CN100547432C - 机载干涉合成孔径雷达原始回波生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息获取与处理技术领域，特别是一种机载干涉合成孔径雷达(InSAR)原始回波生成方法。其方法包括：步骤S1：对等效后向散射系数γ_1，2(x，γ)作方位向傅里叶变换(FFT)，然后乘以包含散焦项和缩放因子在内的相位函数见右式(1)；步骤S2：对步骤S1得到的结果作距离向FFT，然后乘以包含缩放因子在内的相位函数见右式(2)；步骤S3：对步骤S2得到的结果作距离向逆FFT，然后乘以包含缩放因子在内的相位函数见右式(3)；步骤S4：对步骤S3得到的结果作距离向FFT，然后乘以包含空不变冲激响应函数、距离平移因子和缩放因子在内的函数见右式(4)；步骤S5：对步骤S4得到的结果作二维逆FFT，可以得到所需的原始回波数据h_1，2(x′，r′)。

Description

机载干涉合成孔径雷达原始回波生成方法

技术领域

本发明涉及信息获取与处理技术领域，特别是一种机载干涉合成孔径雷达(InSAR)原始回波生成方法。

背景技术

在研制InSAR(干涉合成孔径雷达)系统的过程中，为了在获得雷达数据之前分析并设计相应的InSAR处理方法，需要利用计算机仿真的方法生成处理所需的各种InSAR数据。国外许多研究室为此设计了一系列的InSAR仿真系统，其中根据文献的分类方法，这些InSAR仿真方法大致可以归结为三大类，即相干系统仿真法、非相关图像仿真法以及基于SAR图像的仿真法。

为了研究能与机载双天线InSAR的特点相结合的新型InSAR成像处理方法，有必要在获得真实的雷达数据之前利用计算机仿真的方法生成InSAR原始回波数据，因此需要采用上述的第一类仿真方法。在此类仿真方法中，就InSAR原始回波数据生成方面而言，Alberti等人是在时域内利用卷积的方法实现的，而Franceschetti等人则是在频域内利用系统冲激响应函数的方法完成的。前者由于采用时域卷积的方法，在每个方位位置上都要计算雷达照射范围内所有目标回波的相干累加，需要消耗惊人的计算时间，因此只适用于简单的稀疏点阵目标仿真，对于复杂的分布目标仿真则显得难以适从。后者由于采用频域二维FFT(傅里叶变换)的方法，无需计算每个单点目标的回波信号，因此比较适用于复杂分布目标的仿真要求。不过，由于其在生成原始回波数据时并未将雷达偏离参考轨迹的情况以及两幅单视图像失配的情况考虑在内，因此无法满足新型InSAR成像处理方法研究的要求。

一般的正侧视机载双天线InSAR系统的成像几何关系如图1所示。天线A1和A2之间的基线垂直于飞机航线，其长为B，与水平方向的夹角为α。对于场景内的目标P(x，y，z)，设两天线与目标间的最短距离分别为r和r+Δr，则根据余弦定理，有

(r+Δr)²＝r²+B²-2Brsin(θ-α)                        (1)

其中

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{H-z}{r}\right)---\left(2\right)$

为天线视角，H为天线高度，z为目标高度。对于机载InSAR系统，天线基线B一般都远小于作用距离r，即B＜＜r，因此由1式可求得

Δr≈-Bsin(θ-α)                            (3)

假设场景地形的平均坡度为β，根据(2)式和(3)式，可以求得不同距离处两天线间的距离差Δr与场景中心处两天线间的距离差Δr₀之间的关系为

Δr＝Δr₀+k_s(r-r₀)                            (4)

其中

$k_s=-\frac{B}{r_0}\cos ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\α})\mathrm{ctg}({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\β})---\left(5\right)$

对于一般的双天线InSAR系统，两副天线A1和A2既可以采用一副天线发送、两副天线接收的工作模式(即标准模式)，也可以采用两副天线轮流发送并接收的工作模式(即乒乓模式)。对于机载双天线InSAR系统，设天线的发射信号为调频率为k、脉宽为τ的线性调频信号，则经过混频解调后的两副天线的接收信号可表示为

h_1，2(x′，r′)＝∫∫dxdrγ(x，r)g_1，2(x′-x，r′-r；r)                (6)

式中下标1和2分别表示由天线A1和天线A2所接收的信号，其中

$\mathrm{\γ}(x,r)={\mathrm{\γ}}_0(x,r)\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}r\}---\left(7\right)$

为新场景的背散射系数，其中γ₀(x，r)为场景的实际背散射系数，λ为发射信号载波波长，而g_1，2(x′-x，r′-r；r)则为系统的冲激响应函数。

对(6)式中的天线接收信号求二维FT，有

$H_{\mathrm{1,2}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=G(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};r_0)\∫\∫\mathrm{dxdr\γ}(x,r)\exp (-\mathrm{j\ξx}-\mathrm{j\ηr}){\▿}_{\mathrm{1,2}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};r)---\left(8\right)$

