一种基于外部粗精度DEM的初始相位偏置实时估计方法

摘要

本发明公开了一种基于外部粗精度DEM的初始相位偏置实时估计方法。它包括以下步骤：获取影响因素对初始相位偏置误差的量化关系；确定初始相位偏置误差对DEM的定性与定量影响关系；根据外部粗精度DEM确定成像区域的参考高度；由系统参数、飞行前定标场获定出的参数及获取的参考高度，结合干涉几何关系计算理论绝对干涉相位；由理论干涉相位、双通道不一致延迟误差产生的初始相位偏置误差及展开相位确定初始相位偏置的数值。本发明针对目前DEM反演中不能实时提供较高精度初始相位偏置的问题，提出了高精度初始相位偏置实时估计，在实时DEM反演中能实时产生满足实际测绘需求的较高精度的初始相位偏置。

权利要求

1.一种基于外部粗精度DEM的初始相位偏置实时估计方法，包括以下步骤：

1）分析实时DEM反演中的初始相位偏置误差的影响因素，并建立量化关系；

2）初始相位偏置误差对DEM精度影响建模，并获取初始相位偏置误差对DEM精度影响的定性与定量关系，得到相应的影响曲线簇；

3）根据步骤1）获得的量化关系确定参考高度是对初始相位偏置的一个重要影响因素，利用SRTM的粗精度DEM获取场景的参考高度；

4）根据获取的参考高度、定标场定出的参数及系统参数，由干涉几何关系计算理论绝对干涉相位；

5）根据理论绝对干涉相位、两通道不一致延迟误差导致的初始相位偏置误差及展开相位估计初始相位偏置的数值。

2.根据权利要求1所述的基于外部粗精度DEM的初始相位偏置实时估计方法，所述步骤1)包括以下步骤：确定对初始相位偏置误差影响的两个主要因素：两通道不一致延迟误差及参考高度误差；

通过定标场的N个定标点确定两通道不一致延迟误差Δr12=Q·(Δr1-Δr2)/2 (1)由此引起的初始相位偏置误差大小为4πfτΔr12/c，其中fτ为距离向频率，c为光速，Q为雷达工作方式，乒乓模式时，Q=2；标准模式时，Q=1，Δr1和Δr2分别为天线A1和天线A2到目标的绝对时间延迟误差而产生的路径差；

当成像区域的参考高度Href与真实值存在δHref的误差时，将引起双天线路 径差的变*化，目标处的视角将由θＴ变为θT

由此将引起初始相位偏置误差大小δφ0为

*

δφ0=Q·2π·(Δr-Δr)/λ (3)*

其中λ为波长，H为载机飞行高度，Δr 为存在参考高度误差时由绝对时间延迟造成的路径差,Δr为没有参考高度误差时由绝对时间延迟造成的路径差。

3.根据权利要求1所述的基于外部粗精度DEM的初始相位偏置实时估计方法，步骤2）中建立的初始相位偏置误差与高程误差的模型为：其中h为目标的真实高度，H为载机飞行高度，Href为目标的参考高度，λ为波长，r2为第二部天线到目标的斜距，α为基线倾角，φunw为展开相位，φ0为初始相位偏置，B为基线长度，Q为系数，当标准模式Q=1；乒乓模式时，Q=2；

经推导可得高程误差和初始相位偏置误差定量关系为其中C0=λ/2πBQ，θ2为天线A2的视角，δφ0为初始相位偏置误差；

由该式可得初始相位偏置误差与高程误差的定性关系曲线簇。

说明书

一种基于外部粗精度DEM的初始相位偏置实时估计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于外部粗精度DEM的初始相位偏置实时估计方法。

背景技术

[0002] InSAR（干涉合成孔径雷达）技术可以获取场景中一个点的三维坐标：距离向坐标、方位向坐标和高程坐标，从而实现目标的精确三维定位。随着硬件水平的提高和InSAR技术的进步，以及国防和经济生活需求的提高，DEM（数字高程模型）的实时获取变得日益紧迫而必要。利用实时干涉处理结果可以实时评估雷达数据质量，快速选择可处理和感兴趣的数据块，快速反应应对突发性自然灾害以及实现目标的实时精确三维定位。

[0003] 要实现DEM实时反演，则要实时获取绝对干涉相位，进一步需要实时估计初始相位偏置的数值。目前绝对干涉相位获取采用最多的方法是通过定标方法估计基线长度、基线倾角、时间延迟以及干涉相位偏置，从而确定整个图像的绝对干涉相位。关于无需地面控制点的绝对相位估计，有谱分段估计算法、残余延迟估计算法和基于相位偏置函数的估计方法。前两种方法速度较慢，且精度不高，n的估计精度只能达到±0.5；最后一种方法估计精度很高，但要求进行两次相反方向飞行，运算量也较大，实时效率大受影响。

