（摄影测量与遥感专业论文）基于成像模型的星载sar影像几何纠正.pdf

摘要 摘要 星载s a r 具有固定的运行周期、地面覆盖范围广，随着它的不断发展，星 载s a r 影像也已经广泛应用于制图、土地监测、灾害监测、地质、水文、海洋、 冰川等许多方面。而对星载s a r 影像进行几何纠正处理，消除图像中的各种几 何变形，从而实现精确定位也越来越重要。 目前，常用的基于地面控制点的星载s a r 影像纠正方法根据纠正模型的不 同有多项式法、共线方程法和基于s a r 成像原理的距离多普勒模型纠正法。纠 正模型作为几何纠正的核心算法，对于几何纠正精度和纠正过程都有非常大的 影响。为了充分利用星载s a r 影像的星历数据，本文重点探讨了基于s a r 成像 原理的距离多普勒模型纠正法，详细研究了模型方程的构建和解算方法，并进 一步讨论了在实际应用该模型进行几何纠正时所涉及到的一些关键问题，如坐 标系的选择、模型参数的获取与优化、未知系数迭代初值的粗算等等。 此外，在某些情况下，可能无法得到星载s a r 影像星历数据，为此，本文 研究了基于投影差改正的多项式纠正方法，该方法在一般的多项式纠正方法基 础上引入了( 高差引起的) 投影差改正，可实现较为精确的纠正。 根据项目的实际需求，本文设计和实现了一个主要针对星载s a r 影像的几 何纠正软件系统，讨论了该软件系统的结构和功能模块组成，并阐述了软件操 作的具体流程。通过对r a d a r s a t 影像分别用不同的方法进行纠正处理，实验 结果表明星载s a l l 影像纠正软件的研制达到了项目的预期需求，在方便操作、 工程管理、速度和效率等各方面都取得了很好的效果。 最后，对本文的工作进行了总结，并就进一步研究的方向进行了简要的讨 论。 关键词：星载s a r 影像，距离多普勒方程，几何纠正，最d x - 乘平差 a b s t r a c t a b s t r a c t s a t e l l i t es a rh a sa p t o t i ce a r t h - c i r c l i n gp e r i o d ，a n dc a l lc o v e rw i d eg r o u n da r e a w i t hi t sd e v e l o p m e n t ，s a t e l l i t es a ri m a g e sa r ew i d e l yu s e di nc a r t o g r a p h y ，l a n d u s e ，d a m a g ea s s e s s m e n t ，g e o g n o s y ，h y d r o l o g y , o c e a n ，g l a c i e r ，e t c t h eg e o m e t r i c r e c t i f i c a t i o no fs a t e l l i t es a r i m a g eb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti no r d e rt o a v o i dg e o m e t r i cd i s t o r t i o na n dl o c a t et h ei m a g ea c c u r a t e l y t h e r ea r et h r e ec o m n l o nm e t h o d sf o rg e o m e t r i cr e c t i f i c a t i o np r e s e n t l yu s e d o n e b a s e do np o l y n o m i a l ，t h eo t h e rb a s e do nc o l l i n e a r i t ye q u a t i o n sa n da n o t h e rb a s e do n r a n g e - d o p p l e re q u a t i o n s r e c t i f i c a t i o nm o d e l ，a st h ec o r ea l g o r i t h m ，h a sag r e a te f f e c t o nr e c t i f i c a t i o na c c u r a c y 1 no r d e rt om a k ef u l lu s eo fe p h e m e r i sd a t ao fs a t e l l i t es a r i m a g e ，t h ed i s s e r t a t i o nm a i ns t u d y st h et h e o r yo f r a n g e d o p p l e re q u a t i o n s ，a n dt e l l s a b o u tt h et h e o r yb a s i so fr e c t i f i c a t i o nm o d e la n dt h ep r o c e s