星载合成孔径雷达图像目标定位的研究与实践
|
摘要
星载合成孔径雷达定位指的是:确定星载合成孔径雷达图像中指定目标在指定坐标系下的坐标。众所周知,无论是军用还是民用,为了在遥感应用的各个领域有效地利用星载合成孔径雷达图像,需要对图像像元进行精确的地理定位;在图像的后处理过程中,为了保证图像的几何校正的精度,以及从遥感影像中提取有效的制图信息,均需要对其进行精确的地理定位。
本文首先介绍了合成孔径雷达的基本原理,详细推导了距离-多普勒模型的数学表达式,在分析了距离-多普勒模型在图像定位中作用的基础上,系统地给出了基于星载合成孔径雷达头文件中辅助数据直接定位的原理与方法,并通过实际ERS-1图像产品进行定位的试验,具体研究实现该定位方法的细节,详细阐述了该算法中所有参数的获取方法,给出了具体的计算过程,试验结果表明该算法本身有着较高的精度。最后,分析得出本文定位模型的定位精度主要取决于地球模型的有效性、斜距和多普勒参数测量的准确性以及卫星星历数据的精确度等。指出如果能改进雷达的几何关系,增加地球模型描述的有效性,并且改进星上处理器对星历数的调整精度,则将会进一步提高绝对定位的精度。
Spaceborne synthetic aperture radar satellite positioning is using to determine the coordinates of designated targets in spaceborne synthetic aperture radar images under the designated coordinates. It is well known that accurate geographic positioning to the pixels of images is required to apply spaceborne synthetic aperture radar images in various fields of remote sensing effectively. In the post-processing of images, accurate geographic positioning is also required to ensure the geometric accuracy of images, as well as to extract effective mapping information from remote sensing images.
In this paper, the basic principles of synthetic aperture radar is introduced first, the mathematical expression of Range-Doppler model is derived in detail. Based on analyzing the effect of Range-Doppler model in positioning of images, the principal and methods of direct positioning using the assistance data in head file of spaceborne synthetic aperture radar. By the positioning experiment of actual ERS-1 image, the detail of the positioning method is studied concretely, and the acquisition methods of all parameters in the algorithm are expatiated in detail. Also the concrete calculation processing is given out. The results of experiment show that the algorithm has a high accuracy. Finally, after analysis, the positioning accuracy of the positioning model in this paper is mainly influenced by effectiveness of the earth model, slant range, and the accuracy of both Doppler parameters measurement and satellite ephemeris data. It is pointed out that the accuracy of absolute positioning could be further improved if the geometric relationship of radar, the effectiveness of earth model and the adjustment accuracy of satellite ephemeris data could be improved.
本文首先介绍了合成孔径雷达的基本原理,详细推导了距离-多普勒模型的数学表达式,在分析了距离-多普勒模型在图像定位中作用的基础上,系统地给出了基于星载合成孔径雷达头文件中辅助数据直接定位的原理与方法,并通过实际ERS-1图像产品进行定位的试验,具体研究实现该定位方法的细节,详细阐述了该算法中所有参数的获取方法,给出了具体的计算过程,试验结果表明该算法本身有着较高的精度。最后,分析得出本文定位模型的定位精度主要取决于地球模型的有效性、斜距和多普勒参数测量的准确性以及卫星星历数据的精确度等。指出如果能改进雷达的几何关系,增加地球模型描述的有效性,并且改进星上处理器对星历数的调整精度,则将会进一步提高绝对定位的精度。
Spaceborne synthetic aperture radar satellite positioning is using to determine the coordinates of designated targets in spaceborne synthetic aperture radar images under the designated coordinates. It is well known that accurate geographic positioning to the pixels of images is required to apply spaceborne synthetic aperture radar images in various fields of remote sensing effectively. In the post-processing of images, accurate geographic positioning is also required to ensure the geometric accuracy of images, as well as to extract effective mapping information from remote sensing images.
