基于星載高分辨率sar圖像聚焦性能的地面高程反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種地面高程反演方法，具體地，涉及一種基于星載高分辨率SAR圖 像聚焦性能的地面高程反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 星載合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar, SAR)因其全天時(shí)、全天候、高分 辨率及寬測(cè)繪帶對(duì)地觀測(cè)能力在地形測(cè)繪、海洋監(jiān)測(cè)及農(nóng)業(yè)普查等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng) 用。針對(duì)地形測(cè)繪，主要有干涉SAR和雷達(dá)立體測(cè)量?jī)煞N技術(shù)，這兩種技術(shù)均在傳統(tǒng)SAR 的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)同一地區(qū)的多幅SAR圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)地面觀測(cè)場(chǎng)景的數(shù)字高程模型 (Digital Elevation Model, DEM)重建。
[0003] 但利用單幅星載SAR圖像重建地面高程尚未有公開(kāi)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于星載高分辨率SAR圖像聚 焦性能的地面高程反演方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于星載高分辨率SAR圖像聚焦性能的地面高程反演方法，包 括如下步驟：
[0006] 步驟1 :利用單幅星載SAR圖像建立雷達(dá)等效速度與目標(biāo)方位、距離及高度位置的 關(guān)系t吳型；
[0007] 步驟2 :根據(jù)雷達(dá)等效速度與目標(biāo)方位、距離及高度位置的關(guān)系模型進(jìn)行SAR成像 處理；
[0008] 步驟3 :根據(jù)SAR圖像自聚焦提取等效速度誤差參數(shù)；
[0009] 步驟4 :利用等效速度誤差參數(shù)反算地面實(shí)際高程。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟1包括：
[0011] 步驟I. 1 :利用SAR系統(tǒng)雷達(dá)斜距多普勒幾何以及地面高程模型對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景中不 同方位、不同高度位置上的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定位；
[0012] -所述SAR系統(tǒng)的雷達(dá)斜距多普勒幾何計(jì)算公式如下所示：
[0015] 其中：示地面目標(biāo)三維位置向量，P t= (p t,x，pt,y，pt, z)，ptiX、pt,y和P。分別為 目標(biāo)在地球固定坐標(biāo)系的X、Y、Z軸坐標(biāo)值，下標(biāo)TX和RX分別代表發(fā)射和接收雷達(dá)，p Tx (ta) 表示發(fā)射天線相位中心在ta時(shí)刻的位置向量，v Tx(ta)表示發(fā)射天線相位中心在ta時(shí)刻的 速度向量，P Rx(ta)表示接收天線相位中心在ta時(shí)刻的位置向量，vRx(t a)表示接收天線相位 中心在ta時(shí)刻的速度向量，r。為目標(biāo)到雷達(dá)的距離，λ表示雷達(dá)波長(zhǎng)，€,表示雷達(dá)與目標(biāo) 之間的瞬時(shí)多普勒頻率；
[0016]-所述地面高程模型采用地球橢球模型，計(jì)算公式如下所示：
[0018] 式中：?表示地球赤道半徑，下標(biāo)e代表地球，h表示目標(biāo)高程，f表示地球扁平因 子；
[0019] 步驟1. 2 :利用雙曲模型擬合求取雷達(dá)等效速度；
[0020] 步驟1. 2. 1 :選取t。時(shí)刻周圍合成孔徑時(shí)間內(nèi)的五個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分別計(jì)算所述時(shí)間 點(diǎn)雷達(dá)斜距r(ta);
[0021] 步驟1. 2. 2 :利用步驟1. 2. 1計(jì)算得到的斜距值擬合解算雷達(dá)等效速度，計(jì)算公式 如下所示：
[0023] 式中：r(ta)表示1時(shí)刻雷達(dá)斜距，t。表示選定的參考時(shí)刻，ra表示常數(shù)擬合項(xiàng)，V e 表示雷達(dá)等效速度；
[0024] 步驟1. 3 :根據(jù)SAR系統(tǒng)雷達(dá)等效速度在整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)景范圍內(nèi)具有空變性，建立如 下模型：
[0026] 式中：ve(ta，r，h)表示等效速度隨方位時(shí)間t a、雷達(dá)斜距和地面高度的函 數(shù)，ta#f表示參考方位時(shí)間，r 表示參考斜距，h 表示參考高程，r表示雷達(dá)斜距， 以ta#f，r"f，h raf)表示參考方位時(shí)間、參考斜距及參考高程下的等效速度A表示等效速度 隨方位時(shí)間的變化斜率，1^表示等效速度隨斜距的一次變化率，心表示等效速度隨斜距的 二次變化率，k h表示等效速度隨目標(biāo)高程的一次變化率，k ^表示等效速度隨目標(biāo)高程及雷 達(dá)斜距的變化率。
[0027] 優(yōu)選地，所述步驟2包括：采用時(shí)域后向投影成像處理、距離多普勒成像處理、線 性變標(biāo)成像處理這三種算法中的任一種算法進(jìn)行SAR系統(tǒng)成像處理。
[0028] 優(yōu)選地，所述步驟3包括：利用等效速度誤差引入的相位誤差在多普勒域展現(xiàn)出 的二階特性，采用自聚焦處理提取二階相位誤差分量，從而反演得到等效速度誤差，計(jì)算公 式如下：
[0029]
[0030] 式中：《"(./；)表示自聚焦處理提取的二階相位誤差隨多普勒頻率f/變化函數(shù)，^ 表示等效速度，Λ \表示等效速度誤差，Λ \表示等效速度誤差。
