机载SAR成像中几何外定标与运动补偿的研究

摘要

本论文主要研究了基于高精度GPS/INS组合导航系统的机载SAR成像中的几何外定标与运动补偿的问题。为了使机载SAR摄影测量系统的几何精度能够与系统所获取图像的距离和方位向的高分辨力相应，实现利用P波段SAR接收的回波信号进行无几何畸变的精确聚焦成像的制图要求，首先需要解决几何外定标的问题，即确定GPS/INS定位（信号同步）的时间延迟和斜距定标。本文研究在系统几何内定标基础上，机载SAR成像的几何外定标的相关理论与方法。以期通过几何外定标，检验几何内定标的精确性和成像系统的几何稳定性。并计算成像系统几何内定标后剩余几何“像差”的系统误差改正，使得机载SAR摄影测量系统在实际测绘生产中，能以稀少控制点，达到“像素级”的摄影测量精度。
　　机载SAR摄影测量系统是SAR传感器和GPS/INS组合导航系统及其地面制图处理系统的系统集成。对于机载SAR成像来说，在原理上要求载机在中低空的飞行中按照等高、匀速、直线的轨迹运行，为了实现SAR成像要求的这一理想飞行航迹和平稳飞行状态，需要进行相应的运动补偿。近代的GPS/INS组合导航系统所测量的位置、速度、加速度及天线载体平台的瞬时姿态已经达到了很高的精度，可以满足成像和运动补偿的相关要求。尽管如此，完全利用GPS/INS组合导航系统测量，计算运动和多普勒参数，进行高质量、无几何畸变的机载SAR成像，仍有一些关键技术需要研究。文中研究了SAR成像系统几何定标和运动补偿的理论，几何外定标的方法和计算公式;基于GPS/INS组合导航系统进行机载SAR成像的理想航迹的计算、波束中心视线角和多普勒参数的算法和程序设计，运动补偿的算法和程序设计等。
　　本文利用由中国测绘科学研究院等单位联合研制的机载多波段多极化干涉雷达测图系统获取的P波段雷达数据，结合从已有的DOM数据获得的控制点信息，进行了P波段机载SAR的几何外定标与基于GPS/INS（文中亦称POS）组合导航系统的运动补偿实验工作。根据15个明显地物控制点，采用几何外定标方法，计算得到的P-SAR几何定标后成像系统的剩余误差常数，定性的表明了系统几何像差的存在和研究P-SAR几何外定标的必要性，以及方法的可行性。同时研究了基于高精度POS系统（GPS/INS组合导航系统）的机载SAR成像中的运动补偿的理论及其相关的技术。基于GPS/INS组合导航系统的数据进行法平面和航向运动补偿得到的理想航迹和波束中心视角与电子工业部38研究所的计算结果几何上一致;证明了运动补偿算法和程序设计的正确性。试验工作最后输出了基于GPS/INS组合系统进行运动补偿后的成像试验结果。
　　本文的主要工作和贡献如下:
　　1、利用获取的P波段雷达影像与获取的对应地区的DOM数据，研究了“P-SAR几何外定标的摄影测量方法”，阐明了机载SAR几何外定标的概念。建立了几何外定标的模型，详细推导了几何外定标的原理和参数的计算公式。进行了相关实验，并对结果进行了分析和总结。
　　2、推导了基于GPS/IMU组合导航系统的数据计算多普勒参数和运动参数的摄影测量计算公式，利用已获取的P波段SAR数据和GPS/IMU数据建立了基于组合导航系统的机载SAR成像的几何模型。进行了基于“高精度组合导航系统”的载机运动参数和多普勒参数（多普勒中心频率和多普勒调频率）的估计研究及调频率的运动补偿，实现了相关的成像算法和流程。
　　3、研究和分析了机载SAR成像系统法平面Y/Z和航向运动的数学物理模型和误差理论，基于POS数据计算的运动参数，进行了运动补偿的程序设计，将实际飞行航迹变换为“（准）理想航迹”，使成像聚焦在基于POS数据作运动补偿后的“（准）理想航迹”进行。推导分析了载机运动位置误差对SAR成像的影响，针对相应的运动误差模型应用基于高精度组合导航系统的运动补偿措施进行了机载SAR成像系统的运动补偿。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 机载SAR摄影测量技术的发展

1．2 研究背景与意义

1．3 国内外研究工作的现状

1．4 本文研究内容和章节安排

2 SAR成像原理及其方法

2．1 基本原理概述

2．2 SAR成像的数学与物理模型

2．3 R-D成像算法

3 机载SAR摄影测量系统中的几何定标

3．1 机载多波段多极化干涉SAR测图系统

3．2 机载SAR系统中的POS系统

3．3 机载P波段雷达成像的几何定标

4 机载P波段SAR成像中的运动补偿

4．1 运动和成像参数的摄影测量计算方法

4．2 实际航迹与拟合的理想航迹APC的坐标变换

4．3 机载P波段雷达成像中的运动补偿

5 试验与结果分析

5．1 机载P-SAR几何外定标试验

5．2 结合运动补偿的P波段机载SAR成像试验

6 总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要成果