Mini SAR遙感系統(tǒng)測(cè)圖

陳 姣,郭增長(zhǎng),王雙亭

(河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

Mini SAR遙感系統(tǒng)測(cè)圖

陳 姣,郭增長(zhǎng),王雙亭

(河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

Mini SAR遙感系統(tǒng),用微小型SAR做傳感器，通過小型飛機(jī)或無人機(jī)為遙感平臺(tái)獲取地物信息，但載機(jī)平臺(tái)在空中易受氣流影響而偏離預(yù)設(shè)航線產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差。文中首先分析載機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，介紹系統(tǒng)中IMU/GPS組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)預(yù)處理過程，論述載機(jī)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差、速度誤差對(duì)SAR成像距離模型的影響。MiniSAR遙感系統(tǒng)獲取的影像清晰，可用于制作正射影像圖、基礎(chǔ)地理信息庫(kù)更新、災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)急等領(lǐng)域，但不足之處在于影像中某些金屬目標(biāo)出現(xiàn)方位散焦現(xiàn)象。

Mini SAR；運(yùn)動(dòng)誤差；POS數(shù)據(jù)；散焦

隨著SAR的小型化技術(shù)的不斷發(fā)展，最大限度的發(fā)揮了微小型載機(jī)平臺(tái)和SAR設(shè)備各自的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行低空遙感作業(yè)，快速獲取高分辨率SAR影像，是傳統(tǒng)航空、航天遙感手段的有力補(bǔ)充[1-2]。

2006年美國(guó)ImSAR公司和Insitu公司合作研發(fā)了世界上體積最小、質(zhì)量只有0.45 kg的最小合成孔徑雷達(dá)樣機(jī)—NanoSAR。2008年，18.2kg的掃描鷹(Scan Eagle)無人機(jī)搭載0.91 kg的 NanoSAR 試飛成功。經(jīng)過近年來的科研攻關(guān)，目前已經(jīng)研制出微型高性能合成孔徑雷達(dá) MiniSAR 并得到成功應(yīng)用，設(shè)備輕巧、運(yùn)輸方便、便于組裝，可搭載在5 kg以上級(jí)別遙感平臺(tái)上進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集[3]，斜距圖像分辨率可達(dá)到0.3 m×0.3 m，成像幅寬300～2 000 m，作用距離可達(dá)500～6 000 m。

1 Mini SAR遙感系統(tǒng)

MiniSAR遙感系統(tǒng)主要包括SAR主機(jī)、小型IMU、射頻收發(fā)天線、GPS天線等相關(guān)設(shè)備。處理軟件通過對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、時(shí)碼文件的讀取獲取數(shù)據(jù)的基本信息，同時(shí)設(shè)置成像處理參數(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的成像和結(jié)果輸出。處理流程由運(yùn)動(dòng)誤差、多普勒參數(shù)估計(jì)、條帶模式成像處理、加窗處理、多視處理、輻射校正以及地理編碼等部分組成。

2 輕小型載機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

載機(jī)理想的飛行狀態(tài)是載機(jī)三軸方向無轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)沿X軸方向速度恒定，沿Y軸和Z軸的速度分量以及沿三軸方向的加速度分量均為零[4-5]。而輕小型載機(jī)平臺(tái)在飛行過程中受外界環(huán)境因素影響及自身設(shè)備性能的限制，載機(jī)在低空飛行作業(yè)時(shí)，不可避免的偏離理想的勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

以載機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閆軸，Y軸方向與X軸和Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系(北東天地理坐標(biāo)系)。天線相位中心的理想航線在XOZ平面內(nèi)且與X軸平行,高度為H，Pn(Xn,Yn,0)為測(cè)繪帶內(nèi)任一點(diǎn)，M點(diǎn)是理想航跡上到P點(diǎn)的最近點(diǎn)，r為理想航跡到P點(diǎn)的最短距離，α為雷達(dá)俯視角，A(Vt+ΔX,ΔY,H+ΔZ)為在實(shí)際航線上任一點(diǎn)時(shí)，目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的方位角為θ。R為實(shí)際天線相位中心A與目標(biāo)P之間的距離，N為M點(diǎn)在地面上的垂直投影，β是MN和MP之間的夾角，如圖1所示。

圖1 載機(jī)平臺(tái)非理想運(yùn)動(dòng)幾何示意圖

2.1 IMU/GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理

機(jī)載MiniSAR遙感系統(tǒng)采用IMU/GPS組合導(dǎo)航，在飛行結(jié)束后對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理。事后導(dǎo)航信息融合包括濾波和平滑兩個(gè)關(guān)鍵步驟[8-9]。

2.1.1 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波狀態(tài)方程有各子導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差方程組成，如圖2所示。本文選擇慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差方程為狀態(tài)方程。

圖2 卡爾曼濾波狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)圖

1)卡爾曼濾波狀態(tài)方程。綜合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本導(dǎo)航參數(shù)誤差方程和慣性儀表的誤差方程，經(jīng)過復(fù)雜的推導(dǎo)可得卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程為

(1)

2)卡爾曼濾波量測(cè)方程

(2)

