一种重复轨道星载自然场景SAR复图像数据快速仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种重复轨道星载自然场景SAR复图像数据快速仿真方法，该方法模拟SAR卫星运行轨道，根据星载SAR卫星成像原理和SAR卫星单视复图像信号模型对地面场景进行仿真，直接得到多幅重复轨道SAR复图像数据。采用一种快速方法迭代计算卫星零多普勒成像位置来获取斜距信息，利用简化散射模型计算后向散射系数，提出一种简化的重复轨道模型来产生可控基线长度的任意多幅SAR复图像数据。本发明专利技术克服了传统回波仿真方法速度慢的缺点，而且还可以为干涉处理提供先验信息以辅助处理或评估处理结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于星载合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)
，涉及一种重复轨道星载自然场景SAR复图像数据快速仿真方法。
技术介绍
合成孔径雷达卫星是一种基于空间高度对地球进行观察的高分辨率微波遥感卫星，在军事、海洋、农业、林业等领域具有广阔的应用前景，美国、欧共体、加拿大和日本等国家已发射了多颗SAR卫星，获得了巨大的成功，国外在SAR卫星的研制过程中普遍采用数字仿真技术来实现卫星系统总体方案的优化设计。星载SAR复图像仿真能够为SAR系统误差的仿真分析、雷达图像处理以及干涉SAR技术研究提供带有先验知识的图像数据，对于SAR系统的工程开发研究和应用研究都具有十分重要的意义。干涉合成孔径雷达(InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR)是指采用两部天线或者一部天线两次飞行获得的SAR图像数据想结合，通过干涉来获取三维高度信息，可以实现全天候、全天时的观测，InSAR技术作为测量地表高程信息的新手段，被很多国家运用在军事、地质、灾害监测等领域中，而作为InSAR的特殊运用方法，差分干涉合成孔径雷达(DifferentialInterferometricInSAR，DInSAR)技术也在本世纪初得到了社会各界的广泛重视。它的地表形变检测精度高达厘米级别甚至能够达到毫米级别，再加上其稳定性以及发展前景，使得它在地表形变监测的领域中，逐渐取代了传统的水准检测方法与GPS方法，并愈发起到了至关重要的作用。而对于InSAR和D-InSAR技术，需要多幅具有一定的基线的重复卫星轨道(全部升轨或者全部降轨)对同一目标区域产生的SAR复图像数据作为数据源，其中PS-DInSAR更是需要十幅以上的SAR复图像数据，但是对于某些场景或者成像条件的重复轨道缺乏真实星载SAR复图像数据，而且现在的真实数据也普遍缺乏有效的先验辅助数据，不利于算法的分析和验证。因此，进行针对自然场景的重复轨道星载SAR复图像数据计算机数字仿真具有十分重要的意义。Julian根据SAR图像解译技术研究的需要，首次建立了SAR图像仿真系统，随后Kaupp利用该系统研究了雷达入射角对星载SAR图像特征的影响，对仿真技术应用于SAR卫星系统方案设计进行了初步尝试，随后SAR卫星技术的蓬勃发展推动了SAR图像仿真技术的研究。Franceschetti建立了SARAS仿真系统，给出了一种三维地面场景SAR图像仿真的模型。SAR复图像数据仿真是根据一定的地面地形资料，在一定的平台轨道参数，雷达参数基础上，按照雷达成像机理模拟产生雷达图像的技术，它的主要任务是结合一定的雷达几何关系，合成SAR复图像数据。星载自然场景SAR复图像数据仿真的工作主要包括三个方面，一是空间位置模拟，即确定SAR卫星成像轨道和地面自然场景的空间位置关系；二是几何特征模拟，即建立起地面点和图像点之间的数学定位关系，模拟出SAR图像的叠掩、透视收缩、顶底倒置等特征；三是辐射特征模拟，即模拟出SAR图像上阴影，斑点噪声等特征。根据仿真方法的不同，SAR仿真可分为原始回波仿真和图像仿真：回波仿真为根据SAR系统工作原理，由地物的后向散射系数模拟得到回波数据，然后再通过成像处理算法得到SAR图像；图像仿真是直接从SAR图像的构成出发，将SAR系统和成像处理看作一个线性系统处理，直接仿真成像后的SAR复图像数据。第一种方法在求回波数据时一般采用逐点迭代求回波的方法，计算量巨大，尤其是在计算重复轨道多幅图像时耗时过大；第二种方法运算简单，且可以很好的满足InSAR处理的需要，故本专利技术采用第二种方法，即不经过回波仿真，直接仿真SAR复图像数据。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种针对自然场景的重复轨道星载SAR复图像数据计算机数字快速仿真方法，可用于较大规模场景仿真，能够对不同的轨道参数和SAR卫星参数获取任意数量的重复轨道(全部升轨或全部降轨)的仿真SAR复图像数据，可用于SAR系统误差的仿真分析、雷达图像处理以及干涉SAR技术研究等领域。本专利技术采用的技术方案如下：一种重复轨道星载自然场景SAR复图像数据快速仿真方法，该方法步骤如下：第一步、根据轨道参数确定成像轨道中心点和地面场景中心点坐标。