CN110007302B - 一种星载双天线斜视顺轨干涉sar洋流速度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，包括步骤：1)分别获得两副天线的单视复图像结果；2)根据步骤1)获得的两副天线的单视复图像结果，确定两副天线单视复图像之间的干涉相位；3)根据斜视双天线干涉SAR成像几何，去除干涉相位中由交轨基线带来的平地相位；4)定标处理所述步骤3)处理之后的干涉相位，获得定标后的干涉相位；5)根据斜视双天线干涉SAR成像几何，确定顺轨基线长度；6)根据步骤4)获得的定标后的干涉相位和步骤5)确定的顺轨基线长度，确定地距向洋流速度。本发明利用交轨干涉SAR卫星系统通过SAR波束斜视实现顺轨干涉洋流测量的工作，增加了卫星的工作模式，提升了卫星系统效能。

Description

一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法

技术领域

本发明涉及一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，特别是一种基于混合基线的新型斜视干涉SAR洋流测量方法，属于卫星微波遥感技术领域。

背景技术

星载合成孔径雷达(SAR)通过对地球表面主动微波成像，既记录地面分辨单元的雷达后向散射强度信息，也记录与斜距有关的相位信息。干涉SAR(InSAR)通过分别在交轨方向和顺轨方向两次对覆盖同一地区的两幅雷达图像的干涉处理提取相差图即干涉图，可以提取地表高程信息或场景(目标)的运动信息，建立数字三维地形模型或获取海面流场信息，即交轨干涉SAR(Cross-track InSAR)和顺轨干涉SAR(Along-track InSAR)。

已发射的专用于地形高程测绘的卫星系统有美国的SRTM(Shuttle RadarTopography Mission)和德国的TanDEM-X/TerraSAR-X双星系统。SRTM是2000年2月美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)以及德国与意大利共同开展的地形测绘计划，用11天对北纬60°和南纬56°之间区域进行了C/X双波段干涉成像测绘，测绘地域面积超过全球陆地面积的80％，标称的绝对高程精度为10m(1σ)，相对高程精度为6m(1σ)，绝对平面精度为12m(1σ)，相对平面精度为9m(1σ)。TanDEM-X任务是德国利用2006年发射的TerraSAR-X和2010年发射的TanDEM-X双星实现全球陆地高程高精度测绘任务，标称的绝对高程精度10m，相对高程精度2m，实际绝对高程精度达到2m以内，相对高程精度达到1m以内，截止2014年底已经完成了2次全球陆地高程测量。

目前，可用于流场测量的星载微波遥感手段主要包括利用高度计、散射计数据融合产生的海洋大尺度环流，但由于其分辨率较粗，无法用于获取近岸海域的流场信息；以及利用SAR复图像的方位向多普勒中心频移来计算流场速度，但由于海面流速较小，多普勒中心偏移只有几赫兹到几十赫兹，因此，这种方法得到的海洋流场精度有限且分辨率粗糙。理论上，顺轨干涉SAR是可实现高分辨率高精度海洋流场测量的有效手段。目前还没有在轨应用的干涉SAR洋流测量卫星，但多个SAR卫星系统利用方位向多通道或多个天线开展了顺轨干涉SAR洋流测量试验。SRTM利用主副天线间7m长的顺轨物理基线进行了试验，1km分辨率上流场测量精度达到0.2m/s。TerraSAR-X可采用双孔径接收或子孔径切换模式实现顺轨干涉测量，在1km分辨率下流场测量精度可达0.1m/s。TanDEM-X/TerraSAR-X双星作业时的顺轨基线长度在0～500m，分辨率为33m时达到的测流精度为0.1m/s。我国的高分三号卫星也开展了顺轨干涉洋流测量试验。此外，随着各领域对二维流场测量的需求，国际上也在论证洋流矢量测量卫星，如wavemill系统，利用前后视两对波束，获取前后两个方向的洋流速度，进而合成二维洋流速度，该系统尚处于概念研究和方案设计阶段。

除了洋流矢量测量卫星需要工作于斜视顺轨干涉SAR模式外，上述星载顺轨干涉SAR洋流测量试验都是在正侧视模式开展，目前还没有斜视顺轨干涉SAR系统或工作模式经过在轨试验。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，利用交轨干涉SAR卫星系统同时实现干涉洋流测量工作。

本发明的技术方案是：

一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，卫星上搭载有交轨干涉合成孔径雷达，所述干涉SAR包括两副天线，所述干涉SAR的成像模式为斜视成像模式，包括步骤如下：