系統(tǒng)的測(cè)量白噪聲矢量為

2.1.2 固定區(qū)間平滑[8-9]

假設(shè)卡爾曼濾波的離散狀態(tài)方程和量測(cè)方程為

(3)

Kalman Filter完成后，利用濾波過程中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行R-T-S固定區(qū)間最優(yōu)平滑驗(yàn)算，在平滑前先對(duì)平滑器進(jìn)行初始化，令K=N，則有

(4)

在時(shí)間區(qū)間[N-1 0]內(nèi)R-T-S固定區(qū)間平滑算法的遞推式為

平滑增益

平滑的狀態(tài)向量和方差陣更新：

(5)

固定區(qū)間濾波利用所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)來得到狀態(tài)的最小方差估計(jì)，獲得的融合結(jié)果比單純使用卡爾曼濾波精度更高，生成的POS數(shù)據(jù)記錄了載機(jī)平臺(tái)每一時(shí)刻的準(zhǔn)確位置和姿態(tài)。

2.2 小型平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差分析

2.2.1 三軸轉(zhuǎn)動(dòng)誤差

載機(jī)平臺(tái)的姿態(tài)角主要對(duì)雷達(dá)的波束指向和包絡(luò)產(chǎn)生影響，搭載的MiniSAR波束也會(huì)產(chǎn)生繞航向的俯仰角，繞波束視線旋轉(zhuǎn)及垂直斜距平面方向的方位角。橫滾角會(huì)使天線波束俯仰指向發(fā)生改變,即波束在距離向上擺動(dòng)，從而影響距離向的采樣數(shù)據(jù),嚴(yán)重時(shí)將得不到目標(biāo)回波。航偏角會(huì)造成雷達(dá)波束指向與載機(jī)航跡之際的夾角不固定。俯仰角會(huì)引起天線波束繞視線方向轉(zhuǎn)動(dòng),在俯仰角不是很大的情況下, 這種轉(zhuǎn)動(dòng)的影響是可以忽略的。

2.2.2 三軸速度誤差

天線相位中心沿理想航線以恒速V運(yùn)動(dòng)。ΔX,ΔY,ΔZ為實(shí)際飛行情況相對(duì)理想飛行情況的偏離,它們都是時(shí)間t的函數(shù)。

在沒有運(yùn)動(dòng)誤差存在的情況下，標(biāo)準(zhǔn)的正側(cè)視瞬時(shí)斜距表達(dá)式為

(6)

實(shí)際飛行中，有速度波動(dòng)Δv(t),則實(shí)際飛行速度為v=V+Δv(t)，則

(7)

方位向波束寬度采取了窄波束近似,使得由ΔY與ΔZ而產(chǎn)生的瞬時(shí)斜距誤差與目標(biāo)點(diǎn)的方位向位置無關(guān), 因此斜距模型簡(jiǎn)化為

(8)

知道ΔX,ΔY和ΔZ的值后就可根據(jù)上式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。ΔY和ΔZ造成的斜距誤差可以在讀取數(shù)據(jù)后或距離壓縮后對(duì)每次回波直接按距離單元對(duì)包絡(luò)和相位進(jìn)行補(bǔ)償。而不同俯仰角β處的補(bǔ)償值是不一樣的, 但可以距離分段提高補(bǔ)償精度。

2.3 相位誤差

受載機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差等諸多因素影響，點(diǎn)目標(biāo)的方位向回波信號(hào)中存在相位誤差。實(shí)際的方位向回波信號(hào)為

(9)

式中：fdc和fdr為理論多普勒中心頻率和調(diào)頻率，TS是合成孔徑時(shí)間，Δφε(t)是相位誤差。

消除相位誤差(運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)是實(shí)現(xiàn)SAR高分辨率成像的關(guān)鍵。運(yùn)動(dòng)誤差先經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器進(jìn)行初步補(bǔ)償，后經(jīng)自聚焦算法對(duì)殘留的相位誤差以及其他原因造成的相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 POS數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)中，載機(jī)平臺(tái)搭載POSAV610和小型IMU兩套慣導(dǎo)系統(tǒng)。POSAV610適用于高精度航空航天平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)，每秒可對(duì)航空傳感器進(jìn)行上百次精確定位定向，通過實(shí)時(shí)記錄定位定向數(shù)據(jù)并經(jīng)過高效率的POSPac MMS軟件后處理獲得高精度的定位定向數(shù)據(jù)。小型IMU配合GPS及原始雷達(dá)回波數(shù)據(jù)通過預(yù)處理軟件進(jìn)行組合導(dǎo)航，經(jīng)過濾波和區(qū)間平滑生成POS數(shù)據(jù)，其中小POS數(shù)據(jù)采用精密單點(diǎn)定位和差分處理兩種方式。截取同一條航線的三組POS數(shù)據(jù)，對(duì)三軸轉(zhuǎn)動(dòng)誤差和速度誤差進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 POS數(shù)據(jù)對(duì)比