其中G(ξ，η；r₀)和

分别为系统冲激响应函数的空不变部分和空变部分。利用驻定相位原理，并略去无关紧要的常数系数，可以求得

$G(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};r_0)\≅\frac{w^2(-\frac{\mathrm{\ξ}}{2a})\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\η}}{2b}\right)}{\sqrt{1+\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\η}}{2b}-\frac{3}{2}{v}^2\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{4a^2}}}\exp [-j\frac{{\mathrm{\η}}^2}{4b}+j\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{4a}\frac{1}{1+\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\η}}{2b}}]---\left(9\right)$

其中

$v=\frac{\mathrm{\λ}}{D},$ $\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}---\left(10\right)$

$a=\frac{2\mathrm{\π}}{D},$ $b=\mathrm{\ϵ}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}---\left(11\right)$

这里的D为真实天线孔径长度，Δf为调频信号带宽，f₀为载波中心频率。而

${\▿}_{\mathrm{1,2}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};r)\≅\sqrt{\frac{r}{r_0}}\exp \left[j(r-r_0)\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{4a{r}_0}(1-\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{\η}}{2b})\right]---\left(12\right)$

$\·\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{m\Δr})\exp [-\mathrm{jm\η\Δ}{r}_0-\mathrm{jm}{k}_s\mathrm{\η}(r-r_0)]$

将(12)式分别代入(8)式中，并令

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{1,2}}(x,r)={\mathrm{\γ}}_0(x,r)\sqrt{\frac{r}{r_0}}\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}r\}\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{m\Δr}\}---\left(13\right)$

进行变量代换 $\hat{r}=r-r_0$ 并化简后，可以得到天线A1和A2所接收信号的频域表达式为

$H_{\mathrm{1,2}}(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})=G(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η};r_0)\exp (-\mathrm{j\η}{r}_{s\mathrm{1,2}}){\∫\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{1,2}}(\mathrm{\ξ},\hat{r})\exp [-j{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{1,2}}\left(\mathrm{\ξ}\right)\mathrm{\η}\hat{r}]d\hat{r}---\left(14\right)$

其中

r_s1，2＝r₀+mΔr₀        (15)

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{1,2}}\left(\mathrm{\ξ}\right)=1+m{k}_s+\mathrm{\ϵ}\frac{1}{2b}\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{4a{r}_0}---\left(16\right)$

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{1,2}}(\mathrm{\ξ},\hat{r})=\exp \left[j\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{4a{r}_0}\hat{r}\right]{\∫\mathrm{\γ}}_{\mathrm{1,2}}(x,\hat{r}+r_0)\exp (-\mathrm{j\ξx})\mathrm{dx}---\left(17\right)$

(14)式中的积分项可以表示为以Ω_1，2(ξ)η为输出变量的

的距离向FT。利用缩放原理，可以通过两次卷积和两次二次相位平移将以η为输出变量的

的距离向FT变换为其以Ω_1，2(ξ)η为输出变量的距离向FT。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机载干涉合成孔径雷达原始回波生成方法。

本发明提出一种新的机载双天线InSAR原始回波数据生成的方法。该方法根据机载双天线InSAR回波数据对的特点，通过在距离向上引入平移和伸缩因子，充分地考虑了雷达的运动参数和位置关系的影响。此外，由于采用频域二维FFT的方法生成机载InSAR原始回波数据对的计算机仿真方法结构，因此可以大大缩短程序运行的时间。

本发明所提出的InSAR原始回波数据生成方法的基本思路可以概括为：先对场景后向散射系数γ_1，2(x，r)进行缩放变换，求得其缩放后的散射系数频谱Г_1，2(ξ，Ω_1，2(ξ)η)；然后乘以空不变的系统冲激响应函数G(ξ，η；r₀)，得到原始回波数据的频谱H_1，2(ξ，η)；最后通过二维逆FT求得原始回波数据h_1，2(x′，r′)。根据这一思路，可以得到如图2所示的InSAR原始回波数据生成的实现框图，其中图中的常数B理论上应该不受任何限制。

从图中可以看出，InSAR原始回波数据生成过程可以由两次方位FT和四次距离FT以及四次复数相乘来完成。其中第一复数相乘项中的前部分对应于原始数据中与聚焦深度有关的项，而后部分则对应于与距离缩放因子有关的项。最后一个复数相乘项除了与距离缩放因子有关的项外，还包括了空不变的系统冲击函数以及距离平移因子。整个方法充分考虑了InSAR系统的聚焦深度、耦合因子等各项成像因素，具有结构清晰简洁、实现简单有效等特点。