so fc o m p e n s a t i n g c o m p u t a t i o n f u r t h e r m o r e ，s o m ek e yp r o b l e m sa r ed i s c u s s e ds u c ha st h es e l e c t i o no f c o o r d i n a t es y s t e m s ，c a l c u l a t i o no f m o d e lp a r a m e t e r s ，i n i t i a lv a l u eo f i t e r a t i o n ，e t c b e s i d e s ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ea l g o r i t h mo ns a r i r l a g er e c t i f i c a t i o n b a s e do np o l y n o m i a lr e c t i f i c a t i o na n dh e i g h td i s p l a c e m e n tc o r r e c t i o n h e i g h t d i s p l a c e m e n tc a u s e db ye l e v a t i o ni sc o r r e c t e di na d v a n c ea c c o r d i n gt ot h es l a n t d i s t a n c ea n dt h eo t h e rd i s t o r t i o ni sc o r r e c t e db yp o l y n o m i a lr e c t i f i c a t i o n i nt e r m so ft h er e q u i r e m e n t so fo u rp r o j e c t ，w ed e s i g nt h ef r a m ea n df u n c t i o n m o d e l s o fan e wg e o m e t r i c - c o r r e c t i o n s o f t w a r e t h r o u g h t h ea c t u a lt e s to n r a d a r s a ti m a g e s 、析t i ld i f f e r e n tr e c t i f y i n ga l g o r i t h m s ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h es o t t w a r eh a sr e a l i z e dt h ea n t i c i p a t i v eo b j e c t so fo u rp r o j e c t , a n di tr u n sw e l l 缸 m a n ya s p e c t s ，s u c ha sc o n v e n i e n to p e r a t i o n s ，p r o j e c tm a n a g e m e n t ，e n h a n c i n gs p e e d a n de f f i c i e n c y ，e t c i nt h ef i n a l i t y ，t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa 陀d i s c u s s e d k e yw o r d s ：s a t e l l i t es a ri m a g e ，r a n g e - d o p p l e re q u a t i o n s ， l e a s ts q u a r ea d j u s t m e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 匆、砧 w 丫年月伽日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其它个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 努取多 硼1 年月 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 雷达( r a d a r ) 意指无线电探测与测距( r a d i od e t e c t i o na n dr a n g i n g ) 。雷达 是主动微波传感器，它朝着成像区域发射电磁波能量，记录来自目标物返回的信 号及回波信号的强度和时间延迟。它能主动发射能量，不依赖于太阳光及其光照 条件，可以全天候地获取数据。正是由于这些特点，使其具有不同于光学传感器 的独特优势，在一定条件下，长波还具有对地物的穿透性。 雷达系统最早由军方研制使用，用来探测硬目标( 一般为金属点目标) 及测 距，这些雷达系统并不产生图像。