CN103134490B - 一种机载干涉sar阴影估计及航线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决机载干涉SAR低信噪比区阴影估计及航线设计依据的问题，提出一种机载干涉SAR阴影估计及航线设计方法。步骤1：给出一个能覆盖测区的初始航线，计算每个网格单元的坡度角、雷达局部视角、阴影长度；步骤2：利用后向散射系数模型计算每个网格单元内各种地物覆盖条件下的地面后向散射强度；步骤3：计算低信噪比区阴影判据，并判别并标记该单元是否为低信噪比阴影，统计低信噪比阴影占测区面积的比例；步骤4：判断并标记该航线方向下的几何阴影和低信噪比阴影，统计两种阴影占测区面积的比例；步骤5：改变步骤1设定的初始航线，重复步骤1-步骤4，从中选择组合后阴影比例最小的航线。

Description

一种机载干涉SAR阴影估计及航线设计方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，具体涉及一种机载干涉SAR阴影估计及航线设计方法。

背景技术

在干涉合成孔径雷达（Synthesis Aperture Radar:SAR）雷达测图应用中，通常希望减小阴影，从而减少无效数据并提高干涉SAR测图数据质量，阴影是干涉SAR图像几何失真的主要组成部分。

传统SAR阴影分析中，通常只考虑雷达成像的几何关系，即在一定雷达视角下将雷达波束照射不到的区域称为阴影（几何失真的一部分）。对于干涉SAR测图应用，不仅需要考虑传统SAR阴影（或称为几何阴影），还应考虑部分地物散射较弱的区域，这些区域图像信噪比较低，从而使干涉图像对相干性较差，也可能形成不满足高程测量精度要求的无效数据。此外，现有机载干涉SAR的航线设计中通常只考虑待测绘区域的完整覆盖，缺乏与结合阴影缩减的组合航线设计及设计依据。实际上某一观测角度下为阴影的区域，在另一观测角度下可能不再是阴影，通过航线组合可以一定程度上消除或缩减阴影面积，提高干涉SAR测图的有效数据率，提高测图数据产品质量。

针对机载干涉SAR阴影估计及航线设计的技术现状，反映出以下两点不足：

（1）仅考虑几何阴影，没有考虑低信噪比区域形成的阴影，缺乏针对低信噪比区域阴影的估计方法；

（2）没有考虑结合机载干涉SAR阴影缩减的航线设计，缺乏通过航线组合来缩减阴影的定量分析和航线设计依据。

发明内容

本发明为了解决机载干涉SAR低信噪比区阴影估计及航线设计依据的问题，提出一种机载干涉SAR阴影估计及航线设计方法,不仅考虑了雷达成像几何带来的阴影，而且考虑了低信噪比区域造成的阴影，借助测区已知的粗略数字高程模型(Digital Elevation Model：DEM)和后向散射系数模型，给出不同视角下的阴影区比例估计，并在此基础上定量分析正反方向组合航线的阴影缩减效果，完成航线设计。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

一种机载干涉SAR阴影估计及航线设计方法，包括以下步骤：

步骤1：首先根据待测区位置范围和雷达中心视角以及距离向波束宽度参数，给出一个能覆盖测区的初始航线，借助测区粗略DEM将测区划分为网格单元，从近距开始逐一计算每个网格单元的坡度角、雷达局部视角、阴影长度，判别并标记该网格单元是否为几何阴影，并统计几何阴影占测区面积的比例；

步骤2：根据步骤1得到的坡度角和雷达局部视角，利用后向散射系数模型计算每个网格单元内各种地物覆盖条件下的地面后向散射强度；

步骤3：根据干涉SAR雷达系统对干涉图像对相干性的要求，计算低信噪比区阴影判据，并利用步骤2得到的每个单元的地面后向散射强度，判别并标记该单元是否为低信噪比阴影，统计低信噪比阴影占测区面积的比例；

步骤4：在与步骤1初始航线方向相反的航线下重复步骤1-步骤3，判断并标记该航线方向下的几何阴影和低信噪比阴影，统计两种阴影占测区面积的比例；将两个航线方向下都视为阴影的网格单位判定为组合航线下的阴影网格单元，并统计组合后的阴影区比例，从而定量的得到阴影区的缩减效果；

