一种无控制点测绘SAR基线标定方法与流程

本发明涉及一种无控制点测绘sar基线标定方法，属于合成孔径雷达(sar)数据处理
技术领域：
。
背景技术：
：星载合成孔径雷达(sar)作为一种重要的高分辨率微波遥感对地观测手段，近几年来受到越来越多的重视。sar具有全天时、全天候的工作能力，且可以在多频段、多极化方式下获得目标的高分辨率图像，因此在地形测绘、海洋监测、减灾防灾、农业、林业和军事侦察等领域发挥着重要作用。南极存在永久阴影区，且地形起伏较大，光学测绘系统受光照条件限制，不能满足阴影区地形测绘的需求，需要利用测绘sar技术来进行三维地形测绘。高精度测绘sar采用干涉合成孔径雷达(insar)技术获取观测目标数字高程模型(dem)信息，应用insar技术获取dem时，基线误差是影响insar高程测量精度的主要误差源之一，在进行dem高程反演时，需要高精度基线参数来提高dem数据精度。而由于平台姿态误差、天线相位中心误差、天线安装误差、测量设备误差及模型转换误差等误差源的存在，通过直接测量方式很难直接获取高精度的基线参数信息，必须通过高精度基线估计方法来进行基线参数估计。目前国内外关于insar基线估计方法主要分为两大类，一类基于卫星轨道数据进行基线估计，另一类基于干涉相位条纹信息或地面控制点信息进行基线估计。第一类方法一般用于分布式卫星干涉或重轨干涉sar系统基线估计，且基线估计精度较低；第二类方法基线估计精度较高，但要求已知参考区域或地面控制点高程信息。对于测绘sar而言，由于表面无直接可利用的高程控制点，且在月面布设控制点(角反射器)难度极大，因而现有基线标定方法不适用于测绘sar基线标定。技术实现要素：本发明的技术解决问题：克服现有基线标定方法需要地面控制点的不足，提供了一种无控制点测绘sar基线标定方法，本方法仅需要参考区域为平坦区域，不需要精确已知参考区域的高程信息，且不需要布设人工定标器等地面控制点，可以有效解决测绘sar很难获取高程控制点的难题，算法稳健性好，实用性强。本发明技术解决方案：一种无控制点测绘sar基线标定方法，该方法步骤如下：(1)、采用测绘sar系统获取观测区域两幅sar图像，对两幅sar图像进行干涉处理，得到观测区域的干涉相位，从中选取一块均匀平坦区域干涉相位，作为参考平地区域干涉相位；(2)、将方位向参考平地区域干涉相位进行平均处理，得到参考平地沿距离向观测点干涉相位k＝1～n，n对应参考平地区域干涉相位沿距离向观测点数；(3)、设置参考平地区域干涉相位对应的观测点初始高程值hik为相同的参考平地区域高度值hi，并进入步骤(4)；(4)、以sar基线矢量构成状态变量，建立基线矢量状态空间模型，根据干涉相位与基线矢量的关系模型，建立干涉相位观测模型，根据参考平地沿距离向干涉相位，采用扩展卡尔曼滤波方法估计观测区域初始高程值hi对应的sar基线矢量(bxi,bzi)；(5)、根据步骤(4)得到的观测区域高程值对应的sar基线矢量(bxi,bzi)估计值和步骤(1)中获取的参考平地区域距离向干涉相位k＝1～n，计算出对应的观测区域反演高程信息h0ik，k＝1～n；(6)、按照步进大小δh，改变参考平地区域高度值hi，重复步骤(4)～(6)，直到遍历完预设的观测区域高程区间内所有高程值；(7)、基于均方误差最小准则，计算观测区域初始高程值hi和观测区域反演高程信息h0ik，k＝1～n，间的均方误差，选取均方误差最小的一组观测区域初始高程值hi和观测区域反演高程信息h0ik对应的基线矢量(bxi,bzi)作为最终基线估计结果。所述步骤(4)的具体实现为每一个计算周期执行如下步骤：(4.1)、计算卡尔曼增益kik：其中，为上一个计算周期的状态变量均方误差矩阵，状态变量均方误差矩阵初值pi0取值为单位阵rik为观测噪声系数，设定为1；hik表示干涉相位对基线矢量的偏导数，设定为和计算方式如下：式中，p表示测绘sar工作模式参数，p＝1，表示“一发两收”工作模式，p＝2表示自发自收，即“乒乓模式”，rk表示参考平地沿距离向观测点斜距，其中，rnear为近距端斜距，c为光速，fs为距离向采样频率，j为距离向像素位置，h为卫星平台高度，hi为参考平地区域高度值，为基线长度；(4.2)、更新状态变量xik及其误差方差矩阵pik：其中，为上一个计算周期的状态变量，为上一个计算周期的状态变量计算的干涉相位值，i为单位阵。