1)根据成像算法，分别获得两副天线的单视复图像；

2)根据步骤1)获得的两副天线的单视复图像，确定两副天线单视复图像之间的干涉相位Δφ；

3)去除干涉相位中由交轨基线带来的平地相位，得到去除平地相位后的干涉相位Δφ₁；

4)定标处理所述步骤3)得到的去除平地相位后的干涉相位，获得定标后的干涉相位Δφ_ATI；

5)确定顺轨基线长度B_AT；

6)根据步骤4)获得的定标后的干涉相位和步骤5)确定的顺轨基线长度，确定地距向洋流速度。

所述步骤1)根据后向投影算法BP获得每副天线单视复图像结果I(x_i,y_j)，具体为：

I(x_i,y_j)＝exp(jφ(u))∫_us_M[t_ij(u),u]du，

φ(u)＝4πR_ij(u)/λ，

其中，i、j分别表示成像场景内每个像素点在地距和方位向上的序号，λ为SAR中心频率对应的载波波长，t_ij表示快时间域，s_M[t_ij(u),u]表示每个像素点对应的距离向匹配滤波后的信号，∫_u表示对每个像素所在的合成孔径内的数据进行相干累加实现方位向聚焦，u表示慢时间域,φ(u)表示载频的补偿相位，R_ij(u)表示雷达在u时刻的位置坐标(x_sn,y_sn,z_sn)到目标坐标(x_i,y_j,z_k)的距离。

所述步骤2)确定的两副天线单视复图像之间的干涉相位Δφ的方法，具体为：

其中，*表示取共轭，arg{}表示复数幅角的主值，选择两副天线中的任意一副天线作为第一天线，其余的一副天线作为第二天线，I₁(x_i,y_j)表示第一天线的单视复图像结果，I₂(x_i,y_j)表示第二天线的单视复图像结果。

所述步骤3)去除干涉相位中由交轨基线带来的平地相位的方法，具体为：

Δφ₁＝Δφ-Δφ_g，

其中，Δφ_g为平地相位，R_c为参考斜距，Δy为成像场景中各距离单元与参考距离单元之间的距离，θ_v为垂直于航迹向的雷达下视角，θ_s为雷达斜视角，B为交轨基线长度，当每副天线独立收发雷达信号时Q＝2，当仅使用两副天线中的一副发送雷达信号且两副天线同时用于接收雷达信号时Q＝1。

所述步骤4)获得定标后的干涉相位的方法，具体为：

Δφ_ATI＝Δφ₁-Δφ_static，

其中，Δφ_static为参考静止目标相位。

所述步骤5)确定顺轨基线长度B_AT的方法，具体为：

B_AT＝B·tan(θ_s)/sin(θ_v)。

所述步骤6)确定地距向洋流速度υ_g的方法，具体为：

其中，θ_v为垂直于航迹向的雷达下视角，θ_s为雷达斜视角，υ_orb为卫星的轨道速度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明在长交轨基线双天线干涉SAR系统基础上，不改变其他任何硬件设置，采用SAR天线波束斜视的方法，获得较长的顺轨基线分量，进而完成了混合基线斜视顺轨干涉SAR高空间分辨率高精度洋流测量，为目前无法获得高空间分辨率流场信息的现状提供了一种解决途径，同时以最小的代价显著提升了卫星系统性能和应用效能；

(2)本发明提出了一种混合基线情况下斜视顺轨干涉洋流测量的处理流程，包括该种构型下顺轨基线长度的计算、平地干涉相位的计算，都与仅存在顺轨基线分量的干涉洋流测量方法不同，在目前公开发表的文献中未见报道，可为类似系统洋流测量数据处理方法提供有意义的参考。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为交轨干涉SAR斜视成像几何模型示意图；

图3(a)为本发明一实施例仿真的静止和运动目标位置和速度分布三维图；

图3(b)为本发明一实施例仿真的静止和运动目标位置和速度分布侧视图；

图4为本发明一实施例采用BP成像后的幅度图像；

图5(a)为本发明一实施例静止目标去平地前的干涉相位图；

图5(b)为本发明一实施例静止目标去平地后的干涉相位图；

图6为本发明一实施例反演的3种速度的流场区域的速度分布图。

具体实施方式

干涉SAR系统按基线与SAR平台飞行方向的关系，可分为交轨干涉SAR和顺轨干涉SAR两大类系统。交轨干涉是指两副天线构成的基线与平台飞行方向垂直，顺轨干涉是指两副天线构成的基线与平台飞行方向平行。

