SAR motion compensation based on the correction of residual attitude errors

As residual attitude errors are likely to affect the synthetic aperture radar (SAR) imaging, this paper presents a SAR motioncompensation algorithm based on the correction of residual attitude errors. The existing methods all use the antenna stableplatform to correct the attitude errors, and then compensate the trajectory deviations in the following imaging process. Besidescompensating the trajectory deviations, the modified method of this paper also considers the influence of residual attitude er-rors on the SAR imaging, and can compensate both the trajectory deviations and the residual attitude errors. Compared withthe existing methods, the modified method in this paper can more precisely compensate the imperfect motion on the SAR im-aging, especially good for the SAR system with a small platform, near operating distance and a narrow antenna beam. Such asystem causes severe residual attitude errors and needs to consider the influence of antenna beam pointing errors on the imag-ing. The validity of the modified method presented by this paper is demonstrated by the result of the experiment.

Effects of residual motion compensation errors on the performance of airborne along-track interferometric SAR

在机载合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)运动补偿中一般存在两个近似:波束中心近似和参考高程近似,这两种近似会在机载单天线SAR系统和机载干涉SAR系统成像过程中引入运动补偿残余误差。本文针对机载顺轨干涉SAR(airborne along-track interferometric SAR,ATI-SAR)系统,分析了上述两种近似导致的运动补偿残余误差对干涉性能的影响。首先针对机载双天线ATI-SAR系统,在不存在参考高程误差和存在参考高程误差两种情况下分别推导了其运动补偿残余误差,然后利用机载仿真参数证明了推导公式的正确性,并展示了运补残余误差对ATI-SAR干涉相位的影响程度。结果表明,当不存在参考高程误差时,由于运补残余误差导致的干涉相位误差可以忽略;而当存在参考高程误差且参考高程误差大于某个门限值时,对于相应的测速精度要求,由于波束中心近似导致的干涉相位误差不可忽略。本文的研究为机载ATI-SAR误差源分析和信号处理提供了理论基础。

机载双天线InSAR运动补偿误差的影响分析

干涉SAR运动补偿是实现高精度机载干涉SAR测量的关键。该文针对运动补偿误差对机载双天线干涉SAR测量的影响进行了详细的分析。首先在参考高程无误差和有误差两种情况下对运动补偿残余误差进行建模;随后分析了无测量误差条件下运动补偿残余误差对干涉相位和平面定位精度的影响;接着分析了存在航迹测量误差和基线测量误差条件下运动补偿残余误差的影响;最后,通过仿真和实测数据实验验证了理论推导的正确性。该文的分析结果为机载双天线干涉SAR系统设计和数据处理提供了理论基础。

一种改进的基于DEM的机载重轨干涉SAR运动补偿算法

该文研究了基于DEM(Digital Elevation Model)的高精度重轨干涉SAR运动补偿算法。分析了平地假设及波束中心近似造成的残余运动误差的影响,表明对重轨干涉SAR系统进行基于DEM的高精度运动补偿的必要性。分析了对外部DEM数据精度要求,指出利用低精度DEM数据进行精确运动补偿获取高精度DEM数据的可行性。针对现有基于DEM运动补偿算法的不足提出改进算法。该算法根据载机轨迹偏移和地形起伏自动调节参数,可实现精确且高效的运动补偿。对X波段重轨干涉SAR数据进行运动补偿处理,验证了该算法的有效性及其在精度和效率两方面相比于现有算法的优势。

机载干涉SAR运动补偿中地物目标定位误差的影响分析

在基于IMU/GPS测量数据的运动补偿方法中,IMU测量误差和地物目标定位误差导致不准确的相位补偿量,从而引入残余运动误差。该文针对机载干涉SAR运动补偿中地物目标定位误差的影响,建立了在斜视条件下由地物目标定位误差引入的残余运动误差的数学模型,分析了导致地物目标定位误差的系统采样延时误差、多普勒中心频率误差和参考DEM误差对残余运动误差的影响,重点讨论了参考DEM误差对干涉SAR图像质量、干涉相位和相干系数的影响。该文的讨论结果为机载高精度SAR和重轨干涉SAR数据处理中运动补偿精度提供了理论基础。

平地假设与残余运动误差对机载重轨干涉SAR系统性能的影响分析

对合成孔径时间长、方位空变误差大的重轨干涉SAR(InSAR)进行成像时,为简化时域算法模型而引入的平地假设和由导航系统精度而引入的残余运动误差会对成像及干涉测量产生影响。该文针对平地假设引入的高程误差和导航系统精度引入的残余运动误差进行了系统分析,对其在单次航过中引入的成像距离历程误差进行建模,从理论上分析了其对平面定位、干涉相位及DEM精度的影响,最后通过仿真及实测数据实验验证了理论分析的正确性。该文的分析结论为机载重轨干涉SAR系统设计和信号处理提供了理论依据。

