CN103197316A - 一种保相的机载干涉sar地形高度自适应运动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种保相的机载干涉SAR地形高度自适应运动补偿方法，能够从本质上消除未知地形起伏对运动补偿精度的影响。第一步：对干涉SAR两通道数据分别利用单天线SAR运动补偿方法进行运动补偿，得到干涉复图像对；第二步：对每个复图像进行逆向相位补偿，将复图像中每个像素的相位信息恢复至与运动补偿前的天线相位中心轨迹相对应；第三步：进行复图像配准、干涉相位提取、去平地相位以及相位展开，得到无缠绕的干涉相位图；第四步：计算第一通道SAR复图像各像素对应的运动补偿前斜距值；第五步：根据两通道天线相位中心轨迹数据计算运动补偿前的干涉基线位置、基线长度及基线倾角；第六步：使用运动补偿前的干涉相位、斜距值、干涉基线位置、基线长度以及基线倾角进行干涉计算。

Description

一种保相的机载干涉SAR地形高度自适应运动补偿方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达（SAR）信号处理领域，特别涉及机载SAR运动补偿、SAR干涉高程测量领域。

背景技术

运动补偿是机载SAR数据处理中的一项关键技术。载机由于受气流影响而偏离理想的水平匀速直线飞行状态，需要利用运动补偿技术在SAR成像处理过程中予以补偿，从而恢复SAR回波之间的相干性，得到包含正确相位信息并且良好聚焦的SAR复图像。常规的运动补偿方法（参考文献[1]：A.Moreira and Y.Huang,“Airborne SAR processing of highly squinted datausing a chirp scaling approach with integrated motion compensation”,IEEETransactions on Geoscience and Remote Sensing,vol.32,no.5,pp.1029-1040,Sept.1994）需要选定某一参考平面并按此平面进行补偿计算。这种近似处理方式可以满足传统单天线机载SAR系统的SAR图像聚焦要求。而对于机载SAR干涉地形高程测量来说，由于对干涉相位具有较高的精度要求，这种近似所引起的SAR复图像相位误差将严重降低地形高程的干涉测量精度（由于双航过机载InSAR两通道所经历的运动误差之间无任何相关性，因此该影响更为严重），因此常规的基于参考平面的运动补偿方法将不再适用。

常用的考虑地形起伏的运动补偿方法需要借助于照射场景的外部地形高程数据（参见文献[2]：P.Prats,K.A.C.Macedo,A.Reigber,R.Scheiber,and J.J.Mallorqui,“Comparison of Topography-and Aperture-Dependent Motion Compensation Algorithmsfor Airborne SAR”,IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,Vol.4,No.3,pp.349-353,July2007）。而一般情况下并无外部地形高程数据可资利用，因此这种方法的实用性较差。另一种考虑地形起伏的运动补偿方法是将两个通道的SAR数据在成像处理过程按照相同的参考运动轨迹进行补偿（参见文献[3]：D.R.Stevens,I.G.Cumming,and A.L.Gray:“Options for Airborne Interferometric SAR Motion Compensation”,IEEE Transactionson Geoscience and Remote Sensing,Vol.33,No.2,pp.409-420,Mar.2007）。这种方法不需要借助外部地形高程数据，但与传统的两通道分别按照各自参考轨迹进行补偿的补偿方式相比，在两通道按照同一参考轨迹进行补偿时必将导致某一通道（或同时两通道）的运动误差幅度提高，进而导致运动补偿精度降低，限制了该方法的实际应用。

发明内容

鉴于已有诸方法的局限性，本发明提出了一种保相的机载干涉SAR地形高度自适应运动补偿方法，能够从本质上消除未知地形起伏对运动补偿精度的影响。

该保相的机载干涉SAR地形高度自适应运动补偿方法，包括以下步骤：

第一步：对干涉SAR两通道数据分别利用单天线SAR运动补偿方法进行运动补偿，得到干涉复图像对；

第二步：对每个复图像进行逆向相位补偿，在保证SAR图像聚焦效果的情况下，将复图像中每个像素的相位信息恢复至与运动补偿前的天线相位中心轨迹相对应；

第三步：进行复图像配准、干涉相位提取、去平地相位以及相位展开，得到无缠绕的干涉相位图；

第四步：计算第一通道SAR复图像各像素对应的运动补偿前斜距值；

第五步：根据两通道天线相位中心轨迹数据计算运动补偿前的干涉基线位置、基线长度及基线倾角；

第六步：根据第三、四、五步的计算结果，使用运动补偿前的干涉相位、斜距值、干涉基线位置、基线长度以及基线倾角进行干涉计算，至此完成运动补偿。

本发明的有益效果：

本发明与高精度载机组合导航系统以及高精度运动补偿方法相结合，在机载干涉SAR数据处理中的应用能够显著提高干涉复图像对的相位精度，进而提高地形高程干涉测量精度。

附图说明

图1为单天线机载SAR运动补偿示意图；

图2为机载干涉SAR干涉处理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步介绍。

本实施例中的方法基于以下假设：在参考平面基础上的未知地形起伏所造成的运动补偿误差对SAR复图像聚焦效果的影响很小，可以忽略不计，而对于SAR复图像每个像素点相位的影响需要进行合理的补偿。

以图1的单天线机载SAR系统中对一个点目标的运动补偿为例，参考平面以上高度为h_P的目标P的回波在运动补偿时将按照目标P₀的照射几何进行补偿，其中目标P₀位于参考平面上，且与目标P到天线相位中心实际位置A的距离相同（R₁）。因此，（忽略导航误差、运动补偿算法误差以及h_P所造成的SAR图像散焦）运动补偿相位为θ_P＝-4π(R₂-R₁)/λ，其中λ为系统波长。在运动补偿之后目标P在SAR复图像中的相位为