发明内容

[0004] 为了解决实时DEM反演中的初始相位偏置估计问题，本发明提供了一种基于外部粗精度DEM的初始相位偏置实时估计方法。

[0005] 本发明解决上述问题的技术方案包括以下步骤：

[0006] 1）分析初始相位偏置误差的影响因素，并建立量化关系；

[0007] 2）针对初始相位偏置误差对DEM精度的影响建模，并获取初始相位偏置误差对DEM精度影响的定性与定量关系；

[0008] 3）由分析的上述定性与定量关系，确定参考高度是对初始相位偏置的一个重要影响因素，利用SRTM（航天飞机雷达地形测量任务）的粗精度DEM获取场景的参考高度；

[0009] 4）根据获取的参考高度、定标场定出的参数及系统参数，由干涉几何关系计算理论绝对干涉相位；

[0010] 5）由计算的理论绝对干涉相位、两通道不一致延迟误差导致的初始相位偏置误差及展开相位估计初始相位偏置的数值。

[0011] 本发明的技术效果在于：本发明利用SRTM系统提供的粗精度DEM数据，结合测区经纬度信息及InSAR系统参数，在飞行测绘前确定SRTM数据对应的测区4条边界的经纬度信息及计算垂直于航线方向的每列SRTM的DEM均值。在实时测绘时，根据载机飞行的实时机下点经纬度及利用飞行前存储的SRTM数据确定对应测区范围内的SRTM相应数值，利用这些数值求出DEM均值作为该段测区内的参考高度。进而根据求出的该测区参考高度、定标场定标后获取的参数（B,α和Δr）及双天线干涉几何关系计算理论绝对相位。最后利用实际场景中与SRTM求取参考高度时选用的对应比例区域，结合获取的展开相位实时确定初始相位偏置的数值。本发明解决了现有的初始相位偏置不能实时估计的问题，且估计精度也能满足绝大部分干涉产品的实际应用要求。

[0012] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

[0013] 图1为本发明的实现流程图。

[0014] 图2为本发明中应用的双天线干涉原理图。

[0015] 图3为本发明中的参考高度误差引起的几何关系变化图。

[0016] 图4为本发明中的不同δHref/Href比值导致的初始相位偏置误差变化图。

[0017] 图5为本发明中的不同的基线倾角导致的初始相位偏置误差变化图。

[0018] 图6为本发明中的不同的Href/H比值导致的初始相位偏置误差变化图。

[0019] 图7为本发明中的不同基线倾角由初始相位偏置误差导致的DEM误差随距离向的变化情况图。

[0020] 图8为本发明中的最近、参考和最远斜距处，初始相位偏置误差导致高程误差随基线倾角变化情况图。

具体实施方式

[0021] 参见图1，图1为本发明的实现流程图。本发明的具体实施过程如下：

[0022] (1)由机载双天线干涉几何关系确定DEM反演公式。

[0023] 由图2机载双天线干涉SAR系统的干涉原理图，得DEM反演公式(1)。

[0024] θ2=α-arcsin(λφa/2πBQ)

[0025] h=H-Href-r2cosθ2 (1)

[0026] y=r2sinθ2

[0027] 由该式可知，只要载机飞行高度H、基线长度与倾角B及α、视角θ2及斜距r2确定，就可通过绝对相位φa求得点P的高程。其中Q为系数，当标准模式Q=1；乒乓模式时，Q=2。Href为目标的参考高度。

[0028] 由该原理图可知，由于干涉处理时采用的是三角函数计算方法，因此由两天线产生的干涉相位是缠绕相位φw。其数值并没有与真实地形的干涉相位相对应，相差2π的整数倍，因此要对该相位进行相位展开获取非缠绕相位φuw。但由于多种误差因素，该相位在整个场景中仍与式(1)要求的绝对相位φa相差一个常数相位值φ0，称为初始相位偏置。

[0029] φa=φuw+φ0 (2)

[0030] (2)初始相位偏置误差影响因素分析

[0031] 1）初始相位偏置误差影响因素分析

[0032] 造成初始相位偏置误差的原因主要有两个，一是由于两路接收机通道的延迟线不同而产生的两通道间绝对延迟时间误差；二是相位展开中选择作为起始点的干涉相位并不是该点真实绝对相位值（此处主要由于该点采用参考高度不是其真实参考高度导致）。

[0033] ①两通道不一致延迟误差分析

[0034] 双天线系统中，由于计数器数值的设定误差会导致PRF与采样脉冲之间的延时与预设数值存在较大偏差；此外通道数据传输线的延迟也有一定影响，导致了系统设计的延时与实际不相符合。而两通道的不一致性会使两个通道存在一个固定延迟误差Δr12，造成干涉相位中存在一个常数相位误差。这种常数相位误差在传统干涉处理中可通过定标处理予以消除，但在取消了定标的实时系统中，这种不一致性要考虑在内，可以通过定标场的N个定标点求取两通道各自延迟误差再利用式(3)确定不一致延迟误差。

[0035] Δr12=Q·(Δr1-Δr2)/2 (3)

[0036] 其中Δr1和Δr2分别为天线A1和天线A2到目标的绝对延迟时间误差引起的路径差。由此将引起的初始相位偏置误差为4πfτΔr12/c，其中fτ为距离向频率。