In this paper, the basic principles of synthetic aperture radar is introduced first, the mathematical expression of Range-Doppler model is derived in detail. Based on analyzing the effect of Range-Doppler model in positioning of images, the principal and methods of direct positioning using the assistance data in head file of spaceborne synthetic aperture radar. By the positioning experiment of actual ERS-1 image, the detail of the positioning method is studied concretely, and the acquisition methods of all parameters in the algorithm are expatiated in detail. Also the concrete calculation processing is given out. The results of experiment show that the algorithm has a high accuracy. Finally, after analysis, the positioning accuracy of the positioning model in this paper is mainly influenced by effectiveness of the earth model, slant range, and the accuracy of both Doppler parameters measurement and satellite ephemeris data. It is pointed out that the accuracy of absolute positioning could be further improved if the geometric relationship of radar, the effectiveness of earth model and the adjustment accuracy of satellite ephemeris data could be improved.
引文
[1]舒宁.微波遥感原理[M].武汉:武汉大学出版社,2003.
[2]张永红.合成孔径雷达几何机理分析及处理方法研究[D].武汉测绘科技大学博士论文,2000.
[3]须海江.星载合成孔径雷达图像目标定位研究[D].中国科学院研究生院硕士学位论文,2005,5.
[4]黄红星.合成孔径雷达(SAR)成像技术研究[D].武汉理工大学硕士论文,2003.
[5]隋立春.主动式雷达遥感概论[M].北京:测绘出版社,2009.
[6]张直中.机载和星载合成孔径雷达导论[M].北京:电子工业出版社,2004.
[7]杨杰.星载SAR影像定位和从星载InSAR影像自动提取高程信息的研究[D].武汉大学博士学位论文,2004,3.
[8]任坤.星载合成孔径雷达干涉测量技术的数字高程模型生成研究[D].南京理工大学博士学位论文,2004,12.
[9]周金萍,唐伶俐,李传荣.星载SAR图像的两种实用化R-D定位模型及其精度比较[J].遥感学报.2001,5(3):191-197.
[10]周金萍.星载SAR图像的实用化R-D定位模型的研究[D].中国科学院遥感卫星地面站硕士学位论文,2000.
[11]周金萍.SAR产品图像像素定位方法的选择与参数优化[J].上海航天.2000,1:32-39.
[12]袁孝康.星载合成孔径雷达目标定位研究[J].上海航天.2002,(1):1-7.
[13]陈尔学.星载合成孔径雷达影像正射校正方法研究[D].中国林业科学院博士学位论文,2004,8.
[14]刘秀芳.无地面控制点的星载SAR影像直接对地定位研究.遥感学报.2006,1(10):76-81.
[15]孙家炳,舒宁,关泽群.遥感原理、方法和应用[M].武汉:测绘出版社,1996.
[16]赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.
[17]孙家炳.遥感原理与应用[M].武汉:武汉大学出版社,2002.
[18]袁孝康.星载合成孔径雷达的目标定位方法[J].上海航天,1997,14(6):51-57.
[19]袁孝康.星载合成孔径雷达目标象元的定位[J].卫星微波遥感技术研讨会论文集,1998,7月.
[20]袁孝康.合成孔径雷达卫星的目标定位方法[J].航天器工程,1998,7(2):23-28.
[21]袁孝康.相位干涉仪测向定位研究[J].上海航天.1999,3:1-7.
[22]袁孝康.SAR产品图像像素定位方法的选择与参数优化[J].上海航天,2000,1-32.
[23]袁孝康.星载合成孔径雷达回波多普勒频率的计算[J].上海航天,2001,3:1-5.
[24]陈尔学,李增元.星载SAR影像地理编码算法研究[J].高技术通讯,2002,2:53-59.
[25]陈尔学,李增元.ENVISAT ASAR影像地理定位方法[J].中国图象图形学报.2004,9(8):991-996.
[26]陈尔学,李增元.基于斜角坐标系变换的星载SAR直接定位算法[J].高技术通讯.2006,16(10):1082-1086.
[27]陈尔学,李增元.分析法和数值解算法相结合的星载SAR直接定位算法[J].中国图象图形学报.2006,11(8):1105-1109.
[28]陈尔学,李增元.ALOS PALSAR影像地球椭球地理编码方法[J].遥感应用.2008,1:37-42.
[29]张永红,林宗坚,张继贤等.SAR影像几何校正[J].测绘学报,2002,31(2):134-138.
[30]张永红.星载合成孔径雷达构像方程及其应用于轨道精化的研究[J].遥感学报,2007,11(6):771-777.