L波段机载重轨干涉SAR系统及其试验研究

该文介绍了一种L波段机载重轨干涉合成孔径雷达(SAR)系统及其开展的重轨干涉SAR飞行试验与数据反演研究。重点介绍了系统内定标方法、基于差分全球定位系统/惯性测量单元(DGPS/IMU)组合导航系统的重轨干涉SAR(InSAR)成像处理方法、残余运动误差(RME)估计和补偿算法以及干涉SAR模型下高程反演方法。在实测飞行试验数据中选择了两块具有代表性的试验区域,详细分析了重轨干涉SAR数据的相干性和残余运动补偿的效果,并通过干涉反演得到试验区的高程图(DEM),利用地面测量点验证得到两试验区的高程精度分别为3.40 m和2.85 m。实验结果表明该系统具有重轨干涉SAR数据获取及高精度高程反演能力,这对机载重轨干涉SAR系统设计及重点区域地形测绘具有重要借鉴意义。在飞行航迹控制较好的情况下,该系统可用于差分干涉SAR、极化干涉SAR以及层析SAR等的研究。

波束中心近似对机载干涉SAR运动补偿的影响分析

为了定量分析波束中心近似对机载干涉SAR运动补偿的影响,该文首先建立斜视条件下波束中心近似时运动补偿残余误差的数学模型,其形式类似于斜距误差。随后推导斜视条件下二次斜距误差对干涉SAR的影响,通过仿真验证了理论推导的正确性。最后详细讨论不同波段、斜视角、轨迹偏移、地形变化和斜距情况下波束中心近似对干涉SAR运动补偿后图像质量和相干系数的影响。该文的分析结果为机载重轨干涉SAR数据处理中运动补偿精度的估计提供了技术支持。

面阵CCD航测相机像移补偿技术研究

航空相机在拍照瞬间由于飞机的飞行运动和姿态变化而产生像移,要提高照相分辨率必须通过像移补偿来实现。采用在相机与飞机间增设三轴稳定平台的机械式像移补偿法来补偿姿态像移和前向像移,三轴稳定平台的三轴按照与飞机姿态变化角速率相等、方向相反进行旋转补偿姿态像移,三轴稳定平台的俯仰轴以飞行方向反方向、角速率等于速高比旋转补偿前向像移,并采用坐标变换法计算像移补偿后的残差,通过分析面阵CCD相机像面各点在进行像移补偿后的像移残差均小于1/3像元,符合成像要求。

基于残差的航空相机纵向像移补偿故障检测研究

通过分析航空相机侦照时像移模型及纵向像移补偿控制原理,提出了利用像移残差判断航空相机补偿机构各组件工作状态的新方法。并利用某型航空相机侦照图像进行分析验证,获得了与预设故障状态一致的分析结果。实验结果证明,该方法可行有效。

基于点目标自动提取的机载SAR图像残余运动估计方法

对前期提出的估计单幅机载合成孔径雷达（SAR）图像中的残余运动误差的点目标多斜视方法（MTPT）进行了理论分析，并针对其存在的手工选点工作量大、受噪声影响严重的缺点，对其做了以下改进：在图像中自动选择点目标以减少工作量，并对所测得的相位进行滤波和加权平均以去除噪声，同时采用循环计算的策略来提高算法的适应性。实际的机载SAR数据试验结果显示，即使是对于点目标稀少的地区，改进的MTPT算法也能正确地估计SAR图像中的残余运动误差。同时，该方法在计算精度和稳健性上明显优于加权相位曲率自聚焦（WPCA）方法。

图像频谱分析在像移残差检测中的应用

像移残差是影响航空相机性能的重要因素,分析了TDICCD相机的像移及像移补偿模型,并对含有像移残差图像的频谱特性进行了研究,提出了基于图像频谱分析的像移残差检测方法。利用实验仿真数据分析了残差的检测误差,当残差大于6个像元时,误差不大于0.5像元。该检测方法能够满足航空相机像移补偿系统性能定检的要求,并且具有不依赖相机系统技术条件的优点。

一种高效抗差卡尔曼滤波的导航应用

针对目标导航定位中传统卡尔曼滤波结果易受运动模型误差影响的问题,提出一种高效抗差卡尔曼滤波方法:以卡尔曼滤波中目标位置参数的预测状态不符值的标准化残差作为抗差判断量,对当前运动模型的准确程度进行自适应判断;进而确定是否利用运动模型的预测信息进行滤波。实验结果表明:在复杂的运动环境中,该方法能够有效抵抗运动模型误差。