步骤5：改变步骤1设定的初始航线，重复步骤1-步骤4，从中选择组合后阴影比例最小的航线。

自此，就完成了干涉SAR阴影估计及航线设计。。

一种机载干涉SAR阴影估计及航线设计方法，与传统方法相比的有益效果在于：

1．可以对不同航线下的阴影比例进行估计，并可对组合航线下阴影缩减效果进行定量分析，为机载干涉SAR航线设计提供依据；

2．不仅能对传统几何阴影进行估计，还可以结合机载干涉SAR系统参数对低信噪比阴影进行估计。

附图说明

图1几何阴影定义图；

图2机载干涉SAR阴影估计及航线设计流程图；

图3测区粗略DEM示意图；

具体实施方式

如图2所示，一种机载干涉SAR阴影估计及航线设计方法由5个步骤组成，具体步骤的实施方式如下：

第一步：首先根据测区位置和雷达中心视角，距离向波束宽度等参数，按传统方法设置一个能覆盖测区的初始航线，借助测区粗略DEM将测区划分为网格单元，从近距开始逐一计算每个网格单元的坡度角、雷达局部视角、阴影长度，判别该网格单元是否为几何阴影，并统计几何阴影占测区面积的比例；

举例说明，假定测区中心位于即北纬N30°，东经E89°，面积为3km*3km，已知测区粗略DEM（1600m~3000m），平均高度2074m，如附图3所示。雷达右侧视(雷达天线向飞机的右侧照射)，雷达中心视角为45°，距离向波束宽度为26°。通过简单几何关系可以得出，当航线高度6km，航向角为90°（与地理东向的夹角），即由南向北起点（N29°59′，E88°57.5′）终点（N30°01′，E88°57.5′）即可覆盖测区。测区已知的粗略DEM的平面分辨率为30m*30m，划分为1000*1000个网格。通过利用网格单元上的三个点可以确定其坡度角α，利用飞机与网格单元的相对距离和高度可以计算该单元的雷达局部视角θ，阴影长度通过

计算，其中h为网格单元的高度，H为航线高度，R为飞机到网格单元的距离。

当网格单元的坡度角满足90-θ≤α或网格单元被阴影长度覆盖时判定该网格为几何阴影，并统计阴影个数和占测区总面积的比例。

第二步：根据第一步得到的每个网格单元的坡度角和雷达局部视角，并利用基于经验参数的后向散射系数模型计算每个网格单元内各种地物覆盖条件下的地面后向散射强度；

基于经验参数的后向散射系数模型采用美国佐治亚技术研究院Currie给出的后向散射系数模型：

${\mathrm{\σ}}^0=A{(\mathrm{\β}+C)}^B\exp \left[\frac{-D}{1+\frac{{0.1\mathrm{\σ}}^h}{\mathrm{\λ}}}\right]---\left(1\right)$

其中β为局部入射角的余角（擦地角），单位为弧度，局部入射角为网格单元所在平面法线与雷达局部视角的夹角；σ^h为表面粗糙起伏的标准差；λ为雷达波长；A，B，C，D为与地表材质及雷达波段相关的经验参数，可分别计算典型地物覆盖条件下的后向散射强度，如裸地、草地、城市、积雪等。

第三步：根据干涉SAR雷达系统对干涉图像对相干性的要求，计算低信噪比区阴影判据，利用步骤2得到的每个单元的地面后向散射强度，判别并标记该单元是否为低信噪比阴影，统计低信噪比阴影占测区面积的比例；

低信噪比阴影的判据的计算如下：为获得高质量测图数据，一般要求用来干涉的两副SAR图像之间的相干系数达到0.9以上，相干系数由多种去相干因素的乘积决定，其中热噪声去相干直接反映干涉SAR图像信噪比，并通过式（2）描述，其中SNR₁为主图像信噪比，SNR₂为副图像信噪比。

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}=\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{SNR}}_1^{-1}}\sqrt{1+\sqrt{{\mathrm{SNR}}_2^{-1}}}}---\left(2\right)$

图像信噪比还和雷达系统参数NEσ₀（噪声等效后向散射系数）相关。NEσ₀定义为一个后向散射系数电平，其值等于雷达图像中的加性热噪声电平，反映SAR能够成像的后向散射系数的下限（此时SNR=0dB)，定义式如（3）所示。