而后期发展的雷达遥感技术则把地形地貌作为 主要探测目标。 真实孔径雷达( m 恹) 是最早的成像雷达系统，顾名思义，其雷达天线长度 是实际长度，雷达波的发射与接受都是以其自身有效长度的效率直接反映到显示 记录中。由于其方位分辨率受天线尺寸的限制，随着理论研究的深入，天线设计、 信号处理及计算机软硬件的发展，合成孔径雷达( s a r ) 开始出现，并逐步取代 了真实孔径雷达。 合成孔径雷达是一种全天候、全天时高分辨率微波遥感成像雷达，自2 0 世 纪5 0 年代发明以来，其技术得到了飞速的发展。以飞机为平台的机载合成孔径 雷达已被广泛应用，以卫星为平台的星载合成孔径雷达也获得了极大的成功，在 军事侦察、地形测绘、植被分析、海洋及水文观测、环境及灾害监视、资源勘探， 以及地壳微变检测等领域发挥了越来越重要的作用。多频段、多极化、可变视角 和可变波束的多模式合成孔径雷达已经成为现实；干涉式合成孔径雷达的成功为 全球地形测绘和地壳微变检测提供了强有力的手段；用合成孔径雷达检测动目标 并对其成像的技术获得了突破性的进展；辐射校准、极化校准、干涉( 相位) 校 准技术的成功应用，把合成孔径雷达对地遥感技术推向了精密的定量遥感新阶 段。 s a r 传感器接收的只是地面目标的后向散射回波信号，在经历一个包括脉 冲压缩、徙动校正等复杂的成像处理之后，接收信号才能变为可视的图像。成像 雷达侧视成像的工作方式决定了雷达影像的几何特点，这些特点包括透视收缩、 迭掩、阴影以及斜距显示的图像上近距离压缩。由于这些雷达影像固有的几何特 点，使得雷达影像与普通光学图像有着很大的区别。结合航天部x x x 系统导航 定位的要求，本课题研究s a r 影像几何纠正的目的是用于飞行器的景象匹配定 第1 章绪论 位，经纠正的s a r 影像作为景象匹配参考图n 1 ，其精度会直接影响飞行器的定 位精度。因此，保证几何纠正后的s a r 影像的高精度具有重要意义 1 2s a r 影像几何纠正的研究现状 目前星载s a r 影像几何纠正主要有基于地面控制点的纠正方法和d e m 模 拟影像法两种。 基于地面控制点的纠正方法瞳1 根据纠正变换模型的不同又可以分为多项式 纠正法、共线方程纠正法和基于s a r 成像原理的距离多普勒方程模型纠正法。 多项式法口1 是一种比较传统的纠正方法，它较多地应用于光学影像的正射纠 正。在s a r 纠正理论发展的初级阶段，被应用到s a r 的几何处理上。这种方法 回避成像的空间几何过程，而直接对图像变形的本身进行数学模拟，原理比较直 观并且计算简单。但是在地形起伏较大的区域，其纠正结果精度无法满足要求。 共线方程法则采用一定的数学模型模拟s a r 几何成像关系，在理论上比多 项式纠正法更为严密，因为它是建立在恢复实际成像条件的基础之上的。目前国 内外采用的数学模型主要有三种类型：第一种类型是原苏联采用的方法。该方法 数学模型比较复杂，实现起来非常困难。第二种类型是fl e b e d “1 等提出的数学 模型。该模型是根据像点距离方程和零多普勒条件建立的，因而只适用于机载 s a r 的情况，而不适用于星载s a r 。因为星载s a r 的多普勒中心频率一般不为 零而且距离徙动较大。第三种类型是gk o n e c n y 阻1 等提出的平距投影的雷达影像 的数学模型。该模型公式的形式与摄影测量中常用的共线方程类似，从传统光学 影像成像特点去解释s a r 的成像特点，是一种模拟光学影像的处理方法。 基于s a r 成像原理的距离多普勒方程模型纠正法符合星载s a r 影像本身的 成像特点，从实际物理意义和定位精度等方面考虑都具有相当的可靠性，是本文 的主要研究对象。 d e m 模拟影像法嘲需要利用s a r 成像参数和d e m 资料建立模拟影像，然 后将模拟影像与真实s a r 影像配准，从而建立真实s a r 影像到d e m 坐标的变 换公式。 1 3 论文的组织安排 本文共分六章。第一章绪论，主要介绍了本课题的研究背景和现状，说明了 本论文的组织安排；第二章主要讲述了合成孔径雷达对地观测的基本原理；第三 章简要描述了r a d a r s a t 影像参数；第四章重点论述了星载s a r 影像几何纠 2 第1 章绪论 正模型的构建和解算：第五章详细阐述了几何纠正软件系统和实施方案并对本文 的算法和策略进行了实验分析；第六章总结了本文所做的工作，并指出今后需要 改进之处和进一步研究方向。 3 第2 章合成孔径雷达对地观测的基本原理 第2 章合成孔径雷达对地观测的基本原理 为了研究基于成像模型的星载s a r 影像的几何纠正，本章将讨论星载s a r 影像的某些成像特性。 2 1 合成孔径雷达系统 1 雷达工作方式 成像雷达全天候、全天时工作和穿透地物的特点，使其成为对地观测和行星 探测领域尖端技术之一。纵观雷达成像技术的发展，可以把雷达遥感的发展分为 三个阶段：第一阶段为单波段单极化雷达遥感，第二阶段为多波段多极化雷达遥 感，极化雷达和干涉雷达的出现则代表了第三阶段。每一阶段技术的进步都不同 程度地提高了其对地观测能力。 