[0031] 優(yōu)選地，所述步驟4包括：
[0032] 步驟4. 1 :計(jì)算實(shí)際地面高度與參考高度的差值，計(jì)算公式如下：
[0033] Ah=A ve/[kh+khjr · (r-rref)]；
[0034] 式中：Λ h表示實(shí)際地面夠阿城與參考高程的差，Λ \表示提取的等效速度誤差， kh表示等效速度隨目標(biāo)高程的一次變化率，k Μ表示等效速度隨目標(biāo)高程及雷達(dá)斜距的變 化率；
[0035] 步驟4. 2 :反算地面高程，計(jì)算公式如下：
[0036] H = href+ Δ h ；
[0037] 式中：H表示地面實(shí)際高程，hraf為參考高程。
[0038] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0039] 1、本發(fā)明首次提出了一種基于單幅高分辨率SAR圖像聚焦深度的目標(biāo)高程反演 方法。
[0040] 2、本發(fā)明提供的基于單幅高分辨率SAR圖像聚焦深度的目標(biāo)高程反演方法可有 效地拓展超高分辨率SAR系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，如城市區(qū)域三維重建等。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0042] 圖1為本發(fā)明提供的仿真場(chǎng)景示意圖；
[0043] 圖2為本發(fā)明提供的SAR成像結(jié)果示意圖；
[0044] 圖3為本發(fā)明提供的歸一化點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)方位向剖面圖；
[0045] 圖4為本發(fā)明提供的地面實(shí)際高程反演結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于星載高分辨率SAR圖像聚焦性能的地面高程反演方法，包 括如下步驟：
[0048] 步驟1 :利用單幅星載SAR圖像建立雷達(dá)等效速度與目標(biāo)方位、距離及高度位置的 關(guān)系t吳型；
[0049] 步驟2 :根據(jù)雷達(dá)等效速度與目標(biāo)方位、距離及高度位置的關(guān)系模型進(jìn)行SAR成像 處理；
[0050] 步驟3 :根據(jù)SAR圖像自聚焦提取等效速度誤差參數(shù)；
[0051] 步驟4 :利用等效速度誤差參數(shù)反算地面實(shí)際高程。
[0052] 具體地，利用單幅高分辨率SAR圖像聚焦性能的地面高程反演方法，其通過(guò)建立 等效速度與目標(biāo)高程之間的關(guān)系模型，并通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)聚焦深度估計(jì)得到成像處理采用的 等效速度誤差，最后通過(guò)求解一逆問(wèn)題獲得目標(biāo)點(diǎn)的高程信息。
[0053] 優(yōu)選地，所述步驟1包括：
[0054] 步驟I. 1 :利用SAR系統(tǒng)雷達(dá)斜距多普勒幾何以及地面高程模型對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景中不 同方位、不同高度位置上的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定位；
[0055] 具體地，在觀測(cè)場(chǎng)景內(nèi)不同方位、距離位置上設(shè)置具有不同高度的目標(biāo)點(diǎn)，所述目 標(biāo)點(diǎn)的位置可通過(guò)SAR定位方程組獲取，然后分別計(jì)算這些目標(biāo)點(diǎn)的雷達(dá)等效速度，并通 過(guò)擬合處理建立雷達(dá)等效速度與目標(biāo)方位、距離及高度位置的關(guān)系模型。
[0056]-所述SAR系統(tǒng)的雷達(dá)斜距多普勒幾何計(jì)算公式如下所示：
[0059] 其中：示地面目標(biāo)三維位置向量，p t= (p t,x，pt,y，pt, z)，ptiX、pt,y和P。分別為 目標(biāo)在地球固定坐標(biāo)系的X、Y、Z軸坐標(biāo)值，下標(biāo)TX和RX分別代表發(fā)射和接收雷達(dá)，p Tx (ta) 表示發(fā)射天線相位中心在ta時(shí)刻的位置向量，v Tx(ta)表示發(fā)射天線相位中心在ta時(shí)刻的 速度向量，P Rx(ta)表示接收天線相位中心在ta時(shí)刻的位置向量，vRx(t a)表示接收天線相位 中心在ta時(shí)刻的速度向量，r。為目標(biāo)到雷達(dá)的距離，λ表示雷達(dá)波長(zhǎng)，€,表示雷達(dá)與目標(biāo) 之間的瞬時(shí)多普勒頻率；
[0060] -所述地面高程模型采用地球橢球模型，計(jì)算公式如下所示：
[0062] 式中：?表示地球赤道半徑，下標(biāo)e代表地球，h表示目標(biāo)高程，f表示地球扁平因 子；
[0063] 更進(jìn)一步地，利用雷達(dá)在發(fā)射和接收脈沖之間的運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)合采用地球橢球模 型觀測(cè)地面高程，求解目標(biāo)點(diǎn)空間位置。
[0064] 步驟1. 2 :利用雙曲模型擬合求取雷達(dá)等效速度；
[0065] 步驟1. 2. 1 :選取t。時(shí)刻周圍合成孔徑時(shí)間內(nèi)的五個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分別計(jì)算所述時(shí)間 點(diǎn)雷達(dá)斜距r(ta);
[0066] 步驟1. 2. 2 :利用步驟1. 2. 1計(jì)算得到的斜距值擬合解算雷達(dá)等效速度，計(jì)算公式 如下所示：
[0067] ^ +
[0068] 式中：r(ta)表示1時(shí)刻雷達(dá)斜距，t。表示選定的參考時(shí)刻，ra表示常數(shù)擬合項(xiàng)，V e 表示雷達(dá)等效速度；
[0069] 步驟1. 3 :根據(jù)SAR系統(tǒng)雷達(dá)等效