所述上一个计算周期的状态变量计算的干涉相位值的计算公式为：式中，为上一个周期的状态变量，rk表示参考平地沿距离向观测点斜距。所述步骤(5)中观测区域反演高程信息h0ik的具体计算公式为：式中，h为卫星平台高度，αi＝atan(bzi/bxi)表示基线倾角，表示参考平地区域干涉相位，rk表示参考平地沿距离向观测点斜距，其中c为光速，fs为距离向采样频率，k为距离向像素位置，h为卫星平台高度，hi为参考区域高度，为基线长度。所述参考平地区域干涉相位通过如下方式获取：采用测绘sar系统获取观测区域两幅sar图像，对两幅sar图像进行干涉处理，得到观测区域的干涉相位，从中选取一块均匀平坦区域干涉相位，作为参考平地区域干涉相位。所述目标区域高程区间内包括参考区域的真实高程。所述步进大小δh设定为小于目标高程测量精度。本发明与现有技术相比的有益效果是：(1)、本发明针对测绘sar很难获取高程控制点的特点，通过建立参考目标区域干涉相位与基线矢量的函数模型，将目标区域高程信息设定为一个未知量区间进行遍历估计，然后基于均方误差最小准则筛选基线估计结果，从而实现无控制点条件下高精度基线估计。(2)、本发明提出的无控制点高精度测绘sar基线标定方法仅需要参考区域为平坦区域，不需要精确已知参考区域的高程信息，解决了测绘sar很难获取高程控制点的难题，算法稳健性好，实用性强。(3)、相比于现在定标方法，不需要布设人工定标器等地面控制点，可以有效解决测绘sar很难获取高程控制点的难题，算法稳健性好，实用性强。附图说明图1是本发明方法数据处理流程图；图2是本发明实施例方位向和距离向示意图；图3是本发明实施例中目标区域dem示意图；图4是本发明实施例中目标区域干涉相位图；图5是本发明实施例中基线参数bx估计结果；图6是本发明实施例中基线参数bz估计结果。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。如图1所示，一种无控制点高精度测绘sar基线标定方法，该方法的步骤包括：获取参考平地区域干涉相位、设定目标区域高程区间和步进大小、基线参数估计三部分，具体步骤如下：(1)、采用测绘sar系统获取观测区域两幅sar图像，对两幅sar图像进行干涉处理，得到观测区域的干涉相位，从中选取一块均匀平坦区域干涉相位，作为参考平地区域干涉相位；(2)、将方位向参考平地区域干涉相位进行平均处理，得到参考平地沿距离向观测点干涉相位k＝1～n，n对应参考平地区域干涉相位沿距离向观测点数；如图2所示，方位向表示卫星飞行的方向，距离向表示垂直于卫星飞行方向。(3)、设置参考平地区域干涉相位对应的观测点初始高程值hik为相同的参考平地区域高度值hi，并进入步骤(4)；(4)、以sar基线矢量构成状态变量，建立基线矢量状态空间模型，根据干涉相位与基线矢量的关系模型，建立干涉相位观测模型，根据参考平地沿距离向干涉相位，采用扩展卡尔曼滤波方法估计观测区域初始高程值hi对应的sar基线矢量(bxi,bzi)；状态空间模型为：x(k+1)＝a·x(k)+w(k)(1)其中，x＝(bxbz)t，bx，bz为基线参数的两个分量，a为状态转移矩阵，本方法中w(k)为扰动噪声；基线矢量的观测模型为：其中，为目标点干涉相位，f(xk)表示干涉相位与基线矢量间的函数关系，nk为观测噪声；f(xk)表示干涉相位与基线矢量间的函数关系，nk为观测噪声；式中，xk为状态变量，r表示观测点斜距，h为卫星平台高度，h为观测点高度。