一个简单的雷达由天线、同步器、调制器、发射机、发射接收转换开关、 振荡器、接收机、检测器、记录器及显示器组成，如图2 1 所示。 图2 1 雷达系统示意图 雷达成像系统如下图2 2 所示，天线波束在正视图上有相对较宽的天线方向 图，来照射距离向相当可观的照幅宽度：而在方位向，随着平台的相对运动，扫 描线一行一行地累积并形成图像。 4 第2 章合成孔径雷达对地观测的基本原理 图2 2 雷达成像示意图 2 真实孔径雷达 真实孔径雷达，顾名思义其雷达天线长度是实际长度，雷达波的发射和接收 都是以其自身有效长度的效率直接反映到显示记录中。运动平台携带真实孔径天 线从空中掠过，由天线向平台的一侧或两侧发射波束并扫描地面。这些波束在平 台运动的方向上是很窄的，而在垂直于平台运动方向上是延展的。脉冲几何和分 辨率在很大程度上是由天线长度和脉冲宽度决定的。由于脉冲和地形相互作用， 入射的雷达波信号经地物的散射，一部分能量经后向散射，作为随时间改变的放 大信号接收下来。 由美国西屋公司运行的k 波段、双极化雷达( a n a p q 9 7 ) 及由摩托罗拉公 司运行的x 波段雷达是两个最常用的商业性真实孔径雷达系统，我国在“七五一 期间，由上海交通大学研制成功了k 波段真实孔径雷达。 3 合成孔径雷达 合成孔径雷达的研究最早开始于2 0 世纪5 0 年代初，5 0 年来机、星载s a r 作为 微波对地观测的主体，得到了持续的发展。它采用以多普勒频移理论和雷达相干 为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率，通过脉冲压缩技术来提高距 离向分辨率。 1 9 7 8 年到1 9 9 8 年2 0 年间，国际上共有5 个型号的6 颗对地观测民用星载雷达被 5 第2 章合成孔径雷达对地观测的基本原理 发射上天n 1 ，分别是美国的s e a s a t 、前苏联的金刚石、欧洲空间局的e r s - 1 、日 本的j e r s - 1 以及加拿大的国际上第一颗商业雷达卫星r a d a r s a t ，本文实验所用数 据即来自于r a d a r s a t - 1 。 2 2 雷达的分辨率 在成像雷达照射的范围内，被照射的两个目标在距离和方位向都相隔一定的 距离。分辨率是描述雷达判别在空间上相邻目标的最小距离，即定义了能分离目 标、并能作为独立目标识别的距离。 雷达分辨率定义在两个方向上：即与飞行方向平行及垂直的方向。平行于雷 达飞行方向的分辨率称为方位向分辨率，垂直于飞行方向的分辨率称为距离向分 辨率。由距离分辨率和方位分辨率所确定的单元称为分辨单元瞪1 。 ， ，。 脉冲长度 飞 点 ( b ) 2 i i i ， ) 泣木宽度 誊 图2 3 雷达分辨率示意图 6 第2 章合成孔径雷达对地观测的基本原理 2 2 1 距离分辨率与脉冲压缩技术 如图2 3 ( b ) 所示，脉冲雷达的距离分辨率直接与被发射雷达信号的脉冲 长度有关。 g r = c r 2 c o s p ( 2 1 ) 式中：g ，为地距分辨率，c 为光速，f 为发射持续时间，为俯角。 由上式可知，脉冲长度仃越短，距离分辨率越高，而且由近距到远距得到 提高。 理论上，可以通过缩短脉冲时间来提高分辨率，但如果脉冲持续时间过短， 回波信号的能量过低，不利于在噪声背景下检测信号。如何使发射脉冲持续足够 长的时间以维持信号的功率水平，同时还能不降低距离分辨率昵? 脉冲压缩技术 解决了这一问题：发射脉冲不再是简单脉冲，而是幅度或相位按波形调制，在接 收端经过压缩处理使得接收脉冲仿佛是由短脉冲产生的，这样在时间上即使有重 叠的脉冲也能经压缩处理而区分开。 2 2 2 方位分辨率与孔径合成技术 如图2 3 ( c ) 所示，真实孔径雷达系统的方位向分辨率由波束宽度和距离 向的距离确定。 a r = 孱r ( 2 2 ) 其中，孱= 2 i 为波束宽度，r = h s i n p 为距离向距离。 式中，a 为波长，为天线物理长度，日为传感器高度，为俯角。 将以上参数代入( 2 2 ) 式可得： a r = h 2 l s i n ( 2 - 3 ) 从式( 2 - 3 ) 可以看到，在雷达平台和工作频段选定后，要提高方位向分辨 率只能靠增大其物理尺寸来实现，这显然受到所承载重、所能容纳的体积、加工 工艺等方面的限制，所以需要一种技术进行方位向压缩，利用天线在飞行过程中 不同位置的回波信号，实现的方位向分辨率达到一个大孔径天线系统应有的分辨 率。由于这样的一个大孔径天线的物体实际并不存在，而是由实际的小孔径天线 合成得到概念上的系统，即合成孔径天线，对应的合成孔径雷达是s a l l 本质的 技术。 2 3 雷达影像几何特点 在雷达成像中，目标的位置在方位向上按雷达飞行的时序记录成像，而在 7 第2 章合成孔径雷达对地观测的基本原理 距离向是按目标反射信息先后来记录成像即斜距成像。它所依据的原理如下图： 在距离向上，地面目标到雷达的等距离点的分布，是以星下点为圆心的同心圆束。 而在方位向上，卫星与地面目标相对运动所形成的等多普勒频移点的分布，是双 曲线束嗍。 一 7 一。 、r 气、等距离 一y 蔫熙i i i 。 ；? 尸4 (零甲岁? ，- 一、 ! 。