CN109917377B - 一种基于传统高频电磁散射理论的gnss-sar成像仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于传统高频电磁散射理论的GNSS‑SAR成像仿真模型，具有很强的适用性。该模型结合物理光学法及传统复合电磁散射计算模型中的“四路径”方法，以GNSS信号为信号源，对成像场景的电磁散射数据进行了计算。在计算电磁散射数据的基础上，利用合成孔径雷达成像算法中的后向投影算法，对海面场景进行了成像仿真。

Description

一种基于传统高频电磁散射理论的GNSS-SAR成像仿真方法

技术领域

本发明公布了一种基于传统高频电磁散射理论的GNSS-R信号SAR海面目标成像仿真方法。具体说是提供了一种考虑多因素散射效应后，利用GNSS信号为信号源，对任意场景进行SAR成像的仿真方法。该方法通过对GNSS信号散射数据的计算，准确的对各种场景下的目标进行SAR成像的仿真，属于电磁和微波成像技术领域。

背景技术

遥感技术可以准确并且全面的监测目标空间环境的变化，具有很高的研究价值，一直受到各国的高度重视。SAR作为是一种高分辨率微波成像雷达，能够不受恶劣天气影响，具有全天时，全天候的观测能力，给遥感技术提供了一种良好的技术手段。随着双基SAR技术的日益成熟，推动了以外辐射源作为机会信号源的被动SAR发展。目前，已经开发出了多种基于合成孔径雷达的双基SAR系统，例如：DVB-T，GSM，GNSS等。

基于GNSS的SAR系统主要具有以下优势：1.系统能够不受成像区域限制的提供数据采集工作，系统的整体部署难度和成本低。2.GNSS导航信号具有最佳遥感同步特性。3.由GNSS导航信号作为辐射源，隐蔽性好。4.GNSS信号能够全天候，昼夜连续的工作。目前，在该领域的研究中，已经验证了利用GNSS-R信号能够进行SAR成像的可行性，但是由于GNSS信号与传统SAR信号体制的不同，成像效果一直不太理想，需要从散射机理上给SAR成像更多的支持，得到更加准确的仿真效果，为GNSS-SAR在遥感领域的应用及观测实验提供理论基础。

基于此，本模型提出了结合传统电磁散射模型，对成像场景的电磁散射数据进行计算，从而得到准确成像仿真效果的方法。

发明内容

本发明的目的在于：利用传统的高频散射理论，以GNSS为辐射源，对成像场景进行SAR成像仿真，从而获得准确的成像仿真效果，为GNSS-SAR在遥感领域的应用及观测实验提供理论基础。

本发明的技术方案是：

基于以GNSS信号为信号源的SAR成像系统，本发明提出了一种成像仿真方法。即将高频散射理论引入到GNSS-SAR的成像仿真方法中。首先，利用犀牛等图像处理软件生成像场景的面元文件；其次，获取直射信号反射信号中的数据，通过直射获得经过探测区域时刻的GNSS卫星分布图，根据卫星的方位角、高度角、前后向散射关系，选取合适的成像卫星；最后，结合所计算出的电磁散射数据，利用传统SAR成像算法中后向投影算法，完成GNSS-SAR成像的仿真。

本发明的优点在于：

1.该模型结合物理光学法及传统复合电磁散射计算模型中的“四路径”方法，准确的计算了复合场景的电磁散射数据。

2.将电磁散射数据考虑进GNSS-SAR成像仿真中，提高了成像仿真的真实性。

3.该模型利用GNSS卫星的位置信息可以通行过的导航电文或相关导航软件进行提取，无需建立信号源的数据库。

4.该模型支持任意场景下的GNSS-SAR成像仿真工作，具有良好的适用性。

附图说明

图1基于“四路径”的GNSS-R双基SAR成像场景示意图

图2 GNSS信号成像框架

图3 GNSS-R SAR成像仿真流程

图中符号、代号说明如下：

GNSS：GNSS Global Navigation Satellite System全球卫星导航系统

SAR：SAR Synthetic Aperture Radar合成孔径雷达

DVB-T：Digital Video Broadcasting-Terrestrial地面数字电视广播

GSM：Global System for Mobile Communication全球移动通信系统

具体实施

1.根据图1所示，在地面设置GNSS信号接收机，其中右旋天线接收直射信号，左旋天线接收反射信号，进行GNSS信号的采集工作。

直射信号可表示为：

反射信号可表示为：

2.根据图2所示，通过数据中频处理模块将卫星信号转换为中频信号，对接收机的采集的卫星信号数据进行处理，对直射信号进行跟踪捕获处理，将能够跟踪的卫星进行导航电文的提取，获得接收机当前位置下的卫星分布图。

3.根据图2所示，根据卫星的前后向散射位置，卫星的方位角，和高度角选取合适的成像卫星。

4.根据图3所示，利用犀牛等图像处理软件生成成像场景模型，将模型生成面元文件。

5.获得以GNSS信号为信号源的复合场景散射数据，其中物理光学法的散射数据可表示为：

漫散射的散射数据可表示为：

四路径模型的散射数据可表示为：

σ_4path＝E_i-s+ρE_i-s′+ρE_i′-s+ρ²E_i′-s’

则总散射数据可表示为：

σ_total＝σ_ave+σ_4path

6.结合步骤5所示公式，模型的电磁散射数据计算，从而计算出卫星信号相应的时延，仿真生成成像场景的回波信号。

7.根据步骤1-6的处理结果，结合图2所示GNSS信号成像框架，对所得成像信号进行相位补偿，相位补偿值为：

从而获得一幅完整SAR成像仿真图像。

Claims (3)

1.一种基于传统高频电磁散射理论的GNSS-SAR成像仿真方法，其特征在于，包括：

采集GNSS信号，其中所述GNSS信号包括直射信号和反射信号；其中，直射信号为：

反射信号为：

处理所述GNSS信号，将处理后的GNSS信号中的直射信号进行跟踪捕获处理，以获取能够跟踪的卫星；

对所述能够跟踪的卫星进行导航电文提取，以获得当前位置下的卫星分布图；

基于所述卫星分布图选取成像卫星；

基于所述成像卫星得到成像场景模型，并将所述成像场景模型生成面元文件；

获取以所述GNSS信号为信号源的复合场景散射数据；其中物理光学法的散射数据为：

漫散射的散射数据为：

四路径模型的散射数据为：

σ4path＝E_i-s+ρE_i-s′+ρE_i′-s+ρ²E_i′-s’，

总散射数据为：

σ_total＝σ_ave+σ_4path，

基于所述复合场景散射数据得到成像场景的回波信号，包括：基于所述复合场景散射数据得到所述GNSS信号相应的时延，并仿真生成成像场景的回波信号；

基于所述成像卫星对所述回波信号进行相位补偿，以获取SAR成像仿真图像，其中，所述相位补偿值为：

2.根据权利要求1所述的基于传统高频电磁散射理论的GNSS-SAR成像仿真方法，其特征在于，所述处理所述GNSS信号，将处理后的GNSS信号中的直射信号进行跟踪捕获处理，以获取能够跟踪的卫星，包括：将所述GNSS信号转换为中频信号，对转换后的GNSS信号中的直射信号进行跟踪捕获处理。

3.根据权利要求1所述的基于传统高频电磁散射理论的GNSS-SAR成像仿真方法，其特征在于，所述基于所述卫星分布图选取成像卫星，包括：根据卫星的前后向散射位置、卫星的方位角和卫星的高度角选取成像卫星。