[發明專利]一種干涉SAR數據成像及高程估計方法

有效

• 申請號: 201610260460.7
• 申請日: 2016-04-25
• 公開（公告）號: CN105929399B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 韋順軍;張曉玲;段亞楠;余鵬
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90
• 代理公司: 電子科技大學專利中心51203
• 代理人: 曾磊

1.一種干涉SAR數據成像及高程估計一體化方法，其特征是它包括以下步驟：

步驟1、初始化干涉SAR成像雷達系統參數：

初始化干涉SAR成像雷達系統參數，包括：雷達系統工作的信號載波波長，記為λ，雷達平臺主天線發射信號帶寬，記為B，雷達發射脈沖時寬，記為T_r，雷達平臺接收系統的采樣頻率，記為F_s，主天線雷達入射角，記為θ，主副天線之間的垂直基線長，記為B_⊥，基線與水平方向夾角，記為α，雷達脈沖重復頻率，記為PRF，平臺運動速度矢量，記為V_r，干涉SAR雷達系統距離向采樣點數，記為N_r，干涉SAR雷達系統方位向采樣點數，記為N_a，干涉SAR雷達系統主天線初始位置，記為P_M(0)，干涉SAR雷達系統副天線初始位置，記為P_S(0)；上述參數中，雷達系統工作的信號載波波長λ、雷達平臺主天線發射的信號帶寬B、雷達平臺主天線發射的脈沖時寬T_r、雷達平臺接收系統的采樣頻率F_s、主天線雷達入射角θ、主副天線之間的垂直基線長B_⊥、基線與水平方向夾角α，雷達脈沖重復頻率PRF，在干涉SAR雷達系統設計過程中已經確定；平臺運動速度矢量V_r，干涉SAR雷達系統距離向采樣點數N_r、干涉SAR雷達系統方位向采樣點數N_a、干涉SAR雷達系統主天線初始位置P_M(0)、干涉SAR雷達系統副天線初始位置P_S(0)在干涉SAR雷達成像觀測方案設計中已經確定；

步驟2、獲取干涉SAR雷達系統主副天線的原始回波數據：

干涉SAR雷達系統主天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的原始回波數據，記為E_m(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a，其中t和k為自然數，t表示距離向第t個快時刻，k表示方位向第k個慢時刻，N_r為步驟1初始化得到的干涉SAR雷達系統距離向采樣點數，N_a為步驟1初始化得到的干涉SAR雷達系統方位向采樣點數；干涉SAR雷達系統副天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的原始回波數據，記為E_s(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a；在干涉SAR實際成像中，干涉SAR雷達系統主天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的原始回波數據E_m(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a，和干涉SAR雷達系統副天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的原始回波數據E_s(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a，可由干涉SAR雷達系統數據接收機提供；

步驟3、對干涉SAR雷達系統主副天線原始回波數據進行距離壓縮：

采用標準合成孔徑雷達標準距離壓縮方法對步驟2中得到的干涉SAR雷達系統主天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的原始回波數據E_m(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a，進行距離壓縮得到干涉SAR雷達系統主天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的距離壓縮后數據，記為S_m(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a，其中t表示距離向第t個快時刻，k表示方位向第k個慢時刻；采用傳統標準合成孔徑雷達標準距離壓縮方法對步驟2中得到的干涉SAR雷達系統副天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的原始回波數據E_s(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a，進行距離壓縮得到干涉SAR雷達系統副天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的距離壓縮后數據，記為S_s(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a；