7 ， ，一 哆乏 入- ， ：x 等多 、 图2 4 雷达成像几何特点示意图 侧视成像表现在雷达影像上，就形成了雷达影像固有的几何特征和不同于 其它遥感图像的信息特点。这里主要介绍雷达影像的以下几个特点：斜距与地距 显示、透视收缩、叠掩与阴影n 们。 1 斜距与地距显示 图像上目标沿距离向的距离有两种显示形式：一种是斜距显示，另一种是地 距显示。这是因为与一般测距雷达一样，目标的距离是以记录电磁波往返目标所 需时间来计量的。这一关系可表示如下： 2r=cat(2-4) 式中，足为目标斜距，c 为电磁波传播速度，f 为电磁波往返目标所需的 时间。因此，图像上两目标间的距离是它们对应的斜距差： 朋一儿= 口( 曷一是) ( 2 5 ) 式中，m 、躬为目标在图像上的坐标，墨、是为目标对应的斜距，口为图像 距离向的比例尺。 而斜距换算成地距时，主要考虑了俯角的影响： g = c o s ( 2 - 6 ) 式中，为俯角，g 为地距。总的关系可以表示如下： 乃一奶= 口( 墨一是) = 口( g l g 2 ) c o s p ( 2 7 ) 8 第2 章合成孔径雷达对地观测的基本原理 此时，比例尺不再是常数，而是俯角的函数，这就是在斜距显示的图像上近 距离压缩的原因。 2 透视收缩 除了垂直投射电磁波的情况之外，所有在雷达影像上量得的地面斜坡的长度 都比实际长度短，这种现象称为雷达影像的透视收缩。收缩的大小随波束入射角 的变化而变化，这一关系表示如下： e = ( 1 - s i n q , ) x 1 0 0 ( 2 8 ) 式中，e 为透视收缩百分比，缈为波束的当地入射角。 透视收缩表现为电磁波能量集中，前坡的收缩比后坡严重，所以前坡的图像 要比后坡的亮，当整个坡度收缩成一点时，图像最亮。 3 叠掩 当目标高出地面时，由于顶部比底部更接近雷达，在斜距相同的情况下，它 们在影像上具有相同的位置且其灰度值很大，这种现象称为叠掩。 并不是任何高于地面的目标都会产生叠掩，只有当雷达波束的俯角与高出 地面的目标的坡度角之和大于9 0 。时，才会出现这种现象。此外，俯角越大，出 现叠掩的几率越高，因此，可以说雷达影像叠掩多是近距离的现象，背坡不会产 生叠掩。 4 阴影 电磁波为直线传播，当雷达波束受山峰等高大目标阻挡时，这些目标的背面 就接收不到微波，因此也就不会有雷达回波，结果在图像的相应位置上出现暗区， 此即为雷达阴影。 雷达阴影的大小与目标在雷达波束中所处的俯角范围以及背坡的坡度角有 关，只有当背坡角大于俯角时才会产生阴影，所以阴影大多出现在远距离处，这 与叠掩的情况正好相反。 2 4 小结 本章介绍了合成孔径雷达的技术特点以及其对地观测的一些成像特点，包括 斜距与地距显示、透视收缩、叠掩与阴影。正是这种不同于一般遥感影像的侧视 成像特点表明了s a r 影像几何纠正的必要性和特殊性。 9 第3 章r a d a r s a t 影像参数引用 第3 章r a d a r s a t 影像参数 第二章中已经说明了合成孔径雷达的主要特点，按照搭载平台的不同可分为 机载和星载两种。目前，r a d a r s a t 卫星产品是全球商业应用最广泛的数据信息 源之一，该卫星由加拿大于1 9 9 5 年1 1 月4 日发射，具有7 种模式、2 5 种波束、 不同入射角，因而具有多种分辨率、不同幅宽和多种信息特征。在构建成像模型 之前，首先介绍r a d a r s a t 卫星及其影像的有关参数如下： 太阳同步轨道( 晨昏) 轨道高度：7 9 6 | | b ，l 倾角：9 8 6 0 0 运行周期：1 0 0 7 r a i n 重复周期：2 4 天 每天轨道数：1 4 重量：2 7 5 0 k g 表3 1r a d a r s a t 数据各模式的参数n 2 1 入射角标称分辨率标称轴宽 工作模式波束位置 ( o )( m )( k m ) 精细模式 ，l f 53 7 4 81 05 0 x 5 0 标准模式 s 1 一s 72 0 4 93 01 0 0 1 0 0 宽模式 w i w 32 0 4 53 01 5 0 1 5 0 窄幅s c a n s a r斛1 2 0 4 05 03 0 0 3 0 0 斛23 1 4 65 03 0 0 3 0 0 宽幅s c a n s a r s w l2 0 4 91 0 0 5 0 0 5 0 0 超高入射角模式 胃l 一日64 9 5 92 57 5 7 5 超低入射角模式 三11 0 2 33 51 7 0 1 7 0 3 1 卫星产品介绍 3 1 1 产品级别和种类 r a d a r s a t 数据的处理水平和产品种类n 3 1 有3 级9 种。3 级处理水平分别是： 原始信号级( r a ws i g n a ld a t a ) 、地理参考级( g c o r c f c r e n c e dd a t a ) 、地理编码 1 0 第3 章r a d a r s a t 影像参数引用 级( g e o c o d e dd a t a ) 。