[0037] ②参考高度误差对初始相位偏置的影响

[0038] 对初始相位偏置影响较大的是选择的相位展开起始点在相位展开后本身就与真实相位值相差了一个常数，从而使得展开相位整体上相差了一个常数相位偏差。这主要是相位展开起始点的本身参考高度与其真实参考高度有较大偏差的原因。图3给出了当参考高度Href与真实值存在δHref的误差时，引起的双天线路径差的变化情况。由该图的几何关*系可得T 处的视角为

[0039]

[0040] 其中H为载机飞行高度。

[0041] 由图2可知

[0042] Q·2π·Δr/λ=φuw+φ0 (5)

[0043] 即由双天线路径差Δr决定的绝对干涉相位由展开相位和初始相位偏置组成。

[0044] 而由图3可知，当参考高度发生变化时，将造成双天线系统的路径差发生变化，从而导致干涉系统的初始相位偏置产生误差。根据该图的几何关系，并结合式(5)可得参考高度误差导致的初始相位偏置误差大小为

[0045] δφ0=Q·2π·(Δr-Δr*)/λ (6)

[0046] 其中Δr*为存在高度误差时两天线的路径差。

[0047] 由式(4)至式(6)的显性表达式看不出初始相位偏置误差和参考高度误差的直接关系，为了对误差进行定性和定量分析，利用表1的参数进行了仿真，其中距离向视角为15°～75°。

[0048] 表1仿真参数

[0049]

[0050] 仿真结果如图4、图5和图6所示。通过分析可得下列结论：

[0051] a)δHref/Href越大，即参考高度误差越大，由δHref引起的δφ0越大；

[0052] b)Href/H越大，即参考高度越大，由δHref引起的δφ0越大；

[0053] c)基线倾角α的大小影响着由δHref引起δφ0的大小及沿距离向的对称中心位置。随着α的增大，对称中心向距离向远端移动；α不同影响的由δHref引起δφ0的大小随α增大先增后减，且关于α=45°对称。

[0054] 2）初始相位偏置误差对DEM精度影响分析

[0055] 由式(1)及式(2)可建立高程与初始相位偏置关系

[0056]

[0057] 设C0=λ/2πBQ，并将式(7)两边分别对φ0求微分，经推导得

[0058]

[0059] 其中g(φ0)=C0(φunw+φ0)为φ0的函数。

[0060] 经化简可得

[0061]

[0062] 由该式可知，在系统参数(波长、基线长度与倾角、工作模式)确定的条件下，由初始相位偏置误差引起的高程误差由该采样点入射角大小、斜距r2及系统初始相位偏置误差大小决定。斜距r2本质上也由该采样点视角决定，因而初始相位偏置误差引起的高程误差本质上由该点视角决定，并随距离向增加。

[0063] 式(9)经距离向视角离散化可得

[0064]

[0065] 为便于研究，且有利于实际InSAR数据算法验证，采用表1参数对该误差进行仿真。其中设初始相位偏置误差δφ0=0.5rad，可得图7和图8的结果。经分析可得初始相位偏置误差导致高程误差的如下结论：

[0066] a)高程误差随δφ0的增大而增大；

[0067] b)由δφ0引起的高程误差随距离向逐渐增大；

[0068] c)当基线倾角α∈[0,π/2]时，由δφ0引起的高程误差随着基线倾角的增大出现先减小后增大规律，且在距离向视角θ=α处最小，为对称中心。

[0069] (3)初始相位偏置实时估计算法

[0070] 为了能实时得到DEM反演时需要的初始相位偏置，本发明提出基于SRTM粗精度DEM数据的初始相位偏置实时估计方法。

[0071] 1)确定成像区域的参考高度Href。

[0072] 首先根据确定的测区经纬度信息、SRTM原始DEM数据及系统参数，求出测区4条边界的经纬度并分别存储在2个矩阵中。在每次航线飞行测绘范围内，将垂直于航向的SRTM的DEM求取均值存储于一个矩阵中，并与飞行方向经纬度对应。根据实时飞行的机下点经纬度与存储的边界经纬度相比较，确定本次成像区域内需要用到存储的SRTM的高度，求出起伏较小区域均值作为成像区域参考高度Href。

[0073] 2)求取理论绝对干涉相位。

[0074] 利用定标场定出的参数(B,α,Δτ)、系统参数及参考高度Href，由图2的几何关系，根据(11)式和公式(12)计算出理论绝对干涉相位ψ。

[0075]

[0076]

[0077] Δr0=r2-r0

[0078]

[0079] 3)确定常数相位偏置。

[0080] 求出理论干涉相位后，找到与SRTM求取参考高度时的区域对应的比例的绝对相位区域，利用公式(13)估计初始相位偏置φ0的数值。

[0081]

[0082] 由此得初始相位偏置实时估计方法的实现流程如图1所示。

[0083] 初始相位偏置实时估计过程中需注意以下两点：

[0084] ①为了节省处理时间，图1中虚线方框所示部分在进行正式飞行之前预先计算并存储起来作为已知去应用。

[0085] ②反演公(1)中θ2=α-arcsin(λ(φuw+φ0)/2πB)应在[-π/2,π/2]之间，否则反演时会出现问题，因此要进行判断转换。