CN114609633B - 一种圆周聚束模式干涉sar测高方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达微波干涉测量技术领域，具体涉及一种圆周聚束模式干涉SAR测高方法。本发明利用合成孔径雷达常用的线性调频信号的回波信号进行分析，建立圆周聚束模式下干涉测高模型，根据空间立体几何关系构建四面体模型，推导目标高程反演公式，公式除干涉相位外，其他参数均是由雷达参数决定的常数，不涉及复杂的计算操作，实现方式也较为简单。

Description

一种圆周聚束模式干涉SAR测高方法

技术领域

本发明属于干涉合成孔径雷达微波测量领域，具体涉及一种圆周聚束模式干涉SAR测高方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种主动式微波遥感测量技术，作为一种高分辨率的二维成像系统，它发射宽脉冲的线性调频信号，解决了距离向分辨率与作用距离之间的矛盾，利用真实孔径的小天线相对于目标运动，等效于等间隔的天线阵元在空间上合成一个长的真实孔径天线，从而获得方位向高分辨率，随着射频器件水平及数字技术的不断提升，SAR系统功能逐步完善。例如，干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)，在机载单轨测量模式下，它通过两幅天线同时观测获取地面同一目标的复影像对，根据目标与两天线位置的几何关系和复图像上产生的相位差信息可以提取地面目标地形的三维信息，将地形测绘由二维平面拓展到三维空间；视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar,ViSAR)，通过对场景的持续观测获取目标场景的连续的图像帧，使其能检测目标场景的动态变化。为了将视频SAR与干涉SAR技术相结合，必须考虑视频SAR成像算法是在圆迹聚束模式下的，这与传统的条带模式的干涉SAR有所区别，目前还没有成熟实用的针对圆周聚束模式干涉测高模型的建立。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种圆周聚束模式干涉SAR测高方法，该方法的基本思路是假设雷达平台在圆周聚束模式下沿着航迹轨道匀速飞行，先根据发射的线性调频信号，计算其回波经过匹配滤波后的回波干涉相位，考虑载机按照圆迹轨迹飞行，主副天线与空间目标的位置不在一个平面，根据目标与雷达主副天线的空间几何关系构建四面体模型，得到目标高度与主副天线与目标之间距离差的关系，进而得到目标高度与相位差的关系式，从而得到高程反演公式。

本发明的技术方案为：一种圆周聚束模式干涉SAR测高方法，用于机载双天线视频SAR干涉测量系统，包括以下步骤：

S1、计算回波相位，通常情况下，雷达平台发射具有大时带宽积的线性调频信号，在接收到回波信号后，首先对回波数据做距离向的匹配滤波，得到处理后回波信号的相位；

S2、计算干涉相位和主副天线与目标之间距离差的关系，信号共轭相乘体现在相位计算上为相位相减得到相位差，主副天线与目标点的斜距不同，从而产生不同的相位，因此得到和主副天线与目标距离差有关的相位差；

S3、根据空间几何关系，构建四面体模型，原点向上平移以目标高度为单位的点O′，主天线所在的位置点A₁，副天线所在的位置点A₂，目标点P，这四个点在空间组成四面体O′PA₁A₂，根据勾股定理与余弦定理计算目标高度和主副天线与目标之间距离差的关系；

S4、根据目标高度和主副天线与目标之间距离差的关系，主副天线与目标之间距离差和相位差的关系，消去主副天线与目标之间距离差的影响，得到目标高度与相位差的关系式，从而得到目标高程反演公式；

本发明的有益效果为，本方法提出了聚束模式的视频SAR干涉测量模型及高程反演公式，并针对相关步骤给出了具体方法。

附图说明

图1圆周聚束模式干涉测高模型；

图2空间三棱锥示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明的适用于机载双天线干涉SAR系统，主要包括：

S1、计算回波相位，通常情况下，雷达平台发射具有大时带宽积的线性调频信号，在接收到回波信号后，首先对回波数据做距离向的匹配滤波，处理后回波信号的相位可写为：

其中t为方位向时间，为慢时间，f_τ表示快时间频率，R_ref表示场景中心和雷达天线中心之间的参考距离，R_i用于表示点目标和雷达天线中心的斜距；

如图1所示，雷达机载平台在距离地面高度为H的位置按照圆迹飞行，主天线记为A₁，副天线记为A₂，地面场景中心为Q，主天线与场景中心之间的参考距离为R_ref1，副天线与场景中心之间的参考距离为R_ref2，对于地面高度为h的点目标P，距离主天线的距离为R₁，记为R,距离副天线的距离为R₂,记为R+△R，α为基线B与水平方向的夹角，主天线在参考平面的投影点为原点，记为O,x轴为零多普勒位置载机飞行方向，z轴方向朝上，y轴由右手坐标系确定,β为主天线和目标连线与主天线和原点连线之间的夹角，点O′为原点O向上平移h个单位的点,设f_c为雷达载频，λ为雷达波长，主天线A₁和副天线A₂之间的连线称为基线，基线的长度记为B。