各级处理水平中的产品种类详见下表： 表3 2r a d a r s a t 产品级别 p r o c e s s i n gl e v e l p r o d u c tt y p ep r o d u c tt y p ei nr s ip r o d u c tl e v e i 1 1 1r a d a r s a t t e r m i n o l o g y j nn e t w o r k m n e m o n i c ss t a t i o n c e r t ：i f i c a t i o n r a w ( s i g n a ld a t a ) r a l ，vr a w s i g n a ld a t a l e v e l0 g s o r 6 伯r e n c e dd a t a s l c s i n g l el o o kc o m p l e x ( s a t e u i 恒p a l ho r i e n t e d ) s g fp a t hi m a g e s g f 裔t hi m a g ep l u sl e v e i 1 s c n s c a n s a rn a r r o w s c ws c a n s a rw i d e g e o o o d e dd a t a s s g m a pi m a g e l e v e l2 a po r i e n t e d ) s p gp r e c i s i o nm a pi m a g e 1 原始信号级 r a w 产品：以复型方式将未经压缩成像处理的雷达信号数据记录在介质上。 单波束模式和s c a n s a r 模式的数据均可以生成r a w 产品。该产品仅面向于具有 s a r 成像处理能力的用户。 2 - 地理参考级 s l c ( s i n g l el o o k c o m p l e x ) 产品：即单视复型产品。采用单视处理，以3 26 f r 复数形式记录图像数据。只有单波束模式的数据可以生成s l c 产品，该产品面向 于具有相当处理水平和处理条件的用户。 s g f ( s a rg e o r e f e r e n c e df i n er e s o l u t i o n ) 产品：即地理参考精细分辨率产品。 只有单波束模式的数据可以生成s g f 产品。对标准模式、宽模式、超低和超高模 式均采用1 2 5 r e x l 2 5 m 的像元尺寸和4 视处理；对于精细模式，采用6 2 5 m x 6 2 5 m 的像元尺寸和1 视处理。图像数据为1 66 厩符号整型。 s g x ( s a rg e o r e f e r e n c e de x t r af i n er e s o l u t i o n ) 产品：即s 删理参考超精细 分辨率产品。该产品与s g f 产品相仿，唯一的区别是s g x 采用更加小的像元尺寸， 因而产品数据量更大。 s c n ( s c a n s a r n a r r o w b e a m ) 产品：即窄幅s c a n s a r 产品。图像为2 5 m x 2 5 m 的像元尺寸，数据为86 厩符号整型。 s c w ( s c a n s a r w i d e b e a m ) 产品：即宽幅s c a n s a r 产品。图像为5 0 m x 5 0 m 的 像元尺寸，数据为86 f ，无符号整型。 3 地理编码级 s s g ( s a rs y s t e m a t i c a l l yg c o c o d e d ) 产品：即s 础理编码系统校正产品。 第3 章r a d a r s a t 影像参数引用 该产品在s g f 基础上进行了地图投影校正。只有单波束模式的数据可以生成s s g 产品。s s g 产品的图像数据为1 66 豇或86 f f 无符号整型，由用户自行选择。 s p g ( s a rp r e c i s i o ng e o c o d e d ) 产品：即s 舭理编码精校正产品。该产品与 s s g 产品相仿，不同之处在于采用地面控制点对几何校正模型进行修正，从而大 大提高了产品的几何精度。 在r a d a r s a t 的各级产品中，r a w 产品是信号，还不是图像，一般的用户 无法直接使用，只有具备s a r 信号处理能力的用户才可以使用；s l c 产品在图像 数据中保留了相位信息，被应用在s a r 干涉测量等方面，也要求用户有比较高的 数据处理能力；s g x 产品应用在需要尽可能高的图像分辨率，而把处理速度和数 据大小作为次要的考虑因素；s c n 和s c w 为s e a n s a r 产品，图像幅宽大，但仅有 一种处理级别，供用户在需要打地理范围图像时使用；s g f 产品具有较高的辐射 精度和较高的离散目标分辨率，是目前用户使用最多的产品级别，本文实验所用 数据即为此产品。 3 1 2 产品格式 中国遥感卫星地面站的r a d a r s a t 产品一律为c e o s 格式，产品由5 个文件 组成，文件中包括了长度不同的辅助数据记录和信号图像数据记录。