第二步、读入地面自然场景DEM(DigitalElevationModel)，以地面中心点为中心按经纬度方向等间隔布设场景地面点，根据雷达RD方程，采用一种快速方法迭代计算每个场景点对应的零多普勒成像卫星位置、卫星与地面场景点相对速度、斜距矢量。第三步、SAR图像复数据仿真；根据星载SAR卫星成像原理，根据每个场景点的斜距矢量和地面场景每个小面元的法向量得出电磁波入射角，进而由后向散射系数和电磁波入射角的经验模型计算出每个场景点的后向散射系数，对每个场景点，由斜距长度和成像时间结合SAR卫星方位向分辨和距离向分辨率确定每个场景点在图像上的像素位置，再将该点的后向散射系数开方后叠加上随机相位和斜距相位得到复数据，对同一像素位置的场景点的复数据相加，再相继与距离和方位向脉冲压缩结果进行卷积得到SAR复图像数据。第四步、仿真基线长度可控的重复轨道SAR图像复数据；以SAR卫星中心斜距单位方向矢量作为水平基线方向，根据中心位置速度方向和斜距方向作向量叉乘得到垂直基线方向，水平基线和垂直基线的矢量和作为基线矢量，控制卫星成像轨道区域进行相应偏移，对原地面场景或者加上形变场后的地面场景重复第二、三步，生成具有一定基线的重复轨道星载SAR复图像数据。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的方法模拟SAR卫星运行轨道，根据星载SAR卫星成像原理和SAR卫星单视复图像信号模型对地面场景进行仿真，直接得到多幅重复轨道SAR复图像数据。采用一种快速方法迭代计算卫星零多普勒成像位置来获取斜距信息，利用简化散射模型计算后向散射系数，提出一种简化的重复轨道模型来产生可控基线长度的任意多幅SAR复图像数据，并可对添加了形变场后的地面场景仿真得到形变后的SAR复图像数据。传统回波仿真方法模拟脉冲压缩，获得干涉数据，运算量巨大，尤其是对于地面点很密的复杂自然场景，耗时更加巨大。本专利技术克服了传统回波仿真方法速度慢的缺点，并且采用的快速迭代计算卫星零多普勒成像位置的方法更加缩短了仿真用时，而且仿真精度很高，后向散射效应、噪声影响、遮挡效应、顶底效应等多种因素也得到了真实的体现。不仅可以像真实SAR卫星(如TerraSAR)一样提供完整的复图像数据及各种辅助参数，而且还是可以为InS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重复轨道星载自然场景SAR复图像数据快速仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：第一步、根据轨道参数确定成像轨道中心点和地面场景中心点坐标；第二步、读入地面自然场景DEM(Digital Elevation Model)，以地面中心点为中心按经纬度方向等间隔布设场景地面点，根据雷达RD方程，采用一种快速方法迭代计算每个场景点对应的零多普勒成像卫星位置、卫星与地面场景点相对速度、斜距矢量；第三步、SAR图像复数据仿真；根据星载SAR卫星成像原理，根据每个场景点的斜距矢量和地面场景每个小面元的法向量得出电磁波入射角，进而由后向散射系数和电磁波入射角的经验模型计算出每个场景点的后向散射系数，对每个场景点，由斜距长度和成像时间结合SAR卫星方位向分辨和距离向分辨率确定每个场景点在图像上的像素位置，再将该点的后向散射系数开方后叠加上随机相位和斜距相位得到复数据，对同一像素位置的场景点的复数据相加，再相继与距离和方位向脉冲压缩结果进行卷积得到SAR复图像数据；第四步、仿真基线长度可控的重复轨道SAR图像复数据；以SAR卫星中心斜距单位方向矢量作为水平基线方向，根据中心位置速度方向和斜距方向作向量叉乘得到垂直基线方向，水平基线和垂直基线的矢量和作为基线矢量，控制卫星成像轨道区域进行相应偏移，对原地面场景或者加上形变场后的地面场景重复第二、三步，生成具有一定基线的重复轨道星载SAR复图像数据。...

【技术特征摘要】
1.一种重复轨道星载自然场景SAR复图像数据快速仿真方法，其特征在于，包含以下
步骤：
第一步、根据轨道参数确定成像轨道中心点和地面场景中心点坐标；
第二步、读入地面自然场景DEM(DigitalElevationModel)，以地面中心点为中心按经纬
度方向等间隔布设场景地面点，根据雷达RD方程，采用一种快速方法迭代计算每个场景点
对应的零多普勒成像卫星位置、卫星与地面场景点相对速度、斜距矢量；
第三步、SAR图像复数据仿真；根据星载SAR卫星成像原理，根据每个场景点的斜距
矢量和地面场景每个小面元的法向量得出电磁波入射角，进而由后向散射系数和电磁波入射
角的经验模型计算出每个场景点的后向散射系数，对每个场景点，由斜距长度和成像时间结
合SAR卫星方位向分辨和距离向分辨率确定每个场景点在图像上的像素位置，再将该点的
后向散射系数开方后叠加上随机相位和斜距相位得到复数据，对同一像素位置的场景点的复
数据相加，再相继与距离和方位向脉冲压缩结果进行卷积得到SAR复图像数据；
第四步、仿真基线长度可控的重复轨道SAR图像复数据；以SAR卫星中心斜距单位方
向矢量作为水平基线方向，根...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐华平，单乐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11