步驟4、初始化干涉SAR投影成像空間的參數：

初始化干涉SAR投影成像空間為地平面坐標系，該坐標系水平橫軸記為X軸，該坐標系水平縱軸記為Y軸，雷達投影成像空間的中心坐標位于[0,0]，雷達投影成像空間的X軸向分辨單元數，記為N_x，雷達投影成像空間的Y軸向分辨單元數，記為N_y，雷達投影成像空間的X軸向成像范圍，記為W_x，雷達投影成像空間的Y軸向成像范圍，記為W_y，干涉SAR雷達系統到投影成像空間的參考斜距，記為R，將干涉SAR投影成像空間均勻等間隔進行劃分，投影成像空間中第a個Y軸向和第r個X軸向分辨單元的位置矢量，記為P_T(a,r)＝[x(a,r),y(a,r)]，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，其中a和r均為自然數，a表示投影空間中X軸向的第a個分辨單元，r表示投影空間中Y軸向的第r個分辨單元，x(a,r)和y(a,r)分別表示投影成像空間中第a個Y軸向第r個X軸向分辨單元的X軸向位置、Y軸向位置；

步驟5、初始化干涉SAR地形高度估計算法的參數：

初始化干涉SAR地形高度估計算法參數包括：地形高度估計的窗口大小，記為W_Size，相關系數閾值，記為ρ_T，相關系數計算的窗口大小，記為W_S；

步驟6、獲取投影成像空間低精度的地形高程：

令步驟4得到的投影成像空間中第a個Y軸向和第r個X軸向分辨單元的位置矢量 P_T(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，的地形高程為0，采用標準后向投影成像算法將干涉SAR雷達系統主天線的距離壓縮后數據S_m(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a，投影到該投影成像空間進行成像處理，得到干涉SAR雷達系統主天線投影成像空間成像結果，記為I_m(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，其中S_m(t,k)為步驟3得到的干涉SAR雷達系統主天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的距離壓縮后數據；采用標準后向投影成像算法對干涉SAR雷達系統副天線距離壓縮后數據S_s(t,k)，t＝1,2,…,N_r，k＝1,2,…,N_a，投影到投影成像空間進行成像處理，得到干涉SAR雷達系統副天線投影成像空間成像結果，記為I_s(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，其中S_s(t,k)為步驟3得到的干涉SAR雷達系統副天線在距離向第t個快時刻方位向第k個慢時刻的距離壓縮后數據；

對于投影成像空間地形高程為0條件下所得的干涉SAR雷達系統主副天線投影成像空間成像結果I_m(a,r)和I_s(a,r)，采用標準干涉SAR高程估計方法進行投地形高程估計，得到干涉SAR雷達系統投影成像空間低相干分辨單元的地形高程結果，記為Z(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y；

步驟7、計算投影成像空間干涉SAR主副圖像的相關系數：

在采用公式a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，相關系數計算的窗口大小為W_S條件下得到的干涉SAR雷達系統主副天線圖像在投影成像空間中分辨單元的相關系數，記為a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，其中表示在計算窗口大小為W_S條件下數學期望運算符號，*表示共軛運算符號，|·|表示絕對值運算符號，表示開根方運算符號，I_m(a,r)和I_s(a,r)為步驟6得到的投影成像空間地形高程為0條件下所得的干涉SAR雷達系統主副天線投影成像空間成像結果，W_S為步驟5初始化得到的相關系數計算的窗口大??；

步驟8、利用相關系數閾值對成像空間進行劃分：

若干涉SAR雷達系統主副天線圖像在投影成像空間中分辨單元的相關系數 a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，則將該分辨單元劃分為干涉SAR投影成像空間高 相干分辨單元，記為Q_H(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y；若干涉SAR雷達系統主副天線圖像在投影成像空間中分辨單元的相關系數則將該分辨單元劃分為干涉SAR投影成像空間低相干分辨單元，記為Q_L(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y；其中為步驟7得到的干涉SAR雷達系統主副天線圖像在投影成像空間中分辨單元的相關系數，ρ_T為步驟5得到的相關系數閾值；

步驟9、采用標準后向投影成像算法對分辨單元進行投影成像處理

采用公式計算得到干涉SAR雷達系統的高度模糊度，記為Z_2π，其中λ為步驟1初始化得到的雷達系統工作的信號載波波長，R為步驟4初始化得到的干涉SAR雷達系統到投影成像空間的參考斜距，θ為步驟1初始化得到的主天線雷達入射角，B_⊥為步驟1初始化得到的主副天線之間的垂直基線長，sin(·)表示正弦函數運算符號；