交轨双天线干涉SAR系统的原理是利用星载或机载平台承载两部SAR天线以不同视角观测同一目标区域所引起的相位差来获得目标高程信息，其主要工程用途是实现全球陆地高程测量。本发明中的双天线干涉SAR系统利用卫星平台承载约百米长的物理基线、端部搭载两副天线的方式实现全球陆地高程。这种干涉测量方式的特点是在全球不同纬度地区的有效基线一致，高程测量精度一致性好；且同平台上的两部SAR系统的时间、频率和空间基准相同，无复杂的同步问题。

如图2所示的A₁和A₂两部沿交轨方向放置的天线即可构成干涉SAR系统。按两副天线接收或发射分工方式的不同，干涉SAR工作模式可分为一发双收和乒乓模式，一发双收是指一部天线发射雷达信号，这部天线和另一部天线同时接收回波信号；乒乓模式是指两部天线分别自发自收信号，具体由相位系数Q代表两种模式下干涉相位的差异。

本发明提出的双天线干涉SAR系统是一种多干涉测量模式系统，在陆地上空时SAR的成像模式为正侧视成像模式，用于实现陆地高程测量；在海洋上空时SAR的成像模式为斜视成像模式，可分为前斜视或后斜视成像模式，在长交轨基线基础上通过斜视获得顺轨基线分量，实现顺轨干涉洋流测量。利用本发明方法可以不增加硬件配置，仅通过改变波束指向增加卫星干涉模式，扩展卫星应用领域的方式大大提升了卫星系统效能。这种斜视顺轨干涉SAR洋流测量的成像几何见图2。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

本发明交轨干涉SAR斜视成像的几何模型示意图如图2所示，卫星上搭载有长基线交轨干涉合成孔径雷达(InSAR，干涉合成孔径雷达)，所述干涉SAR包括两套雷达设备，即两副天线和两套电子设备，所述SAR的成像模式为斜视成像模式。其中Y′为卫星飞行方向，平行于Y轴的正向，X轴正向为雷达正侧视时的地距方向，物理基线方向平行于X轴的正向，Z与X、Y轴满足右手定则，O为成像参考坐标系原点，即主天线波束中心照射场景中心时刻对应主天线位置在地面的投影。目标坐标系定义为xyz-O′，其中O′为成像场景中心，作为目标坐标系的原点，x轴、y轴、z轴方向分别平行于X轴、Y轴、Z轴，假定洋流仅沿x方向运动，速度为υ_g。物理基线长为B，卫星轨道高度为H，即天线A1和天线A2在XYZ-O坐标系中的位置分别为(0,0,H)和(B,0,H)，天线A1作为主天线，成像场景中心距离主天线A1的斜距为R_c，波束斜视角为θ_s，雷达视线在垂直于航迹的平面内的下视角为θ_v，雷达视线在地面投影与+X方向的夹角为θ_y，则根据三角几何关系，有tan(θ_y)＝tan(θ_s)/sin(θ_v)。

针对该成像几何，给出如表1所示的系统仿真参数设计。仿真的静止(模拟陆地)和运动目标(模拟海洋)的位置和速度的三维分布图和侧视图分别见图3(a)和图3(b)所示，运动目标有1m/s、-2m/s、3m/s三种运动速度，分布在1.5km×1km(方位×距离)的场景范围内。

根据卫星轨道高度，可求出卫星速度为υ_orb＝7644.4m/s；干涉SAR载荷工作于乒乓模式Q＝2；根据工作频率可知载波波长为0.0313m；根据入射角和斜视角，可求出顺轨基线长度为B_AT＝100×tan(3°)/sin(33°)＝9.6m。本发明方法流程图如图1所示，一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法包括步骤如下：

1)分别获得两副天线的单视复图像结果

为了确保干涉SAR处理的保相性，对SAR原始回波进行成像，可采取的成像算法包括CS、Omega-K、BP等，其中BP算法成像精度高，且在天线相位中心可准确获知时，直接完成了图像配准，因此，选择BP作为单视复图像的成像方法。

首先对SAR原始回波信号进行距离向匹配滤波处理：

其中，

表示时域卷积，*表示复数共轭，p(t)表示雷达发射的线性调频信号，s(t,u)＝p(t-t_u)，t表示快时间域，u表示慢时间域即方位向采样点，t_u表示某个散射点在方位时刻u的回波延时。

