CN114415174A - 一种导航卫星干涉sar的三维形变反演方法 - Google Patents

一种导航卫星干涉sar的三维形变反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，解决了实验采集时间和发射卫星的选择问题。包括：基于先验的轨迹信息计算目标场景在一个重轨周期内的场景平均分辨单元面积；计算每一个时刻的卫星仰角，筛除掉仰角小于设定值的卫星；根据所述场景平均分辨单元面积和基于卫星仰角筛选后的结果，得到满足条件的采集时间与可用卫星组合；根据得到的满足条件的采集时间与可用卫星组合，获得此时间下各卫星的图像，并基于分辨单元的形状获得图像中的独立点；对于所述独立点，通过计算信噪比及相邻点旁瓣干扰得到图像中全部的有效独立点集，选出有效独立点数最多的卫星组合与采集时刻；依次对SAR图像集进行极值点选择处理，并得到有效独立点集合。

Description

一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法
技术领域
本发明属于双基地合成孔径雷达技术领域，具体涉及一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法。
背景技术
基于导航卫星系统的干涉双基地合成孔径雷达(GNSS-InBSAR)是一种以导航卫星作为外辐射源，在地面或近地面布置接收机以接收目标场景回波的双基地SAR系统，具有重轨时间短、覆盖范围广、可实现时空连续监测、成本低等突出优势。
然而，由于导航星系统在轨卫星数量较多，使得在三维形变检测实验中，发射卫星有很多选择与组合方式，需要从中选择最优的组合以达到最好的形变检测结果；此外，系统的联合构型、分辨率、仰角和成像结果都会影响到最终的三维形变检测精度。因此，针对导航卫星系统的实验设计问题需要解决。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，解决了实验采集时间和发射卫星的选择问题，为高精度形变量的获取提供了前提。
本发明通过以下技术方案实现。
一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，包括：
基于先验的轨迹信息，计算目标场景在一个重轨周期内的场景平均分辨单元面积；同时计算每一个时刻的卫星仰角，并筛除掉各时刻仰角小于设定值的卫星；
根据所述场景平均分辨单元面积和基于卫星仰角筛选后的结果，计算不同卫星组合下最优的PDOP输出，得到满足条件的采集时间与可用卫星组合；
根据得到的满足条件的采集时间与可用卫星组合，获得此时间下各卫星的图像，并基于分辨单元的形状获得图像中的独立点；
对于所述独立点，通过计算信噪比及相邻点旁瓣干扰得到图像中全部的有效独立点集，选出有效独立点数最多的卫星组合与采集时刻；
依次对SAR图像集进行极值点选择处理，并得到有效独立点集合。
本发明的有益效果：
本发明基于先验信息，从其理论分辨率、仰角和位置精度因子(PDOP)三个方面选出满足成像和形变反演要求的采集时间，之后基于不同时间的成像结果，通过对有效观测点数量的计算来得到最优的采集时间，实现三维形变反演实验的设计，对GNSS-InBSAR系统的实际应用有着重要作用。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
本具体实施方式的一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，具体设定为：导航卫星干涉SAR系统采用东北天坐标系，发射机为北斗IGSO和MEO卫星，其俯仰角
Figure BDA0003375298790000021
定义为与水平面的夹角，向上为正，方位角θ定义为与正东方向的夹角，逆时针为正，接收机静止不动，放置在系统原点位置，接收机共有两路天线，分别接收回波信号和直达波信号。
步骤一、基于先验的轨迹信息，计算目标场景在一个重轨周期内的场景平均分辨单元面积；
相比于传统的chirp信号，导航星系统的发射信号为CA码，距离向脉冲压缩之后为三角波，而方位向的脉冲压缩结果仍为sinc信号。此外，考虑场景内的分辨率空变性，在接收机静止的条件下，系统距离和方位向的分辨率在地面上的投影为：
Figure BDA0003375298790000031
Figure BDA0003375298790000032
其中，B为CA码信号带宽，Tint为合成孔径时间，β为双基地角，Θ是β平分线方向的分量，ωTA为发射机相对于点目标A的角速度，ΓTA为发射机在有效运动方向上的单位向量，c为光速。Ωr，Ωa为：
Ωr＝Ξ×Z
Ωa＝Θ×Z
其中，×表示叉积，Ξ为等效运动方向，Z为指向正上方的单位向量；
因此，单个目标对应的分辨单元面积近似为：
Sreso＝ρaρrcosφ
其中，φ为Ωr，Ωa之间的夹角。