这5 个文件 的名称分别是： v o l u m ed i r e c t o r y f i l e - v d f d a t 0 0 1 s a l l l e a d e rf i l e - l e a 1 0 0 1 s a r d a t a f i l e d a t 一0 1 0 0 1 s a rt r a i l e r f i l e - t r a 一0 1 0 0 1 n u l lv o l u n 任! d i r e c t o r yh l e 二n i ，v d f 0 0 1 在r a d a r s a t 数据的不同处理级别的产品中，上述5 个文件的组成有所不 同，其中包含的记录类型和数量也不同。具体产品文件组成情况如下表： 表3 3r a d a r s a t 产品文件组成表 s l c s c ns s g r a ws g f s c w s p g s g x lv o l u m ed i r e c t o r y f i l e v o l u m ed e s c r i p t o rj_ s a rl e a d e rf i l ep o i n t e rj 1 2 第3 章r a d a r s a t 影像参数引用 i m a g eo p t i o n s f i l ep o i n t e r- t r a i l e rf i l ep o i n t e r_t t e x tr e c o r d、毒j 2s a r l e a d e rf i l e d e s c r i p t o rr e c o r d _j0j d a t as e ts u m m a r y d a t aq u a l i t ys u m m a r y_ s i g n a ld a t ah i s t o g r a m 0 p r o c e s s e dd a t ah i s t o g r a m0 p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s - m 印p r o j e c t i o nd a t a 0 p l a t f o r mp o s i t i o nd a t a a t t i t u d ed a t a r a d i o m e l r i cd a t a - r a d i o m e t r i c 0 c o m p e n s a t i o nd a t a 3s a r d a t af i l e d e s c r i p t o rr e c o r d -00 s i g n a ld a t a 0 p r o c e s s e dd a t a - -0 4s a rt r a i l e rf i l e d e s c r i p t o rr e c o r d - 0 d a t as e ts u m m a r y - d a t aq u a l i t ys u m m a r y j t s i g n a ld a t ah i s t o g r a m 0 p r o c e s s e dd a t ah i s t o g r a m0 p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s j a t t i t u d ed a t a0 r a d i o m e t r i cd a t a r a d i o m e t r i c c o m p e n s a t i o nd a t a 5n u l lv o l u m e d i r e c t o r y f i l e 1 3 第3 章r a d a r s a t 影像参数引用 3 2 文件主要内容与重要参数 c e o s 文件主要内容n 钔如下： 1 v o l u m ed i r e c t o r yf i l e 简要描述了文件大小、产品类型、数据指针等。此外在“t e x tr e c o r d 还简 要说明了产品处理国家和代理点、卫星轨道数、景中心经纬度等。 2 s a rl e a d e rf i l e 该文件是重点( 对于常用的s g f 文件来说) ，基本包含了几何纠正处理所需 的参数。详细说明如下： 八d e s c rip t o rr e c o r d 描述本文件大小与格式，方便利用指针进行数据读取。 b d a t as e ts u m m a r y 包含了以下五大内容： a ) 景中心参数：格林尼治标准时间、升轨降轨标记、景中心经纬度、 方位、景的长度范围 b ) 地球椭球参数：长短半轴常数、地球质量、重力常量 c ) 卫星平台参数：传感器、轨道数、平台经纬度和方位、入射角 d ) 雷达脉冲参数：波长、脉冲处理相关系数、脉冲重复频率( p i 强) e ) 图像中心行列数、分辨率 c d a t ao u a ii t ys u m m a r y 检查相关数据误差。 d s i g n a id a t ah i s t o g r a m 原始信号数据直方图相关信息。 