而目标P在考虑高度h_P的运动补偿之后的相位应为

因此常规的运动补偿方法将对目标P的复图像相位造成相位误差进而导致干涉测量误差。

本发明对目标P的复图像进行相位θ_P逆向补偿，在不破坏聚焦效果的情况下，将目标P的复图像相位由恢复为

该相位精确对应于天线相位中心实际位置A。在机载干涉SAR数据处理过程中，可以按照以上方法对两个通道SAR数据进行以上补偿操作，得到对应于天线相位中心实际轨迹的复图像对。根据天线相位中心的实际轨迹计算干涉基线的位置、长度及倾角，之后可以根据以上结果进行干涉计算，从而避免了未知地形起伏对干涉高程测量精度的影响。

在不考虑方位向中心频率以及两干涉通道方位向相对平移的情况下，机载干涉SAR地形高度自适应运动补偿方法的具体步骤是：

步骤一：对干涉SAR两通道数据分别利用常规单天线SAR运动补偿方法（如两步算法）进行运动补偿，得到干涉复图像对。其中对每个复图像的方位向相位补偿操作可表示为：s(τ,η)＝s₀(τ,η)·exp{j·4π·r_e(τ,η)/λ}

其中exp{}表示自然指数运算，

τ,η分别表示距离向时间和方位向时间，λ表示SAR系统波长，s₀(τ,η),s(τ,η)分别表示运动补偿前后的距离迁移校正之后距离多普勒数据，r_e(τ,η)为(τ,η)所对应场景位置的斜距方向运动误差值。

步骤二：对每个复图像进行如下相位补偿操作： $\hat{f}(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})=f(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})\·\exp \{-j\·4\mathrm{\π}\·r_e(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})/\mathrm{\λ}\},$ 得到第一、第二通道复图像 ${\hat{f}}_1(\mathrm{\τ},\mathrm{\η}),{\hat{f}}_2(\mathrm{\τ},\mathrm{\η}),$ 其中

分别表示操作前后的SAR复图像。该步骤的执行将SAR复图像的相位恢复到与运动补偿前的SAR天线相位中心轨迹相对应。

步骤三：通过SAR复图像对配准（以第一通道复图像

为基准）、干涉相位提取

去平地相位以及相位展开，得到无缠绕的干涉相位图

步骤四：对第一通道各像素(τ,η)计算对应的运动补偿前斜距值：

其中c＝1.0×10⁸m/s表示光速，r₁(τ,η)＝cτ/2表示运动补偿后第一通道复图像像素(τ,η)对应的斜距值，r_e1(τ,η)表示第一通道复图像像素(τ,η)对应场景位置的斜距方向运动误差值。

计算第一通道各像素(τ,η)对应的第二通道运动补偿前斜距值：

其中r_e2(τ,η)表示配准后第二通道复图像像素(τ,η)对应场景位置的斜距方向运动误差值。

步骤五：根据运动补偿前的两通道天线相位中心轨迹数据计算干涉基线长度b(η)及倾角（与水平方向夹角）β(η)。

b(η)＝|A₀-A|

β(η)＝∠(A-A₀)

其中||表示求向量模，∠表示求向量角。

步骤六：根据第三、四、五步的计算结果，使用运动补偿前的干涉相位、斜距值、干涉基线位置、基线长度以及基线倾角进行干涉计算。

计算第一通道各像素(τ,η)对应的下视角（与水平方向夹角）θ(τ,η)：

$\mathrm{\θ}(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})=\arccos [({\hat{r}}_1^2(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})+b^2\left(\mathrm{\η}\right)-{\hat{r}}_2^2(\mathrm{\τ},\mathrm{\η}))/(2{\hat{r}}_1^2(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})\·b\left(\mathrm{\η}\right))]-\mathrm{\β}\left(\mathrm{\η}\right)$

计算高程干涉测量结果h(τ,η)以及对应的地面距离向位置x(τ,η)：

$h(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})=h_1\left(\mathrm{\η}\right)-{\hat{r}}_1(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})\·\sin \left[\mathrm{\θ}(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})\right]$

$x(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})=x_1\left(\mathrm{\η}\right)+{\hat{r}}_1(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})\·\cos \left[\mathrm{\θ}(\mathrm{\τ},\mathrm{\η})\right]$

其中h₁(η),x₁(η)分别表示第一通道天线相位中心A运动补偿前的轨迹高度方向和地距方向位置。

Claims (1)

1.保相的机载干涉SAR地形高度自适应运动补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：对干涉SAR两通道数据分别利用单天线SAR运动补偿方法进行运动补偿，得到干涉复图像对；

第二步：对每个复图像进行逆向相位补偿，在保证SAR图像聚焦效果的情况下，将复图像中每个像素的相位信息恢复至与运动补偿前的天线相位中心轨迹相对应；

第三步：进行复图像配准、干涉相位提取、去平地相位以及相位展开，得到无缠绕的干涉相位图；

第四步：计算第一通道SAR复图像各像素对应的运动补偿前斜距值；

第五步：根据两通道天线相位中心轨迹数据计算运动补偿前的干涉基线位置、基线长度及基线倾角；

第六步：根据第三、四、五步的计算结果，使用运动补偿前的干涉相位、斜距值、干涉基线位置、基线长度以及基线倾角进行干涉计算，至此完成运动补偿。

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