[31]张波.一种新的星载SAR图像定位求解方法[J].电波科学学报.2006,2(21):1-5.
[32]杨杰,潘斌,李德仁,钟永正.无地面控制点的星载SAR影像直接对地定位研究[J].武汉大学学报.信息科学版.2006,2(31):144-146.
[33]Brown,W.E.,1981,Applications of SEASAT SAR Digitally Corrected Imagery for Sea Ice Dynamics[J],Amer.Geophys Union Spring 1981 Meeting,May 25-29,1981.
[34]Curlander,J.C.,Kwok,R.,&Pang,S.S.,1987,A post-processing System for Automated Rectification and Registration of Space-borne SAR Imagery[J],Int.,J.Remote Sensing,vol.8,no.4,pp.621-638.
[35]Wivell,C.E.,Steinwand,D.R.,Kelly,G.G,Meyer,D.J.,1992,Evaluation of Terrain Models for the Geocoding and Terrain Correction of Synthetic Aperture Radar(SAR) Images[J],IEEE.Trans.Geosci.Remote Sensing.vol.30.no.6.pp.1137-1144.
[36]卢亿雷.合成孔径雷达卫星精密轨道对干涉测量的影响与分析[D].中国地质大学硕士论文,2006年12月.
[37]裘磊.机载合成孔径雷达成像及定位[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2006,1.
[38]Atlantis Scientific Inc.EV-lnSAR,Version3.0,User Guide.Nepean,Ontario,Canada.
[39]Delft University of Technology.Delft Object-oriented Radar Interferometric Software User's manual and technical documentation.Bert Kampes,August 1999.
[40]CEOS SAR Data Standards Subgroup.SAR Data Products Format Standard.October,1988.
[41]吕京国.星载合成孔径雷达影像正射纠正算法的研究与实现[D].武汉大学硕士论文,2002.
[42]吕京国.合成孔径雷达影像相关参数的获取与计算[J].黑龙江工程学院学报,2002,16(4):29-32.
[43]吕京国,李建平.星载合成孔径雷达影像正射纠正算法的研究与实现[J].遥感技术与应用.2002,17(4):230-234.
[44]李鑫慧.INSAR-DEM地学编码方法的研究[D].武汉大学硕士学位论文,2003,5.
[45]ZebkerH A,Werner C L,Rosen P A,et al.Accuracy of Topographic Maps Derived from ERS-1Interferometric Radar[J].IEEE Transactions On Geosience and RemoteSensing,1994,32(4):823-836.
[46]陈元藻.合成孔径雷达卫星定位误差源分析[J].上海航天.1998,3:16-21.
[47]邹立星.两种SAR数据目标定位的比较[J].测绘科学.2005,30(6):35-37.
[48]刘秀芳,刘佳音,洪文.星载SAR图像定位精度分析研究[J].遥感学报.2006,10(1):76-81.
[49]蒲兰尧.合成孔径雷达目标检测方法研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2006,1.
[50]危嵩.合成孔径雷达成像和地面动目标检测技术[D].华中科技大学博士学位论文,2005,4.
[51]武楠.干涉合成孔径雷达信号处理技术研究[D].西安电子科技大学博士学位论文,2006,12.
[52]尹雅磊.多通道SAR运动目标检测聚焦定位方法研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2007,1.
[53]周雷.多天线合成孔径雷达目标检测方法研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2006,1.
[54]焦凤萍.合成孔径雷达图像的预处理方法研究[D].安徽大学硕士学位论文,2007,4.
[55]郑明洁.合成孔径雷达目标检测和成像研究[D].
[56]燕辉.合成孔径雷达目标检测与参数估计方法研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2006,1.
[57]李国利,罗代升,周钊.星载SAR成像的R-D算法研究[J].四川大学学报.2006,43(1):94-98.
[58]刘国祥.合成孔径雷达遥感新技术-InSAR介绍[J].四川测绘.2004,27(2):92-95.
[59]孙佳.国内外合成孔径雷达卫星发展趋势分析[J].装备指挥技术学院学报.2007,18(1):67-70.
[60]袁文龙.星载SAR几何校正原理及软件设计与实现[D].中国科学院电子学研究所硕士学位论文,2005,6.