e p r o c e s s e dd a t ahis t o g r a m 处理后数据直方图相关信息。 f p r o c e s sin gp a r a m e t e r s 主要处理参数有：影像摄取时间、影像处理时间、多普勒中心频率估计参数、 采样参数。 g m a pp r o j e c tio nd a t a 主要地图投影参数有：平台地心距、平台高度和方位、景四角的经纬度。 h p i a t f o r mp o s i t i 0 1 1d a t a 记录了格林威治平均时间角以及卫星在轨道惯性系下相应时刻的位置和速 1 4 第3 章k a d a r s a t 影像参数引用 度，可通过插值确定一定时刻卫星的位置和速度矢量。 i a r t i r u d ed a t a 卫星姿态如倾斜、滚动、偏航信息。 j r a d j o m e t r i cd a t a 辐射数据信息。 i t r a dio m e t ricc o n _ ) e n s a tio nd a t a 辐射补偿参数。 3 s a rd a t afil e 包括文件描述、原始信号数据、处理后图像数据。 4 s a rt r a i l e rf i l e 内容基本同“s a rl e p d ) e rf i l e ，只是对应的产品不同。 5 n u l lv o l u m ed i r e c t o r yf l l e 空文件。 3 3 小结 本章在介绍m 也触述a t 产品类别和产品文件内容的基础上，讲述了产品文 件基本参数的含义( 参数的优化处理将在下章讲述) ，为几何纠正模型提供了基 本的参数支持。此外，值得注意的是，c e o s 文件均为二进制数据格式，为此， 实验中专门编制了解码程序。 第4 章星载s a r 几何纠正模型 第4 章星载s a r 几何纠正模型 常用的基于地面控制点的星载s a r 影像纠正方法根据纠正模型的不同有多 项式法、共线方程法和基于s a l t 成像原理的距离多普勒模型纠正法n 钉。纠正模 型作为几何纠正的核心算法，对于几何纠正精度和纠正过程都有非常大的影响。 为了充分利用星载s a r 影像的星历数据，本文重点研究了基于s a r 成像原理的 距离多普勒模型纠正法，该方法符合星载s a r 影像本身的成像特点，从实际物 理意义和定位精度等方面考虑都具有相当的可靠性。 在实际应用距离多普勒模型法进行几何纠正时，会涉及到以下问题： 首先，由于一幅星载图像覆盖面积大( r a d a r s a t 卫星标称覆盖面积为 ( 5 0 x 5 0 5 0 0 x 5 0 0 ) k i n 2 ) ，纠正时为避免地球曲率的影响，物方空间坐标系应以 地心空间直角坐标系为基础，但为使运算时坐标值有效位数减少，以免大数运算， 还需将物方坐标由地心空间直角坐标系转换到椭球割面坐标系，即需进行下列坐 标变换：高斯坐标及高程4 大地坐标( l ，b ，h ) 叠地心空间直角坐标声椭 球割面坐标。 其次，模型参数作为纠正计算的已知条件，有其相应的物理意义，如何精确 获取与解算至关重要。这些参数包括距离向像元分辨率、雷达波长、脉冲重复频 率、多普勒中心频率。前三者可从上一章介绍的r a d a r s a t 卫星星历数据中直 接读取，而多普勒中心频率则需要跟据星历数据中的多普勒中心频率改正参数计 算确定。 最后，在最小二乘平差迭代计算中，需要预先设定未知系数的迭代初值。好 的迭代初值可以使迭代加速收敛，从而降低迭代计算的强度和时间耗费。一般而 言，模型的未知系数包括扫描延迟、像坐标原点对应的雷达天线中心的瞬时物方 空间位置坐标和速度值。前者的计算有赖于星地相对位置的确定，而后者则可以 通过r a d a r s a t 卫星星历数据中提供的离散点的状态向量值对整个弧段上的状 态向量进行拟合与插值得到。 此外，在某些情况下，可能无法得到星载s a r 影像星历数据，这时可采用 多项式纠正模型进行纠正，该方法回避了成像的空间几何过程，而直接对图像变 形的本身进行数学模拟，原理比较直观并且计算简单。但对于地形起伏较大的地 区，一般的多项式纠正法往往得不到满意的结果。为此，本文构建了基于投影差 改正的多项式纠正方法，该方法在一般的多项式纠正方法基础上引入了( 高差引 起的) 投影差改正，可实现更精确地纠正。 1 6 第4 章星载s a r 几何纠正模型 4 1 坐标系描述 1 s a r 影像平面坐标系 像平面坐标系用以表示像点在像平面上的位置，在解析和数字摄影测 量中，常根据框标来确定像平面坐标系，称为像框标坐标系。 x 图4 1 像框标坐标系 2 高斯平面直角坐标系 在本研究中，s a r 影像纠正的控制数据主要来源于地图，而目前地图采用 的是高斯投影n 钔，以赤道和中央子午线的交点为坐标原点，中央子午线方向为x 轴，北方向为正；赤道投影线为y 轴，东方向为正。象限按顺时针i 、i i 、 排列，如下图所示： 图4 2 高斯平面直角坐标系 1 7 末( y ) 第4 章星载s a r 几何纠正模型 3 大地坐标系 空间一点的大地坐标用大地经度l 、大地纬度