﻿ POS与DEM辅助机载SAR多普勒参数估计
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POS与DEM辅助机载SAR多普勒参数估计

1. 中国测绘科学研究院摄影测量与遥感研究所， 北京 100830
2. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室， 湖北 武汉 430079

Doppler Centroid Estimation for Airborne SAR Supported by POS and DEM
CHENG Chunquan1, HUANG Guoman1, YANG Jie2
1. Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China;
2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China
First author: CHENG Chunquan(1972—), male, PhD, associate professor, majors in airborne and spaceborne imagery photogrammetry. E-mail： cspring@casm.ac.cn
Abstract: It is difficult to estimate the Doppler frequency and modulating rate for airborne SAR by using traditional vector method due to instable flight and complex terrain. In this paper, it is qualitatively analyzed that the impacts of POS, DEM and their errors on airborne SAR Doppler parameters. Then an innovative vector method is presented based on the range-coplanarity equation to estimate the Doppler centroid taking the POS and DEM as auxiliary data. The effectiveness of the proposed method is validated and analyzed via the simulation experiments. The theoretical analysis and experimental results show that the method can be used to estimate the Doppler centroid with high accuracy even in the cases of high relief, instable flight, and large squint SAR.
Key words: Doppler estimation     airborne SAR     vector method     range-coplanarity equation     POS     DEM

1 引 言

SAR成像涉及两种多普勒参数，一种是SAR信号的多普勒，它是成像处理的输入参数，不同信号单元间的多普勒值规律性较差；另一种是成像处理后的输出多普勒参数，用于SAR影像几何处理，不同像点间多普勒参数值规律性强。SAR多普勒参数估计是对输入多普勒中心频率fD和调频率fR的估计，其估计误差不仅会导致噪声和模糊度的增高，降低信噪比，影响到图像的清晰度[1]，也影响输出多普勒精度，影响到SAR成像形变和影像的目标对地定位[2]。当输出多普勒存在误差时，其对影像几何定位的影响为[3]

POS(GPS+IMU)是目前航空摄影测量重要的辅助设备，用于传感器位置和姿态的精确测量与控制。POS辅助光学影像和激光雷达(LiDAR)的直接对地定位精度可以达到米级[10, 11]表 1所列出Applanix公司产品POSAV510、AV610按不同处理方式获得的精度[12]。同时，SAR和InSAR的传感器检校技术，为获得高精度几何定标参数提供了日益成熟的方法[13]。国内1∶5万DEM已实现全覆盖，公开的全球数字高程模型(DEM)精度也在不断提升，如当前ASTER G-DEM分辨率达到30m，高程标称精度20m。这些已有的辅助数据，为使用矢量法进行复杂条件下的机载SAR高精度多普勒中心估计提供了可能。

 POS AV510 POS AV610 C/A GPS DGPS post SPS DGPS XP3 post position/m 4.0~6.0 0.5~2.0 0.05~0.3 1.5~3 0.5~2 0.1~0.5 0.05~0.3 velocity/(m/s) 0.05 0.05 0.005 0.03 0.02 0.01 0.005 roll & pitch/(°) 0.008 0.008 0.005 0.005 0.005 0.005 0.002 5 true yaw/(°) 0.070 0.050 0.008 0.030 0.030 0.020 0.005
2 POS、DEM及其误差对多普勒参数影响

 图 1 姿态对多普勒参数影响示意图 Fig. 1 Influence of attitude to Doppler centroid
2.1 POS姿态及其误差对多普勒参数的影响

2.2 POS速度及其误差对多普勒参数的影响

POS AV510和AV610速度测量后处理精度为0.005m/s，由其导致的fD和fR精度损失不大于0.33Hz和0.025Hz/s。 2.3 DEM及其误差对多普勒参数的影响

3 POS与DEM支持的SAR瞬时多普勒中心计算

4 仿真与分析

4.1 姿态和地形对多普勒参数的影响仿真 4.1.1 模拟地形

 图 2 图 2模拟地形 Fig. 2 Topography simulation

(1) κ为0°，φ角-20°~20°范围内以5°作为采样间隔，斜距7~19km范围内分别以100m作为采样间隔，计算并绘制各采样点对应的fD(图 3(a)，即Doppler，下同)和fR(图 3(d)，即DopplerRate，下同)。

(2) φ为0°，κ角-20°~20°范围内以5°作为采样间隔，斜距7~19km范围内分别以100m作为采样间隔，计算采样点的多普勒参数，绘制fD(图 3(b))和fR(图 3(e))。

(3) 给定斜距R=7000m,分别在φ角-20°～20°、κ角-20°～20°范围内各以1°作为间隔，计算各采样点的多普勒参数，绘制fD(图 3(c))和fR(图 3(f))曲线。

 图 3 图 3姿态角对多普勒参数的影响 Fig. 3 Influence of attitudes to Doppler parameters
4.1.3 姿态误差和地形误差对多普勒中心的影响