[61]邵永社.雷达图像定位方法[D].同济大学硕士学位论文,2006,6.
[62]李兆军.沿迹干涉运动目标检测算法研究[D].中国科学院电子学研究所硕士学位论文,2006,6.
[63]王开志.斜视条件下搞分辨率合成孔径雷达成像技术[D].上海交通大学博士学位论文,2007,3.
[2]张永红.合成孔径雷达几何机理分析及处理方法研究[D].武汉测绘科技大学博士论文,2000.
[3]须海江.星载合成孔径雷达图像目标定位研究[D].中国科学院研究生院硕士学位论文,2005,5.
[4]黄红星.合成孔径雷达(SAR)成像技术研究[D].武汉理工大学硕士论文,2003.
[5]隋立春.主动式雷达遥感概论[M].北京:测绘出版社,2009.
[6]张直中.机载和星载合成孔径雷达导论[M].北京:电子工业出版社,2004.
[7]杨杰.星载SAR影像定位和从星载InSAR影像自动提取高程信息的研究[D].武汉大学博士学位论文,2004,3.
[8]任坤.星载合成孔径雷达干涉测量技术的数字高程模型生成研究[D].南京理工大学博士学位论文,2004,12.
[9]周金萍,唐伶俐,李传荣.星载SAR图像的两种实用化R-D定位模型及其精度比较[J].遥感学报.2001,5(3):191-197.
[10]周金萍.星载SAR图像的实用化R-D定位模型的研究[D].中国科学院遥感卫星地面站硕士学位论文,2000.
[11]周金萍.SAR产品图像像素定位方法的选择与参数优化[J].上海航天.2000,1:32-39.
[12]袁孝康.星载合成孔径雷达目标定位研究[J].上海航天.2002,(1):1-7.
[13]陈尔学.星载合成孔径雷达影像正射校正方法研究[D].中国林业科学院博士学位论文,2004,8.
[14]刘秀芳.无地面控制点的星载SAR影像直接对地定位研究.遥感学报.2006,1(10):76-81.
[15]孙家炳,舒宁,关泽群.遥感原理、方法和应用[M].武汉:测绘出版社,1996.
[16]赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.
[17]孙家炳.遥感原理与应用[M].武汉:武汉大学出版社,2002.
[18]袁孝康.星载合成孔径雷达的目标定位方法[J].上海航天,1997,14(6):51-57.
[19]袁孝康.星载合成孔径雷达目标象元的定位[J].卫星微波遥感技术研讨会论文集,1998,7月.
[20]袁孝康.合成孔径雷达卫星的目标定位方法[J].航天器工程,1998,7(2):23-28.
[21]袁孝康.相位干涉仪测向定位研究[J].上海航天.1999,3:1-7.
[22]袁孝康.SAR产品图像像素定位方法的选择与参数优化[J].上海航天,2000,1-32.
[23]袁孝康.星载合成孔径雷达回波多普勒频率的计算[J].上海航天,2001,3:1-5.
[24]陈尔学,李增元.星载SAR影像地理编码算法研究[J].高技术通讯,2002,2:53-59.
[25]陈尔学,李增元.ENVISAT ASAR影像地理定位方法[J].中国图象图形学报.2004,9(8):991-996.
[26]陈尔学,李增元.基于斜角坐标系变换的星载SAR直接定位算法[J].高技术通讯.2006,16(10):1082-1086.
[27]陈尔学,李增元.分析法和数值解算法相结合的星载SAR直接定位算法[J].中国图象图形学报.2006,11(8):1105-1109.
[28]陈尔学,李增元.ALOS PALSAR影像地球椭球地理编码方法[J].遥感应用.2008,1:37-42.
[29]张永红,林宗坚,张继贤等.SAR影像几何校正[J].测绘学报,2002,31(2):134-138.
[30]张永红.星载合成孔径雷达构像方程及其应用于轨道精化的研究[J].遥感学报,2007,11(6):771-777.
[31]张波.一种新的星载SAR图像定位求解方法[J].电波科学学报.2006,2(21):1-5.
[32]杨杰,潘斌,李德仁,钟永正.无地面控制点的星载SAR影像直接对地定位研究[J].武汉大学学报.信息科学版.2006,2(31):144-146.