根据先验的轨迹信息，计算出每一个时刻对应的所述分辨单元面积。在PS-InSAR处理过程中，为了尽可能的提升PS点的数量，同时减少PS点之间相互的相位影响。因此，分辨单元的面积应尽可能小。在发射波形和合成孔径时间一定的情况下，相比于卫星到场景的距离，场景本身面积很小，可近似认为ΦTA和ΓTA近似不变。因此，场景的分辨率主要于目标与接收机之间的角度有关。本实施例以Beidou2_IGSO3的在2021年5月3日下午两点的轨迹信息为例，对1200*1200的仿真区域进行分辨率仿真，接收机设置在原点处，结果证明分辨率变化只与角度有关。因此，在计算场景分辨率时，应根据接收天线的照射范围，计算天线主瓣宽度内不同角度的平均分辨率，使得全场景的分辨最优。
步骤二、计算每一个时刻的卫星仰角，筛除掉各时刻仰角小于设定值的卫星；
本实施例中，所述计算每一个时刻的卫星仰角，具体为：
对于位置为Ps＝[Psx，Psy，Psz]的卫星，所述仰角为：
Figure BDA0003375298790000041
具体实施时，所述仰角过低会使信号穿过大气层的距离增加，从而影响回波信号的信噪比，增大接收信号的相位噪声。因此本实施例中设定15°仰角以下的卫星信号不能利用。通过先验信息得到每一个时刻的卫星仰角，进而筛除掉仰角较低的卫星。
步骤三、根据所述场景平均分辨单元面积和基于卫星仰角筛选后的结果，计算不同卫星组合下最优的PDOP输出，得到满足条件的采集时间与可用卫星组合；
所述PDOP(Position Dilution of Precision)在本技术领域常用来计算导航星系统的定位精度，本发明对PDOP定义进行扩展，结合不同角度下的相关系数，来计算三维反演的理论精度。
本实施例中采用PS-InSAR原理实现形变检测，多颗卫星观测下的误差精度表示为：
Figure BDA0003375298790000051
其中，σw为形变检测的标准差，HM×3是形变观测矩阵。进而，定义PDOP为：
Figure BDA0003375298790000052
每一个方向的PDOP定义为：
Figure BDA0003375298790000053
Figure BDA0003375298790000054
Figure BDA0003375298790000055
本实施例中，对于北斗IGSO卫星而言，在一个重轨周期也就是1天内，其空间相干系数变化较大，因此需要对用于观测的卫星进行选择，通过对不同组合PDOP值的计算，选择最优的结果。最终的设计结果如下表1所示。
表1
Figure BDA0003375298790000056
步骤四、根据得到的满足条件的采集时间与可用卫星组合，获得此时间下各卫星的图像，并基于分辨单元的形状获得图像中的独立点；
本实施例中所述的独立点是指图像中具备完整的分辨单元的目标点，具体通过以下方式获得：
通过步骤一到步骤三得到所述采集时间备选集
Figure BDA0003375298790000057
共T个采集时刻，以及对应的用于形变反演的N颗卫星
Figure BDA0003375298790000058
和各卫星对应的SAR图像
Figure BDA0003375298790000066
然后从I1开始，根据导航卫星干涉SAR系统的构型和参数，得到每一个点的理论PSF形状，以-3dB为门限，则对任意目标点A，所述理论PSF表示为：
S(A)PSF＝{B|χ(A，B)＞-3dB}
其中，χ(A，B)表示目标点A与其邻近目标向量B之间的模糊函数。
当目标点A是S(A)PSF内的极大值点时，则认为A是独立点，遍历I1，得到全部的极值点点集
Figure BDA0003375298790000061
步骤五、对于所述独立点，通过计算信噪比及相邻点旁瓣干扰得到图像中全部的有效独立点集，选出有效独立点数最多的卫星组合与采集时刻；
本实施例中，所述有效独立点集具体采用以下方式获得：
5.1以设定的信噪比作为门限对所述极值点点集
Figure BDA0003375298790000064
的点进行筛选，得到独立点集：
Figure BDA0003375298790000062
其中，SNRthre为信噪比的门限值；
5.2根据目标点强度计算所述目标点A对Q的影响幅度；
具体实施时，步骤5.1得到场景中满足信噪比要求的独立点集，但对于所述
Figure BDA0003375298790000065
中的点Q，其可能会受到周围点的影响，干扰相位的精度。因此，本实施例根据目标点强度计算所述目标点A对Q的影响幅度：
Figure BDA0003375298790000063
其中，σA为目标点的强度，即为SAR图像中的幅值。
5.3根据所述目标点A对Q的影响幅度计算总干扰幅值；
假设Q点周围存在L个干扰点，则L个干扰点对Q的总干扰幅值为：
Figure BDA0003375298790000076
5.4根据幅值比例门限值Ampthre对所述总干扰幅值进行筛选，得到有效独立点集M1；