主天线A₁得到匹配滤波处理后的回波相位为：

主天线A₂得到匹配滤波处理后的回波相位为：

S2、计算干涉相位和主副天线与目标之间距离差的关系，信号共轭相乘体现在相位计算上为相位相减得到相位差，主副天线与目标点的斜距不同，从而产生不同的相位，因此得到和主副天线与目标距离差有关的相位差；

将主天线A₁得到匹配滤波处理后的回波相位减去主天线A₂得到匹配滤波处理后的回波相位得到相位差为：

S3、根据空间几何关系，构建四面体模型，原点向上平移以目标高度为单位的点O′，主天线所在的位置点A₁，副天线所在的位置点A₂，目标点P，这四个点在空间组成四面体O′PA₁A₂，根据勾股定理与余弦定理计算目标高度和主副天线与目标之间距离差的关系；

如图2所示，原点向上平移以目标高度为单位距离的点O′，主天线所在位置点A₁，副天线所在位置点A₂，目标点P，这四个点在空间组成四面体O′PA₁A₂，具体求目标高度和主副天线与目标之间距离差的关系分为以下步骤：

第一步：求O′A₂的长度：

在△O′A₁A₂中，根据余弦定理可得O′A₂的长度：

第二步：求O′P的长度：

在△O′A₁P中，因为O′P⊥O′A₁,根据余弦定义得

O′P＝Rsinβ

第三步：先求A₂P的长度，再得到夹角β的计算式，

在△O′PA₂中，O′P⊥O′A₂,根据勾股定理得：

(R+△R)²＝|A₂P|²＝|O′P|²+|O′A₂|²＝B²+(H-h)²-2B(H-h)cos(α+90°)+R²sin²β

变形可得：

sin²β＝f(△R)＝[(R+△R)²-B²+(H-h)²+2B(H-h)sinα]/R²

第四步：根据几何关系得高程反演公式为：

在直角△A₁PO′中，根据余弦定理得目标高度与夹角β的关系：

h＝H-Rcosβ

联立上面两式消去夹角β可得：

S4、根据目标高度和主副天线与目标之间距离差的关系，主副天线与目标之间距离差与相位差的关系，消去距离差的影响，得到目标高度与相位差的关系式；

距离差可以由相位差表示为：

将距离差表达式代入目标高度与距离差的关系式得到高程反演公式为：

高程反演公式看似复杂，其实除了相位差△φ之外，均为定值常数，在雷达干涉过程中，只要参数设定，便可由相位值得到目标的高程信息。

Claims (1)

1.一种圆周聚束模式干涉SAR测高方法，用于机载双天线视频SAR干涉测量系统，其特征在于，根据圆周聚束模式下的成像模式，建立圆周聚束模式干涉测高模型，定义雷达机载平台在距离地面高度为H的位置按照圆迹飞行，主天线记为A₁，副天线记为A₂，以主天线在参考平面的投影点为原点，记为O,x轴为零多普勒位置载机飞行方向，z轴方向朝上，y轴由右手坐标系确定，地面场景中心为Q，对于地面高度为h的点目标P，距离主天线的距离为R,距离副天线的距离为R+△R；所述测高方法包括：

S1、雷达机载平台接收到回波信号后，对回波数据做距离向的匹配滤波，得到相位：

其中t为方位向时间，为慢时间，f_τ表示快时间频率，R_ref表示地面场景中心和雷达天线中心之间的参考距离，R_i表示点目标和雷达天线中心的斜距；

主天线A₁得到匹配滤波处理后的回波相位为：

主天线A₂得到匹配滤波处理后的回波相位为：

其中R_ref1为主天线与地面场景中心之间的参考距离，R_ref2为副天线与地面场景中心之间的参考距离；

S2、将主天线A₁得到匹配滤波处理后的回波相位减去主天线A₂得到匹配滤波处理后的回波相位得到相位差为：

S3、根据空间几何关系，构建四面体模型，原点向上平移以目标高度为单位的点O′，主天线所在的位置点A₁，副天线所在的位置点A₂，目标点P，这四个点在空间组成四面体O′PA₁A₂，根据勾股定理与余弦定理计算目标高度和主副天线与目标之间距离差的关系；

其中，B为基线的长度，α为基线B与水平方向的夹角；

S4、根据目标高度和主副天线与目标之间距离差的关系，主副天线与目标之间距离差和相位差的关系，消去主副天线与目标之间距离差的影响，得到目标高度与相位差的关系式，从而得到目标高程反演公式，得到目标高程信息：

其中，f_c为雷达载频，λ为雷达波长。