[33]Brown,W.E.,1981,Applications of SEASAT SAR Digitally Corrected Imagery for Sea Ice Dynamics[J],Amer.Geophys Union Spring 1981 Meeting,May 25-29,1981.
[34]Curlander,J.C.,Kwok,R.,&Pang,S.S.,1987,A post-processing System for Automated Rectification and Registration of Space-borne SAR Imagery[J],Int.,J.Remote Sensing,vol.8,no.4,pp.621-638.
[35]Wivell,C.E.,Steinwand,D.R.,Kelly,G.G,Meyer,D.J.,1992,Evaluation of Terrain Models for the Geocoding and Terrain Correction of Synthetic Aperture Radar(SAR) Images[J],IEEE.Trans.Geosci.Remote Sensing.vol.30.no.6.pp.1137-1144.
[36]卢亿雷.合成孔径雷达卫星精密轨道对干涉测量的影响与分析[D].中国地质大学硕士论文,2006年12月.
[37]裘磊.机载合成孔径雷达成像及定位[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2006,1.
[38]Atlantis Scientific Inc.EV-lnSAR,Version3.0,User Guide.Nepean,Ontario,Canada.
[39]Delft University of Technology.Delft Object-oriented Radar Interferometric Software User's manual and technical documentation.Bert Kampes,August 1999.
[40]CEOS SAR Data Standards Subgroup.SAR Data Products Format Standard.October,1988.
[41]吕京国.星载合成孔径雷达影像正射纠正算法的研究与实现[D].武汉大学硕士论文,2002.
[42]吕京国.合成孔径雷达影像相关参数的获取与计算[J].黑龙江工程学院学报,2002,16(4):29-32.
[43]吕京国,李建平.星载合成孔径雷达影像正射纠正算法的研究与实现[J].遥感技术与应用.2002,17(4):230-234.
[44]李鑫慧.INSAR-DEM地学编码方法的研究[D].武汉大学硕士学位论文,2003,5.
[45]ZebkerH A,Werner C L,Rosen P A,et al.Accuracy of Topographic Maps Derived from ERS-1Interferometric Radar[J].IEEE Transactions On Geosience and RemoteSensing,1994,32(4):823-836.
[46]陈元藻.合成孔径雷达卫星定位误差源分析[J].上海航天.1998,3:16-21.
[47]邹立星.两种SAR数据目标定位的比较[J].测绘科学.2005,30(6):35-37.
[48]刘秀芳,刘佳音,洪文.星载SAR图像定位精度分析研究[J].遥感学报.2006,10(1):76-81.
[49]蒲兰尧.合成孔径雷达目标检测方法研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2006,1.
[50]危嵩.合成孔径雷达成像和地面动目标检测技术[D].华中科技大学博士学位论文,2005,4.
[51]武楠.干涉合成孔径雷达信号处理技术研究[D].西安电子科技大学博士学位论文,2006,12.
[52]尹雅磊.多通道SAR运动目标检测聚焦定位方法研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2007,1.
[53]周雷.多天线合成孔径雷达目标检测方法研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2006,1.
[54]焦凤萍.合成孔径雷达图像的预处理方法研究[D].安徽大学硕士学位论文,2007,4.
[55]郑明洁.合成孔径雷达目标检测和成像研究[D].
[56]燕辉.合成孔径雷达目标检测与参数估计方法研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文,2006,1.
[57]李国利,罗代升,周钊.星载SAR成像的R-D算法研究[J].四川大学学报.2006,43(1):94-98.
[58]刘国祥.合成孔径雷达遥感新技术-InSAR介绍[J].四川测绘.2004,27(2):92-95.
[59]孙佳.国内外合成孔径雷达卫星发展趋势分析[J].装备指挥技术学院学报.2007,18(1):67-70.
[60]袁文龙.星载SAR几何校正原理及软件设计与实现[D].中国科学院电子学研究所硕士学位论文,2005,6.
[61]邵永社.雷达图像定位方法[D].同济大学硕士学位论文,2006,6.
[62]李兆军.沿迹干涉运动目标检测算法研究[D].中国科学院电子学研究所硕士学位论文,2006,6.
[63]王开志.斜视条件下搞分辨率合成孔径雷达成像技术[D].上海交通大学博士学位论文,2007,3.
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |