專利名稱：一種星載sar圖像的嚴(yán)密共線方程模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑雷達(dá)成像幾何模型領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是建立了一種星載SAR圖像的嚴(yán)密共線方程模型。

背景技術(shù)：
SAR圖像的成像幾何模型是斜距成像，通常不能直接采用共線方程模型對(duì)SAR圖像目標(biāo)進(jìn)行定位。大多數(shù)情況下攝影測(cè)量學(xué)者采用SAR圖像的近似共線方程模型可以對(duì)SAR圖像進(jìn)行定位，但是由于采用的模型是近似的，這將直接導(dǎo)致圖像定位的不準(zhǔn)確。目前，還出現(xiàn)了SAR嚴(yán)密共線方程模型，這種模型在將地球表面近似為平面的基礎(chǔ)上推導(dǎo)的，而沒(méi)有采用地球橢球模型，因此這種嚴(yán)密共線方程模型對(duì)于機(jī)載SAR圖像是嚴(yán)密的，而對(duì)于星載SAR圖像本質(zhì)上還是近似的。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決星載SAR圖像成像幾何模型的近似問(wèn)題，根據(jù)地球橢球模型推導(dǎo)出了星載SAR圖像的嚴(yán)密共線方程模型，是一種真正意義上星載SAR的嚴(yán)密共線模型。
本發(fā)明的星載SAR圖像的嚴(yán)密共線方程模型建立步驟如下 (1)建立投影中心如圖1所示，將每個(gè)方位向的近距目標(biāo)和斜距圖像的近距離門(mén)連線AA′，并將遠(yuǎn)距目標(biāo)和斜距圖像的遠(yuǎn)距離門(mén)連線BB′，其中線段A′B′就是斜距圖像，而弧線AB是SAR天線距離向照射范圍。將線段AA′和BB′延長(zhǎng)，交于O′點(diǎn)。O′點(diǎn)就是根據(jù)斜距圖像建立的投影中心。
(2)投影中心外參數(shù)計(jì)算根據(jù)(1)建立的投影中心O′，以及投影中心O′相對(duì)SAR天線相位中心位置O，計(jì)算投影中心的外參數(shù)。投影中心的外參數(shù)包括投影中心的位置矢量、姿態(tài)余弦。外參數(shù)的計(jì)算是為了滿足在沒(méi)有控制點(diǎn)的情況下對(duì)地準(zhǔn)確定位。
(3)斜距圖像改化完成上述(1)、(2)步驟后，還必須給出斜距圖像上任一點(diǎn)和相應(yīng)地面點(diǎn)的幾何構(gòu)象關(guān)系。如圖1、圖2所示，針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)P，P點(diǎn)不是在地球橢球表面上，而是在該地區(qū)地球橢球徑向方向延長(zhǎng)線上，徑向高度為hp的位置，其對(duì)應(yīng)的半徑為Re+hp，斜距為Rp，則該目標(biāo)在斜距圖像中的位置為P1，而在中心投影圖像中的位置為P2，因此需要將斜距圖像P1點(diǎn)改化到P2點(diǎn)才能?chē)?yán)格反映中心投影的構(gòu)象關(guān)系。
本發(fā)明建立的星載SAR圖像嚴(yán)密共線方程模型的優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明建立的模型采用了地球橢球模型，并且將斜距圖像改化成中心投影圖像，建立了嚴(yán)格意義上的嚴(yán)密共線方程模型。(2)本發(fā)明推導(dǎo)出了投影中心外參數(shù)的計(jì)算公式，滿足了沒(méi)有控制點(diǎn)的對(duì)地定位。



圖1為本發(fā)明的星載SAR圖像嚴(yán)密共線方程原理； 圖2為星載SAR斜距圖像改化細(xì)節(jié)圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的星載SAR嚴(yán)密共線方程模型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明提供的全星載SAR嚴(yán)密共線方程模型是通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。成像處理得到的SAR圖像是斜距圖像，圖1給出了一個(gè)方位向獲取的SAR圖像幾何示意圖。Q點(diǎn)位地球坐標(biāo)原點(diǎn)，O點(diǎn)為SAR傳感器天線相位中心所在的位置，并設(shè)SAR衛(wèi)星飛行高度為H，其星下點(diǎn)為E點(diǎn)，A、B點(diǎn)分別是SAR圖像的近距點(diǎn)和遠(yuǎn)距點(diǎn)。O、Q、A、B四點(diǎn)在同一平面內(nèi)，在該平面過(guò)O點(diǎn)做垂線OG，并在OG上找到A′、B′點(diǎn)，使得OA和OA′相等，OB和OB′相等。分別將A和A′點(diǎn)，以及B和B′點(diǎn)連接，并延長(zhǎng)他們后相交可以得到O′點(diǎn)。由于A、A′和O′點(diǎn)三點(diǎn)共線以及B、B′和O′點(diǎn)三點(diǎn)共線，因此O′點(diǎn)可以看成是光線會(huì)聚的攝影中心點(diǎn)。過(guò)O′點(diǎn)作OQ的平行線，同時(shí)，過(guò)Q點(diǎn)做OG的平行線，兩線相交于點(diǎn)C。分別過(guò)近距點(diǎn)A和遠(yuǎn)距點(diǎn)B作OG的平行線，與OQ和O′C交于點(diǎn)D、D′及點(diǎn)F、F′。則O′G就是以O(shè)′為攝影中心點(diǎn)而獲取地面AB的圖像A′B′所對(duì)應(yīng)的焦距f，O′Q和O′C的夾角θL就是以O(shè)′為攝影中心點(diǎn)的傳感器側(cè)擺角度。
步驟一、等效焦距的計(jì)算如圖1所示，設(shè)SAR天線的飛行高度為OE＝H，地球半徑為Re，由于近地點(diǎn)斜距OA＝RN已知，遠(yuǎn)距點(diǎn)斜距OB＝RF＝RN+(c/2fs)Nr，其中c表示光速，fs為SAR系統(tǒng)采樣頻率，Nr為SAR圖像距離向的點(diǎn)數(shù)。故可以計(jì)算出近地點(diǎn)和遠(yuǎn)距點(diǎn)視角 (1) 由于OA＝OA′和OA′相等，所以△OAA′為等腰三角形，同時(shí)由于A′B′平行于DD′，并設(shè)角度∠OA′A＝α，∠OB′B＝β，根據(jù)幾何關(guān)系可以得到
同理可以得到
在三角形△O′AB中，有 ∠AO′B＝∠A′O′B′＝β-α (5) 在三角形△O′BF′中，有 在三角形△ABQ中，QA＝QB，有 AB＝2Recos∠QAB (8)
(10) 所以
(11) 而 DF＝RFcosθF-RNcosθN＝RFsin(2β)-RNsin(2α) (12) 有 將式(6)、(7)、(11)及(13)帶入式(4)，令 ρ＝RFsin(2β)-RNsin(2α) (15) 簡(jiǎn)化后就可以得到焦距的計(jì)算公式 (16) 步驟二、投影中心外參數(shù)計(jì)算(a)計(jì)算側(cè)擺角度θL；(b)計(jì)算姿態(tài)余弦，SAR衛(wèi)星的星體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算姿態(tài)余弦；(c)根據(jù)側(cè)擺角度以及SAR傳感器的位置矢量計(jì)算投影中心的位置矢量。
(a)側(cè)擺角度 (b)姿態(tài)余弦的計(jì)算 設(shè)SAR衛(wèi)星的星體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為Aoe，投影中心傳感器坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣就是SAR衛(wèi)星的星體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Aoe。因此光學(xué)投影中心姿態(tài)參數(shù)構(gòu)成的方向余弦參數(shù)為AoeT。
Aoe＝AovAvrAre(18) 其中Aov、Avr、Are分別為軌道坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系、星體坐標(biāo)系到軌道坐標(biāo)系、傳感器坐標(biāo)系到星體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。
(c)投影中心位置的計(jì)算 星體坐標(biāo)系原點(diǎn)與天線中心O重合，在星體坐標(biāo)系下 設(shè)天線中心在星體坐標(biāo)系下的位置矢量為Rse，則投影中心在星體坐標(biāo)系的位置矢量R′se為 R′se＝Rse+ΔR′se(20) 最后，根據(jù)星體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以得到中心投影在慣性坐標(biāo)系位置矢量Ro Ro＝AoeR′se (21) 步驟三、星載SAR斜距圖像的改化 計(jì)算得到等效焦距后，還必須給出斜距圖像上任一點(diǎn)和相應(yīng)地面點(diǎn)的幾何構(gòu)象關(guān)系。如圖1、圖2所示，設(shè)P為SAR圖像上的任意一點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的地球半徑為Re+hp，則同斜距為Rp，則該目標(biāo)在斜距圖像中的位置為P1，而在中心投影圖像中的位置為P2，因此需要將斜距圖像P1點(diǎn)改化到P2點(diǎn)才能?chē)?yán)格反映中心投影的構(gòu)象關(guān)系。改化方法如下，同上，在三角形△OPQ中，得到該點(diǎn)的視角 則 P1P2＝Rpcosθp(cottan∠P2PM′-cottan∠P1PM′) (23) 而
將式(22)、(24)及(25)帶入式(23)，得到點(diǎn)P的改化值 (26)
SAR圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)采用上面的公式進(jìn)行改化，即可以將斜距圖像嚴(yán)格轉(zhuǎn)換成中心投影獲取的圖像，也就能實(shí)現(xiàn)SAR斜距成像方式向中心投影方式的嚴(yán)密轉(zhuǎn)換，即斜距圖像的距離向坐標(biāo)x經(jīng)過(guò)如下公式改化可以得到中心投影圖像飛行旁向的坐標(biāo)x′ x′＝x+P1P2＝Rpsinθp+P1P2-3RNcos2α-RNsin2α+fcottanα (27) 經(jīng)過(guò)改化后的圖像就變成中心投影的圖像，每行有自己的外參數(shù)，一景SAR圖像可以看成是由多個(gè)投影中心獲取的圖像。
設(shè)光學(xué)投影中心姿態(tài)參數(shù)構(gòu)成的方向余弦參數(shù)為 此時(shí)根據(jù)共線方程模型，目標(biāo)在慣性坐標(biāo)系的位置矢量Rt＝(xt，yt，zt)與目標(biāo)在圖像中的位置(x′，y′)的關(guān)系可以表示為 式(29)中，Ro＝(xo，yo，zo)為投影中心在慣性坐標(biāo)系中的位置矢量。
綜上，可以看出本發(fā)明提供的星載SAR共線方程模型是嚴(yán)密的。
權(quán)利要求
1、一種星載SAR圖像的嚴(yán)密共線方程模型，其特征在于包括以下步驟
(1)等效焦距計(jì)算根據(jù)星載SAR斜距圖像上遠(yuǎn)距和近距的斜距，構(gòu)建投影中心，計(jì)算等效焦距；
(2)外參數(shù)計(jì)算針對(duì)第(1)步構(gòu)建的投影中心，計(jì)算該投影中心的傳感器外參數(shù)，其中外參數(shù)包括投影中心在慣性坐標(biāo)系下的位置矢量及姿態(tài)余弦；
(3)斜距圖像改化計(jì)算第(1)步的投影中心和圖像距離向每個(gè)距離門(mén)象素點(diǎn)的嚴(yán)密改化值，將斜距圖像改化成滿足嚴(yán)密共線方程模型的中心投影圖像。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載SAR圖像的嚴(yán)密共線方程模型，其特征在于步驟(1)所述的等效焦距計(jì)算公式如下
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載SAR圖像的嚴(yán)密共線方程模型，其特征在于步驟(2)所述的投影中心位置矢量及姿態(tài)余弦計(jì)算步驟如下(a)計(jì)算側(cè)柏角度θL；(b)計(jì)算姿態(tài)余弦，SAR衛(wèi)星的星體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算姿態(tài)余弦；(c)根據(jù)側(cè)擺角度以及SAR傳感器的位置矢量計(jì)算投影中心的位置矢量。
①側(cè)擺角度
②姿態(tài)余弦的計(jì)算
設(shè)SAR衛(wèi)星的星體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為Aoe，投影中心傳感器坐標(biāo)系與慣性坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣就是SAR衛(wèi)星的星體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Aoe。因此光學(xué)投影中心姿態(tài)參數(shù)構(gòu)成的方向余弦參數(shù)為AoeT。
Aoe＝AovAvrAre
③投影中心位置的計(jì)算
星體坐標(biāo)系原點(diǎn)與天線中心O重合，在星體坐標(biāo)系下
設(shè)天線中心在星體坐標(biāo)系下的位置矢量為Rse，則投影中心在星體坐標(biāo)系的位置矢量R′se為
R′se＝Rse+ΔR′se
最后，根據(jù)星體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以得到中心投影在慣性坐標(biāo)系位置矢量Ro
Ro＝AoeR′se 。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載SAR圖像的嚴(yán)密共線方程模型，其特征在于步驟(3)所述的斜距圖像的改化，即斜距圖像的距離向坐標(biāo)x經(jīng)過(guò)如下公式改化可以得到中心投影圖像飛行旁向的坐標(biāo)x′
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于星載SAR圖像的嚴(yán)密共線方程模型。該模型針對(duì)地球橢球模型進(jìn)行推導(dǎo)，將SAR圖像每個(gè)方位向構(gòu)建一個(gè)虛擬的投影中心，推導(dǎo)出虛擬投影中心傳感器外參數(shù)及等效焦距的計(jì)算方法，以及斜距圖像到中心投影圖像的改化方法。該方法解決了(1)近似共線方程模型的不嚴(yán)密問(wèn)題；(2)傳感器外參數(shù)未知、需要地面控制點(diǎn)進(jìn)行圖像的地理編碼問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01S13/90GK101571593SQ20081009443
公開(kāi)日2009年11月4日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者慧 劉, 周蔭清, 徐華平 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)