附图说明

图1是一般的正侧视机载InSAR系统的成像几何关系图。

图2是机载干涉合成孔径雷达原始回波生成方法流程图。

具体实施方式

图2机载干涉合成孔径雷达原始回波生成方法，步骤如下：

步骤S1：对等效后向散射系数

作方位向傅里叶变换(FFT)，然后乘以包含散焦项和缩放因子在内的相位函数 $P_1=\exp \{j\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{4a{r}_0}\hat{r}+j\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{1,2}}\left(\mathrm{\ξ}\right)}{4B}{\hat{r}}^2\};$

步骤S2：对步骤S1得到的结果作距离向FFT，然后乘以包含缩放因子在内的相位函数 $P_2=\exp \left\{j\frac{1-{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{1,2}}\left(\mathrm{\ξ}\right)}{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{1,2}}\left(\mathrm{\ξ}\right)}B{\mathrm{\η}}^2\right\};$

步骤S3：对步骤S2得到的结果作距离向逆FFT，然后乘以包含缩放因子在内的相位函数 $P_3=\exp \{-j\frac{1}{4B}{\hat{r}}^2\};$

步骤S4：对步骤S3得到的结果作距离向FFT，然后乘以包含空不变冲激响应函数、距离平移因子和缩放因子在内的函数P₄＝G(ξ，η；r₀)exp{-jηr_s1，2+j[Ω_1，2(ξ)-1]Bη²}；

步骤S5：对步骤S4得到的结果作二维逆FFT，可以得到所需的原始回波数据h_1，2(x′，r′)。

Claims (2)

1.一种机载干涉合成孔径雷达原始回波生成方法，其特征在于，通过在距离向上引入平移和伸缩因子模拟雷达运动参数和位置关系的影响，并利用频域二维傅里叶变换生成机载干涉合成孔径雷达原始回波数据对；其平移和伸缩因子的引入步骤是：

先对场景后向散射系数

进行缩放变换，求得其缩放后的散射系数频谱Γ_1，2(ξ，Ω_1，2(ξ)η)，其中：下标1和2分别表示与天线A1和天线A2所对应的参数，变量x和

分别表示图像空间的方位坐标和距离坐标，变量ξ和η分别表示方位波数和距离波数，缩放因子Ω_1，2(ξ)是与变量ξ相关的函数；

然后乘以空不变的系统冲激响应函数G(ξ，η；r₀)，得到原始回波数据的频谱H_1，2(ξ，η)，其中：参数r₀表示参考距离坐标；

最后通过二维逆傅里叶变换求得所需的原始回波数据h_1，2(x′，r′)，其中：变量x′和r′分别表示信号空间的方位坐标和距离坐标。

2.根据权利要求1的机载干涉合成孔径雷达原始回波生成方法，其特征在于，平移和缩放变换包括如下步骤：

步骤S1：对场景后向散射系数

作方位向傅里叶变换，然后乘以包含散焦项和缩放因子Ω_1，2(ξ)在内的相位函数 $P_1=\exp \{j\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{4a{r}_0}\hat{r}+j\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{1,2}}\left(\mathrm{\ξ}\right)}{4B}{\hat{r}}^2\},$ 其中：变量x和

分别表示图像空间的方位坐标和距离坐标，参数a表示为： $a=\frac{2\mathrm{\π}}{D},$ D为真实天线孔径长度，参数B是常数，变量ξ表示方位波数；

步骤S2：对步骤S1得到的结果作距离向傅里叶变换，然后乘以包含缩放因子Ω_1，2(ξ)在内的相位函数 $P_2=\exp \left\{j\frac{1-{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{1,2}}\left(\mathrm{\ξ}\right)}{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{1,2}}\left(\mathrm{\ξ}\right)}B{\mathrm{\η}}^2\right\},$ 其中：变量ξ和η分别表示方位波数和距离波数；

步骤S3：对步骤S2得到的结果作距离向逆傅里叶变换，然后乘以包含缩放因子在内的相位函数 $P_3=\exp \{-j\frac{1}{4B}{\hat{r}}^2\};$

步骤S4：对步骤S3得到的结果作距离向傅里叶变换，然后乘以包含空不变冲激响应函数G(ξ，η；r₀)、距离平移因子r_s1，2和缩放因子Ω_1，2(ξ)在内的函数P₄＝G(ξ，η；r₀)exp{-jηr_s1，2+j[Ω_1，2(ξ)-1]Bη²}，其中：参数r₀表示参考距离坐标；

步骤S5：对步骤S4得到的结果作二维逆傅里叶变换，可以得到所需的原始回波数据h_1，2(x′，r′)，其中：变量x′和r′分别表示信号空间的方位坐标和距离坐标。

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