然后，将成像区域网格化，对每个像素(x_i,y_i,z_i)所在合成孔径的数据相干累加实现方位向聚焦，可得成像结果为：

I(x_i,y_i)＝∫_us_M[t_ij(u),u]du，

其中，t_ij(u)＝2R_ij(u)/c，R_ij(u)＝[(x_sn-x_i)²+(y_sn-y_j)²+(z_sn-z_k)²]，c表示光速，u表示慢时间域，R_ij(u)表示雷达在u时刻的位置坐标(x_sn,y_sn,z_sn)到目标坐标(x_i,y_j,z_k)的距离。在地形高度未知的情况下，目标高度用参考平地高度,i、j分别表示成像场景内每个像素点在地距和方位向上的序号，s_M[t_ij(u),u]表示带有载频的匹配滤波后信号，实际SAR系统中获得的是去载频的基带信号，因此，在BP成像处理中，需要在方位向相干累加后补偿载频相位，最终成像结果可表示为：

I(x_i,y_i)＝exp(jφ(u))·∫_us_M[t_ij(u),u]du，

其中，φ(u)＝4πR_ij(u)/λ，λ为SAR中心频率对应的载波波长，φ(u)表示载频的补偿相位。实施例中采用BP成像后的幅度图像如图4所示。

2)根据步骤1)获得的两副天线的单视复图像结果，确定两副天线单视复图像结果的干涉相位Δφ，具体为：

其中，*表示取共轭，arg{}表示复数幅角的主值，选择两副天线中的任意一副天线作为第一天线，其余的一副天线作为第二天线，I₁(x_i,y_j)表示第一天线的单视复图像结果，I₂(x_i,y_j)表示第二天线的单视复图像结果。

3)去除干涉相位中的平地相位

根据理论推导，在本文的斜视成像几何中，平地相位的表达式如下，

其中，Δφ_g为平地相位，R_c为参考斜距，Δy为各距离单元与参考距离单元的距离差。

用干涉相位Δφ减去上式即可完成平地相位去除。

实施例静止目标去平地前后的干涉相位图如图5(a)和图5(b)所示。

4)干涉相位定标

定标处理所述步骤3)确定的干涉相位Δφ₁，获得定标后的干涉相位Δφ_ATI

干涉相位定标即干涉相位偏置去除，这是因为顺轨干涉SAR获取的复图像间往往存在一个相位常量或与交轨基线有关的相位量，其是由于系统或硬件原因造成。当干涉SAR复图像中包含陆地或其他静止参考目标时，静止点目标的顺轨干涉相位应为零，即可对整个干涉相位图补偿掉该干涉相位，完成干涉相位定标。定标后的干涉相位可以表示为：

Δφ_ATI＝Δφ₁-Δφ_static＝Δφ-Δφ_g-Δφ_static，

其中，Δφ_static为参考静止目标相位5)确定顺轨基线长度B_AT，具体为：B_AT＝B·tan(θ_s)/sin(θ_v)。

6)根据步骤4)获得的定标后的干涉相位Δφ_ATI和步骤5)确定的顺轨基线长度B_AT，确定地距向洋流速度。

根据顺轨干涉SAR测洋流的基本原理，顺轨干涉相位的表达式为

其中，一发双收模式Q＝1，乒乓模式Q＝2，B_AT为顺轨方向基线，υ_r为视线方向的洋流速度，υ_orb为卫星的轨道速度。

根据顺轨干涉SAR的定义，两部天线的视线先后通过地面同一场景区域的差异在顺轨方向的投影，在坐标系XYZ-O中，顺轨基线长度为B_AT＝B·tan(θ_y)＝B·tan(θ_s)/sin(θ_v)。

综上，估计的地距向洋流速度表达式如下：

其中，θ_v为垂直于航迹向的雷达下视角，θ_s为雷达斜视角，υ_orb为卫星的轨道速度其中，工作波长λ、相位系数Q、顺轨基线B_AT都可根据系统设计参数获得，υ_orb为卫星平台速度，由事后定轨精度确定。洋流的顺轨干涉相位由两副天线产生的复图像干涉后的相位去除平地相位、交轨基线相位分量和固定偏置相位后获得。模拟的海面流场目标速度反演情况具体见图6。实际中，该速度值包含海面流场速度、Bragg波相速度以及大尺度轨道波速度，本发明的重点在于提出一种可以测量海面流场的混合基线干涉SAR构型并证明其理论可行性，不再对各种速度分量的分离进行讨论。