 图 4 姿态误差和高程误差对多普勒参数误差的影响 Fig. 4 Influence of attitude and height errors to Doppler parameter errors

(1) 从图 3(a)、图 3(e)可以看出，φ越大，fD越大，fR越小，fD受φ的影响比fR更明显；κ角为0且φ非0时，斜距越大，fD和fR越小。

(2) 从图 3(b)、图 3(f)可以看出，κ越大，fD越大，fR越小，fD受κ的影响比fR更明显；斜距越大，fD越大，fR越小。

(3) 从图 3(a)、图 3(e)、图 3(b)、图 3(f)可以看出，fD和fR受地形的影响近距端值大于远距端值，大姿态角时值大于小姿态角时值。

(4) 从图 3(c)、图 3(g)可以看出，κ和φ对斜距信号fD的影响呈近似线性关系，φ或κ角度达到20°时，fD将近2000Hz，均达到20°时，fD最大达到3800>Hz；姿态对fR的影响相对较小，当两种姿态角取值相近时，fR的数值较大，互为相反数时，它们对fR的影响有抵消作用。

(5) 图 4表明，姿态误差和高程误差对fD的影响大于对fR的影响，在POS测量精度下，姿态误差对fD和fR的影响分别小于0.6Hz和0.006Hz/s；较大姿态角时高程误差对多普勒参数的影响也较大，姿态角达到10°时，20m高程误差导致fD和fR误差可达4.20Hz和0.02Hz/s；姿态和高程误差导致的多普勒估计值近距端误差大于远距端误差。

4.2 山区DEM与POS结合的多普勒参数提取

 图 5 转换后的UTM坐标系POS数据 Fig. 5 POS in UTM coordinate system

 安装偏航角 特征值(绝对值) 所有采样点 相邻点fD差异/Hz 相邻点fR差异/(Hz/s) 频率/Hz 调频率/(Hz/s) 方位向 距离向 方位向 距离向 0° 最大值 618.58 166.81 63.21 58.95 9.92 0.32 最小值 0.000 63.78 0.000 0.000 0.000 0.03 平均值 246.7 98.33 10.92 0.16 1.75 0.08 10° 最大值 2119.83 164.33 193.30 165.01 9.82 0.98 最小值 470.28 62.16 0.000 0.000 0.000 0.03 平均值 1373.16 96.16 16.33 0.80 1.72 0.08
 图 6 每个采样点对应的高程 Fig. 6 Sampling point elevation on different azimuths time and slope distance
 图 7 采样点多普勒频率和调频率 Fig. 7 Doppler frequency and Doppler rate of sampling points

 比较内容 0°时fD/Hz 0°时fR/(Hz/s) 10°时fD/Hz 10°时fR/(Hz/s) 均误差 中误差 均误差 中误差 均误差 中误差 均误差 中误差 与有POS无DEM比较 8.87 13.74 0.02 0.03 41.56 65.13 0.14 0.23 与无POS无DEM比较 249.23 294.54 2.83 3.51 258.84 301.34 2.34 2.96

(1) 图 5图 7可以看出，虽然POS测量速度误差对多普勒参数估计误差影响不大，但有较大偏航角情况下，速度对fD的影响是最明显的。

(2) 从表 2图 7可以看出，在天线安装偏航偏置角达到10°时，复杂地形条件下fD变化区间为470~2120Hz，fR变化区间为62~164Hz/s，相邻点fD和fR差异分别为10.92Hz和1.75Hz/s，距离向相邻采样点多普勒参数间的差异要小于方位向相邻点多普勒差异，表明还可以通过增大距离向采样间隔、减小方位向的采样间隔来进一步平衡计算效率与估计精度的关系。

(3) 距离向相邻两点间多普勒参数值的差异主要由高程引起，方位向相邻采样点间的多普勒参数值差异与采样点处的姿态、速度、高程差异紧密相关。表 2中偏航偏置角10°时距离向fD差值最大值达到193.30Hz时，追踪相应的相邻采样点对应地面的高程分别为2562m和3033m，高差达到471m，表明陡峭地形对侧视雷达瞬时信号的多普勒中心频率有很大的影响。

(4) 从表 3可知，试验区考虑POS和DEM数据估计的多普勒参数与不考虑POS和DEM数据的值相比，0°和10°偏航偏置角条件下fD精度分别提高了294Hz和301Hz，fR分别提高了3.51Hz/s和2.96Hz/s，表明考虑POS和DEM数据的方法在复杂条件下获取的SAR数据多普勒参数估计中能显著提高精度。

5 结 论

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http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2015.20140135

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CHENG Chunquan, HUANG Guoman, YANG Jie
POS与DEM辅助机载SAR多普勒参数估计
Doppler Centroid Estimation for Airborne SAR Supported by POS and DEM

Acta Geodaeticaet Cartographica Sinica, 2015, 44(5): 510-517.
http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2015.20140135