航空相机镜间快门对像移的影响分析

为了提高航空遥感相机的摄影分辨率,获得高分辨率的航空图像,除了采用具有高传递函数的光学系统和高质量成像介质外,还要正确控制快门的曝光时间,以保证探测器能够获得合适的像移量。本文基于一种航空测绘相机镜间快门的结构形式及工作原理,以笛卡尔理论为基础,通过坐标变换方法,建立地面目标和影像之间的矩阵关系,从而确定快门曝光时间和像移量的关系,接着,结合相机速高比、像元尺寸等参数,对像移量及像移残差进行分析。根据相机的不同安装方式,以像移残差为1/3像元尺寸为标准,判定成像系统是否加入像移补偿机构,为相机设计提供理论依据。通过静态测试及飞行试验对分析进行验证。试验结果表明,相机分辨力达到36.8 lp/mm,航拍图像良好,满足指标要求。

MTPT方法估计机载SAR残余运动的两个影响因素

由于导航系统测量精度的限制,载机的位置经常存在厘米级的误差,该误差称为残余运动误差。对于机载超高分辨SAR系统或机载重轨干涉SAR,必须估计并补偿该残余运动误差。MTPT方法可以估计单幅SAR图像中的残余运动误差,但是速度和斜距的误差会影响该方法的精度。该文在详细分析速度和斜距误差对MTPT方法进行残余运动估计的影响的基础上,利用仿真和实测SAR数据验证了这一点。同时还指出,MTPT方法虽然可以估计速度和斜距误差,但是它们的精度敏感于相位测量误差;在利用MTPT方法进行估计之前必须先利用其它更为准确的方法消除平台的速度误差和目标的斜距误差。

面向快速全局运动估计的亮度残差阈值方法

提出一种面向快速全局运动估计的亮度残差阈值方法,通过统计特性推导出适用于不同分辨率大小视频编码的全局运动估计阈值因子。在保证视频编码性能的前提下,加快全局运动估计收敛于稳定值,实现快速全局运动估计的目标。实验证明,该方法具有较好的鲁棒性和准确性。

航空相机纵向像移补偿性能检测

像移补偿机构是航空相机的关键组件。通过建立航空相机纵向像移量、像移速度模型,分析研究纵向像移补偿机构对像移补偿残差的影响特征,提出了运用像移补偿残差做为纵向像移补偿机构故障检测的新方法。经过对实际图像像移残差的实验分析,验证了该方法的有效性,可以实现工作状态下对航空相机的便捷随检。

一种机载SAR快速几何精校正算法

几何定位精度是SAR在遥感测绘领域的一个重要技术指标。机载SAR具备高机动性、高分辨率、低成本等方面的优势,是SAR技术发展的一个重要方向。运动误差和地形起伏是机载SAR几何定位的重要误差来源。该文从SAR成像原理和成像几何的角度出发,深入研究了运动误差与地形起伏耦合下几何定位误差的产生机理,并在此基础上提出了一种快速几何精校正方法。仿真实验和实测数据结果验证了该方法的正确性和有效性。

一种快速鲁棒的全局运动估计算法

局部运动矢量会严重影响全局运动估计的结果,不仅降低全局运动估计的准确度,而且消耗大量的运算时间。针对上述问题提出了一种快速鲁棒的全局运动估计算法。首先采用快速的块匹配算法得到运动矢量场,然后通过改进的梯度均值残差法去除估计的不准确运动矢量,提高估计出的运动矢量场的准确性并使得全局运动估计所处理的宏块尽可能是全局运动块;其次,基于六参数仿射模型估计出初始全局运动参数,为了消除错误运动矢量产生的误差,使用匹配加权函数的方法对估计结果进行进一步修正,最终得到最优的全局运动参数。实验结果表明该算法兼顾了全局运动估计的准确性和鲁棒性,对大多数视频序列的全局运动估计具有算法复杂度低、运动参数估计准确的效果。

运动补偿对机载SAR重轨干涉成像的影响分析

机载重轨干涉成像时,两轨数据需要选择平行的参考轨迹,以便保证补偿之后基线的稳定性。由于实际飞行轨迹与参考轨迹之间存在运动偏移,需要进行运动补偿。区别于机载SAR单轨运动补偿,选择平行的参考轨迹往往需要搬移较大的角度。为了定量分析基于搬移的运动补偿引入的残余误差对干涉成像的影响,建立了基于搬移的SAR成像模型,将搬移导致的影响等效为斜视角模型和斜距残余误差。随后推导了由"搬移"引入的残余误差对成像的影响,以及引入的相位误差对重轨干涉的影响,并通过仿真验证了理论推导的正确性。分析结果为机载重轨干涉对平台飞行控制要求提供了一种分析手段。