骤(1.6)、根据方位向偏移量和方位向重复采样频率，计算方位向时间误差并修正，根据距离向偏移量和距离向采样频率，计算距离向时间延迟误差并修正。2.根据权利要求1所述的一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，在步骤(1.2)中，SAR影像多视以降低斑点噪声，DEM数据根据多视后SAR影像进行重采样，使采样间隔与多视后SAR影像相似；其中，SAR影像的方位向为天线飞行方向，距离向垂直于飞行方向指向目标；方位向多视数M
az
和距离向多视数M
r
由影像的方位向采样间隔σ
az
、距离向采样间隔σ
r
、影像中心视角θ和多视后分辨率σ共同决定,其公式如下：式中，[
·
]表示四舍五入取整，令σ
max
＝max(σ
az
,σ
r
)，σ由下式设定：当DEM的采样间隔不大于2σ时，不对DEM重采样；DEM的采样间隔大于2σ时，将DEM重采样至2σ采样间隔。3.根据权利要求1所述的一种基于DEM匹配的合成孔径雷达影像几何定标方法，其特征在于，在步骤(1.3)中，对重采样后的DEM或原始DEM中的每一个格网点计算回波强度；其解算方法包括如下步骤：(a)、计算天线指向目标位置的视向量L；计算DEM格网点的空间三维坐标P，并根据距离-多普勒模型计算该点的影像坐标(row,col)：
式中，S表示天线相位中心，P表示目标位置，r表示天线相位中心到目标的距离，f
dop
表示多普勒频率，v表示天线飞行速度，λ表示载波波长；其中，波长λ、速度v和多普勒频率f
dop
从参数文件中读取；由行坐标row计算对应时刻并从内插出该时刻的天线相位中心S，计算视向量：L＝P-S(b)、计算目标位置的局部法向量N；读取DEM中目标位置附近的格网点，计算东西方向和...

【专利技术属性】
技术研发人员：花奋奋，于洋，王树果，陈炳乾，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：