本发明提出了一种在标准正侧视交轨干涉SAR系统基础上通过雷达波束斜视获得顺轨基线分量进而实现顺轨干涉洋流测量的新方法，推导了这种观测构型下的混合基线分量和洋流速度表达式，给出了该种构型下顺轨干涉洋流测速的数据处理流程，并通过回波仿真和数据处理验证了方法的有效性。本发明的方法相比已有的单星顺轨干涉SAR洋流测量模式，通过在长交轨基线双天线干涉SAR系统基础上使天线波束斜视实现顺轨干涉测流速，在不增加其他任何硬件设置和不需要卫星姿态机动的情况下，增加了卫星工作模式，提升了卫星系统效能，实现了卫星系统优化；这种在交轨干涉SAR卫星系统上通过雷达视线斜视获得顺轨基线分量，进而在交轨-顺轨混合基线下实现干涉洋流测量的工作模式及数据处理方法目前在可见的公开文献中未见报道，对后续顺轨-交轨干涉SAR研究具有启发意义。

表1仿真参数设置

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，其特征在于，卫星上搭载有交轨干涉合成孔径雷达，所述干涉SAR包括两副天线，所述干涉SAR的成像模式为斜视成像模式，包括步骤如下：

1)根据成像算法，分别获得两副天线的单视复图像；

2)根据步骤1)获得的两副天线的单视复图像，确定两副天线单视复图像之间的干涉相位Δφ；

3)去除干涉相位中由交轨基线带来的平地相位，得到去除平地相位后的干涉相位Δφ₁；

4)定标处理所述步骤3)得到的去除平地相位后的干涉相位，获得定标后的干涉相位Δφ_ATI；

5)确定顺轨基线长度B_AT；

6)根据步骤4)获得的定标后的干涉相位和步骤5)确定的顺轨基线长度，确定地距向洋流速度；

所述步骤3)去除干涉相位中由交轨基线带来的平地相位的方法，具体为：

Δφ₁＝Δφ-Δφ_g，

其中，Δφ_g为平地相位，R_c为参考斜距，Δy为成像场景中各距离单元与参考距离单元之间的距离，θ_v为垂直于航迹向的雷达下视角，θ_s为雷达斜视角，B为交轨基线长度，当每副天线独立收发雷达信号时Q＝2，当仅使用两副天线中的一副发送雷达信号且两副天线同时用于接收雷达信号时Q＝1；

所述步骤5)确定顺轨基线长度B_AT的方法，具体为：

B_AT＝B·tan(θ_s)/sin(θ_v)。

2.根据权利要求1所述的一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，其特征在于，所述步骤1)根据后向投影算法BP获得每副天线单视复图像结果I(x_i,y_j)，具体为：

I(x_i,y_j)＝exp(jφ(u))∫_us_M[t_ij(u),u]du，

φ(u)＝4πR_ij(u)/λ，

其中，i、j分别表示成像场景内每个像素点在地距和方位向上的序号，λ为SAR中心频率对应的载波波长，t_ij表示快时间域，s_M[t_ij(u),u]表示每个像素点对应的距离向匹配滤波后的信号，∫_u表示对每个像素所在的合成孔径内的数据进行相干累加实现方位向聚焦，u表示慢时间域,φ(u)表示载频的补偿相位，R_ij(u)表示雷达在u时刻的位置坐标(x_sn,y_sn,z_sn)到目标坐标(x_i,y_j,z_k)的距离。

3.根据权利要求2所述的一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，其特征在于，所述步骤2)确定的两副天线单视复图像之间的干涉相位Δφ的方法，具体为：

其中，*表示取共轭，arg{}表示复数幅角的主值，选择两副天线中的任意一副天线作为第一天线，其余的一副天线作为第二天线，I₁(x_i,y_j)表示第一天线的单视复图像结果，I₂(x_i,y_j)表示第二天线的单视复图像结果。

4.根据权利要求1所述的一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，其特征在于，所述步骤4)获得定标后的干涉相位的方法，具体为：

Δφ_ATI＝Δφ₁-Δφ_static，

其中，Δφ_static为参考静止目标相位。

5.根据权利要求1所述的一种星载双天线斜视顺轨干涉SAR洋流速度测量方法，其特征在于，所述步骤6)确定地距向洋流速度υ_g的方法，具体为：

其中，θ_v为垂直于航迹向的雷达下视角，θ_s为雷达斜视角，υ_orb为卫星的轨道速度。

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