對于步驟8得到的干涉SAR投影成像空間高相干分辨單元Q_H(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，利用步驟6得到的對應干涉SAR雷達系統投影成像空間低相干分辨單元的地形高程結果Z(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，構造地形高程區間a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y；在地形高程區間中每一個高程值z，采用標準后向投影成像算法對干涉SAR投影成像空間高相干分辨單元Q_H(a,r)進行成像，得到投影成像空間高相干分辨單元的干涉SAR主副天線圖像，分別記為G_m(a,r；z)和G_s(a,r；z)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y；

對于步驟8得到的干涉SAR投影成像空間低相干分辨單元Q_L(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，在對應干涉SAR雷達系統投影成像空間低相干分辨單元的地形高程結果Z(a,r)，采用標準后向投影成像算法對干涉SAR投影成像空間低相干分辨單元Q_L(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，進行成像，得到投影成像空間低相干分辨單元的干涉SAR主副天線的圖像，分別記為O_m(a,r)和O_s(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y；

步驟10、采用最速下降法估計干涉SAR投影成像空間高相干分辨單元的地形高程：

對于步驟8得到的干涉SAR投影成像空間高相干分辨單元Q_H(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，以及步驟9得到的地形高程區間a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，采用最速下降法求解公式 得到投影成像空間高相干分辨單元的干涉SAR雷達系統主天線圖像，記為a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，計算得到投影成像空間高相干分辨單元的干涉SAR雷達系統副天線圖像，記為 a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，計算得到投影成像空間高相干分辨單元的地形高程結果 a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，其中表示在地形高程區間 尋找滿足括號內函數值的最小高程值z，angle(·)表示取角度函數符號，上標*表示共軛運算符號，表示在計算窗口大小為W_size條件下數學期望運算符號，W_size為步驟5初始化得到的地形高度估計的窗口大小W_Size＝5，G_m(a,r；z)和G_s(a,r；z)為步驟9得到的投影成像空間高相干分辨單元的干涉SAR主副天線圖像，表示G_s(a,r；z)的共軛；

步驟11、獲得最終的干涉SAR雷達系統主副天線圖像和地形高程：

采用公式將投影成像空間高相干分辨單元的干涉SAR雷達系統主天線圖像a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，與投影成像空間低相干分辨單元的干涉SAR主天線圖像O_m(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，相加，得到干涉SAR雷達系統主天線圖像，記為Im_m(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，其中為步驟10得到的投影成像空間高相干分辨單元的干涉SAR雷達系統主天線圖像，O_m(a,r)為步驟9得到的投影成像空間低相干分辨單元的干涉SAR主天線圖像；

采用公式將投影成像空間高相干分辨單元的干涉SAR雷 達系統副天線圖像a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，與投影成像空間低相干分辨單元的干涉SAR副天線圖像O_s(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，相加，得到干涉SAR雷達系統副天線圖像，記為Im_s(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，其中為步驟10得到的投影成像空間高相干分辨單元的干涉SAR雷達系統副天線圖像，O_s(a,r)為步驟9得到的投影成像空間低相干分辨單元的干涉SAR副天線圖像；

采用公式將投影成像空間高相干分辨單元的地形高程結果 a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，與干涉SAR雷達系統投影成像空間低相干分辨單元的地形高程結果Z(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，相加，得到干涉SAR投影成像空間的地形高程估計結果，記為Z_T(a,r)，a＝1,…,N_x，r＝1,…,N_y，其中為步驟10得到的投影成像空間高相干分辨單元的地形高程結果，Z(a,r)為步驟6得到的干涉SAR雷達系統投影成像空間低相干分辨單元的地形高程結果；

最終實現了干涉SAR成像與地形高程估計的一體化。