小POS數(shù)據(jù)與POSAV610數(shù)據(jù)在變化率小的地方采樣點(diǎn)均勻分布，在變化率比較大的地方采樣點(diǎn)密集。經(jīng)濾波區(qū)間平滑處理后生成的小POS數(shù)據(jù)更加平滑，而POSPac MMS軟件處理后POSAV610數(shù)據(jù)更好的保留了載機(jī)平臺(tái)飛行時(shí)的真實(shí)軌跡和姿態(tài)。小POS精密單點(diǎn)定位和差分處理兩種方式生成的數(shù)據(jù)在數(shù)值上差別不大。差分處理方式生成的小POS數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性比精密單點(diǎn)定位高，在數(shù)值和趨勢(shì)上更接近POSAV610數(shù)據(jù)。

3.2 成像質(zhì)量對(duì)比

通過雷達(dá)成像軟件匹配原始雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，POS數(shù)據(jù)、UTC數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，生成分辨率為0.3 m的地理編碼影像。三幅同分辨率SAR影像整體上無差別，生成的SAR影像清晰，均可用于制作正攝影像圖，智能信息提取、 基礎(chǔ)地理信息建庫(kù)更新等、也適用于災(zāi)害監(jiān)測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)等領(lǐng)域。

實(shí)驗(yàn)中，在航帶內(nèi)布設(shè)角反射器，對(duì)布設(shè)的角反射器局部放大后發(fā)現(xiàn)，在外部環(huán)境相同的情況下，采用小POS數(shù)據(jù)成像的兩組影像中，金屬地物(高壓線塔、路燈、角反射器等)在方位向上均出現(xiàn)了不同程度的散焦現(xiàn)象，而采用POSAV610數(shù)據(jù)進(jìn)行成像時(shí)未出現(xiàn)方位向散焦現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 Mini SAR影像局部放大圖

載機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差導(dǎo)致目標(biāo)回波信號(hào)中產(chǎn)生相位誤差，相位誤差是導(dǎo)致SAR成像質(zhì)量下降的主要因素，準(zhǔn)確的多普勒參數(shù)能夠有效地消除回波中的相位誤差。而采用小POS數(shù)據(jù)生成的SAR影像出現(xiàn)散焦是由于方位向參考函數(shù)(關(guān)鍵參數(shù)為多普勒中心頻率與多普勒調(diào)頻率)不準(zhǔn)確，中心頻率對(duì)圖像的聚焦程度影響不大，而調(diào)頻率是聚焦的關(guān)鍵。多普勒調(diào)頻率的改變，使方位向匹配濾波失配，導(dǎo)致壓縮后的波形主瓣展寬，使圖像中某些地物不能聚焦。

4 結(jié) 論

MiniSAR具有傳統(tǒng)光學(xué)遙感技術(shù)不可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。使地形復(fù)雜區(qū)域測(cè)圖不在受惡劣天氣和地理?xiàng)l件的限制，實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候獲取高分辨率測(cè)繪數(shù)據(jù)，快速成圖，及時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地理國(guó)情。

采用小POS數(shù)據(jù)生成的SAR影像中，部分地物出現(xiàn)方位向散焦現(xiàn)象。如何提高小POS數(shù)據(jù)預(yù)處理的精度，準(zhǔn)確的獲取多普勒參數(shù)，以及在成像過程中更好的利用POS數(shù)據(jù)，避免金屬目標(biāo)出現(xiàn)方位向散焦，將作為后續(xù)研究的重點(diǎn)。

MiniSAR及小型IMU/GPS組成的遙感系統(tǒng)可搭載到荷載5 kg以上的無人機(jī)遙感平臺(tái)上，無人機(jī)載SAR測(cè)圖系統(tǒng)機(jī)動(dòng)靈活、高分辨率、高精度等優(yōu)勢(shì)，可廣泛用于地形測(cè)繪、應(yīng)急響應(yīng)、資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、重大工程建設(shè)監(jiān)測(cè)和國(guó)防安全等領(lǐng)域，提升我國(guó)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Application of Mini SAR remote sensing system to mapping

CHEN Jiao,GUO Zengzhang,WANG Shuangting

(School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000,Henan)

The remote sensing system of Mini SAR which consists of the miniature SAR and light and small aircraft or UAV platforms can quickly and accurately obtain geographic information. The aircraft platform deviation from preset air route tends to be effected by air stream，so this paper analyzes the characteristics of the motion of aircraft platform, and describes the key pre-processing steps of IMU/GPS integrated navigation data, then deduces the effect of the rotational error, velocity error on SAR imaging distance model. The surface features of Mini SAR images are clear which may be used in the production of orthophotos, basic geographic information database updates, disaster monitoring and emergency response fields, but the defect in the images is the azimuth defocus of metal target.

Mini SAR; motionerror;POS data;defocus

引用著錄：陳姣,郭增長(zhǎng),王雙亭.Mini SAR遙感系統(tǒng)測(cè)圖[J].測(cè)繪工程，2017，26(5)：5-8.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.002

2016-05-09

測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201412020);河南省高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金(NSFRF140113)

陳 姣(1986-)，女，博士研究生.

P237

A

1006-7949(2017)05-0005-04