NEσ₀＝σ₀-SNR(dB表示形式)    （3）即当信噪比SNR＜σ₀+NEσ₀时，不能成像。式（2）—（3）建立了干涉SAR系统热噪声相干系数与地物后向散射系数σ₀的关系。

假定干涉图像的总相干系数要求为γ＞0.9，热噪声去相干也必须满足γ_th＞0.9要求，此时由(2)可得对信噪比要求为SNR>9.54dB，若雷达系统的噪声等效后向散射系数为-30dB，可计算得到低信噪比阴影的判据为：σ-NEσ₀＜9.54dB。

第四步：在与步骤1初始航线方向相反的航线下重复步骤1-步骤3，判断并标记该航线方向下的几何阴影和低信噪比阴影，统计两种阴影占测区面积的比例；将两个航线方向下都视为阴影的网格单位判定为组合航线下的阴影网格单元，并统计组合后的阴影区比例；按照步骤1的相反方向航线取由北向南，航向角270°，起点（N30°01′，E88°02.5′）终点（N29°59′，E88°02.5′）即可覆盖同一测区，重复步骤1-步骤3的几何阴影和低信噪比计算步骤，可得反方向航线上的阴影估计结果。

两个航线方向的相关估计结果如表1所示。

表1  N30E89

由于不同方向航线观察角度的不同，在某一方向上观察到的阴影，在相反方向上观察可能不再是阴影，航线组合可以缩减阴影区比例，两个方向共同视为阴影的区域视为判定为组合后阴影，如表2所示

表2  N30E89

第五步：改变步骤1设定的初始航线，重复步骤1-步骤4，从中选择组合后阴影区比例最小的航线。在步骤1中为方便起见选取了90°航向角，即正南正北方向的初始航线，实际上可以在覆盖测区的前提下，选择360°范围内任意初始航线，重复步骤1-步骤4计算对应的组合航线阴影，选择组合后阴影区比例最小的航线，甚至选择更多组航线组合来消除复杂地形和复杂地物下的阴影。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种机载干涉SAR阴影估计及航线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：首先根据待测区位置范围和雷达中心视角以及距离向波束宽度参数，给出一个能覆盖测区的初始航线，借助测区粗略DEM将测区划分为网格单元，从近距开始逐一计算每个网格单元的坡度角、雷达局部视角、阴影长度，判别并标记该网格单元是否为几何阴影，并统计几何阴影占测区面积的比例；

步骤2：根据步骤1得到的坡度角和雷达局部视角，利用后向散射系数模型计算每个网格单元内各种地物覆盖条件下的地面后向散射强度；

步骤3：根据干涉SAR雷达系统对干涉图像对相干性的要求，计算低信噪比区阴影判据，并利用步骤2得到的每个单元的地面后向散射强度，判别并标记该单元是否为低信噪比阴影，统计低信噪比阴影占测区面积的比例；

步骤4：在与步骤1初始航线方向相反的航线下重复步骤1-步骤3，判断并标记该航线方向下的几何阴影和低信噪比阴影，统计两种阴影占测区面积的比例；将两个航线方向下都视为阴影的网格单位判定为组合航线下的阴影网格单元，并统计组合后的阴影区比例，从而定量的得到阴影区的缩减效果；

步骤5：改变步骤1设定的初始航线，重复步骤1-步骤4，从中选择组合后阴影比例最小的航线；

自此，就完成了干涉SAR阴影估计及航线设计；

其中，所述低信噪比区阴影的判据计算如下：为获得高质量测图数据，要求用来干涉的两副SAR图像之间的相干系数达到0.9以上，其中热噪声去相干直接反映干涉SAR图像信噪比，并通过式（2）描述，其中SNR₁为主图像信噪比，SNR₂为副图像信噪比；

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{th}}=\frac{1}{\sqrt{1+{\mathrm{SNR}}_1^{-1}}\sqrt{1+{\mathrm{SNR}}_2^{-1}}}---\left(2\right)$

图像信噪比还和雷达系统参数噪声等效后向散射系数NEσ₀相关，NEσ₀定义为一个后向散射系数电平，其值等于雷达图像中的加性热噪声电平，反映SAR能够成像的后向散射系数的下限，定义式如（3）所示：

NEσ₀＝σ₀-SNR         （3）

即当信噪比SNR＜σ₀+NEσ₀时，不能成像，式（2）、（3）建立了干涉SAR系统热噪声相干系数与地物后向散射系数σ₀的关系。

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