则基于扩展卡尔曼滤波(ekf)进行基线估计的具体实现流程为：初始状态：xi0表示基线矢量的初始值(bxi0bzi0)t，取为基线的初始设计值，pi0为系数的初始值，设定为单位阵每一个计算周期执行如下步骤：(3.1)、计算卡尔曼增益kik：其中，为上一个计算周期的状态变量均方误差矩阵，状态变量均方误差矩阵初值pi0取值为单位阵rik为观测噪声系数，设定为1；hik表示干涉相位对基线矢量的偏导数，设定为和计算方式如下：式中，p表示测绘sar工作模式参数，p＝1，表示“一发两收”工作模式，p＝2表示自发自收，即“乒乓模式”，rk表示参考平地沿距离向观测点斜距，其中，rnear为近距端斜距，c为光速，fs为距离向采样频率，j为距离向像素位置，h为卫星平台高度，hi为参考平地区域高度值，为基线长度；(3.2)、更新状态变量xik及其误差方差矩阵pik：其中，为上一个计算周期的状态变量，为上一个计算周期的状态变量计算的干涉相位值，i为单位阵。所述上一个计算周期的状态变量计算的干涉相位值的计算公式为：式中，为上一个周期的状态变量，rk表示参考平地沿距离向观测点斜距。如：f(xi0)为根据基线初始值(bxi0bzi0)t计算的干涉相位值。i为单位阵。(5)、根据步骤(4)得到的观测区域高程值对应的sar基线矢量(bxi,bzi)估计值和步骤(1)中获取的参考平地区域距离向干涉相位k＝1～n，计算出对应的观测区域反演高程信息h0ik，k＝1～n；式中，h为卫星平台高度，αi＝atan(bzi/bxi)表示基线倾角，表示参考平地区域干涉相位，rk表示参考平地沿距离向观测点斜距，其中c为光速，fs为距离向采样频率，k为距离向像素位置，h为卫星平台高度，hi为参考区域高度，为基线长度。(6)、按照步进大小δh，改变参考平地区域高度值hi，重复步骤(4)～(6)，直到遍历完预设的观测区域高程区间内所有高程值；所述步进大小δh设定为小于目标高程测量精度，所述目标区域高程区间内包括参考区域的真实高程。根据观测区域dem先验信息，如光学相机、gps信息，机载insar获取dem信息等等设定观测区域高程区间[a,b]和步进大小δh，观测区域高程区间要覆盖观测点真实高程大小；步进大小δh设定为小于观测点高程测量精度，如要求高程测量精度0.5m，可以设定步进大小δh为0.25m；(7)、基于均方误差最小准则，计算观测区域初始高程值hi和观测区域反演高程信息h0ik，k＝1～n，间的均方误差，选取均方误差最小的一组观测区域初始高程值hi和观测区域反演高程信息h0ik对应的基线矢量(bxi,bzi)作为最终基线估计结果。所述的基于均方误差最小准则筛选基线估计结果方法为：对于每一组(bxi,bzi)，计算初始高程hi和反演高程h0ik间的均方误差，选取均方误差最小的一组(bxi,bzi)最为最终基线估计结果，即：其中，(x,y)目标区域像素位置，n对应参考平地区域干涉相位沿距离向观测点数；m为遍历完预设的观测区域高程区间内所有高程输入的个数，表示取最小值对应的基线(bxi,bzi)。下面本发明结合附图和以一个具体实施例进一步说明本发明工作过程以及预期可以达到的效果。实施例本实施例采用的参考区域干涉相位是基于表1的insar系统参数仿真生成的，图3为仿真区域dem示意图，图4为仿真生成的观测区域干涉相位。表1系统参数数值中心频率35ghz卫星平台高度15km基线长度2m基线倾角0deg工作模式乒乓模式测绘带2.4km分辨率0.5m基线参数标定的步骤如下：(a1)根据先验信息设定目标区域高程区间[a,b]和步进大小δh，假定高程区间为[-5m，5m]，取样间隔0.25m；(a2)按照0.25m步进大小遍历高程区间[-5m，5m]的每一个值，基于扩展卡尔曼滤波(ekf)方法进行基线参数估计，并基于均方误差最小准则筛选最终基线估计结果，基线估计结果如图5，图6和表2所示。表2由定标结果可以看出，本发明提出的无控制点测绘sar基线标定方法可以获得很高的精度，经过标定后基线误差小于0.1mm，从而验证了本发明提出的无控制点测绘sar基线标定方法的有效性和可行性。本发明可以用于任意频段insar基线参数标定。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。当前第1页12