对于目标点Q而言，其自身的幅度应该足够大以保证不会受到干扰，即：
Figure BDA0003375298790000071
则有效独立点集M1为：
Figure BDA0003375298790000072
步骤六：依次对SAR图像集
Figure BDA0003375298790000077
进行极值点选择处理，得到有效独立点集合
Figure BDA0003375298790000078
则在该采集时刻t1，有效独立点的数量为
Figure BDA0003375298790000073
遍历采集时间集
Figure BDA0003375298790000079
得到有效独立点数量为
Figure BDA00033752987900000710
综上可以得到最终的采样时间为
Figure BDA0003375298790000074
根据步骤三中对采集时刻的设计结果，可以得到每个时间点的最终有效独立点选择结果如表2所示。
表2
Figure BDA0003375298790000075
根据表2，在2:00时采集数据得到的平均有效点数最多，因此最终的实验时间为2:00，选用卫星Beidou2_IGSO1，Beidou2_IGSO4和Beidou2_IGSO6。
综上所示，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 (7)

1.一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，其特征在于，包括：
基于先验的轨迹信息，计算目标场景在一个重轨周期内的场景平均分辨单元面积；同时计算每一个时刻的卫星仰角，并筛除掉各时刻仰角小于设定值的卫星；
根据所述场景平均分辨单元面积和基于卫星仰角筛选后的结果，计算不同卫星组合下最优的PDOP输出，得到满足条件的采集时间与可用卫星组合；
根据得到的满足条件的采集时间与可用卫星组合，获得此时间下各卫星的图像，并基于分辨单元的形状获得图像中的独立点；
对于所述独立点，通过计算信噪比及相邻点旁瓣干扰得到图像中全部的有效独立点集，选出有效独立点数最多的卫星组合与采集时刻；
依次对SAR图像集进行极值点选择处理，并得到有效独立点集合。
2.如权利要求1所述的一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，其特征在于，所述分辨单元面积采用以下方式计算：
Sreso＝ρaρrcosφ
其中，φ为Ωr，Ωa之间的夹角，
Figure FDA0003375298780000011
×表示叉积，Ξ为等效运动方向，Z为指向正上方的单位向量，ρα表示方位向的分辨率在地面上的投影，ργ表示系统距离的分辨率在地面上的投影。
3.如权利要求1或2所述的一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，其特征在于，所述计算每一个时刻的卫星仰角，具体为：
对于位置为Ps＝[Psx，Psy，Psz]的卫星，所述卫星仰角为：
Figure FDA0003375298780000012
4.如权利要求3所述的一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，其特征在于，所述卫星仰角的设定值为15°。
5.如权利要求1或2或4所述的一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，其特征在于，所述独立点通过以下方式获得：
通过采集时间备选集{t1L tT}共T个采集时刻，以及对应的用于形变反演的N颗卫星{S1L SN}和各卫星对应的SAR图像{I1L IN}；从I1开始，根据导航卫星干涉SAR系统的构型和参数，得到每一个点的理论PSF形状，以-3dB为门限，对任意目标点A，所述理论PSF表示为：
S(A)PSF＝{B|χ(A，B)＞-3dB}
其中，χ(A，B)表示目标点A与其邻近目标向量B之间的模糊函数；
当目标点A是S(A)PDF内的极大值点时，则认为A是独立点。
6.如权利要求5所述的一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，其特征在于，在得到所述独立点后，进一步地遍历I1，得到全部的极值点点集。
7.如权利要求6所述的一种导航卫星干涉SAR的三维形变反演方法，其特征在于，有效独立点集采用以下方式获得：
5.1以设定的信噪比作为门限对所述极值点点集的点进行筛选，得到独立点集；
5.2根据目标点强度计算所述目标点A对目标点Q的影响幅度；
5.3根据所述目标点A对Q的影响幅度计算总干扰幅值；
5.4根据幅值比例门限值Ampthre对所述总干扰幅值进行筛选，得到有效独立点集。
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