基于粗数字高程图的InSAR绝对相位模糊估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于粗数字高程图的InSAR绝对相位模糊估计的方法，主要解决现有雷达实时数字高程图生成时需要地面精确控制点及复杂的定标运算的问题。其实现步骤是：1)由目标场景的粗数字高程图确定目标场景的参考平均高度；2)按照目标场景的参考平均高度估计场景中心斜距；3)分别计算场景中心参考点的解缠相位和参考点的绝对相位；4)由场景中心参考点的解缠相位和绝对相位计算整幅场景的绝对相位模糊数；5)根据场景的绝对相位模糊数反演实时数字高程图。本发明专利技术能够在无地面精确控制点且高度起伏较大的地面场景下正确、快速估计出场景的绝对相位模糊数，可用于机载雷达的实时信号处理系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信号处理
，特别涉及一种干涉合成孔径雷达InSAR的绝对相位模糊估计方法，可用于以获取有高程起伏地面场景的数字高程图为目的的雷达实时信号处理系统。
技术介绍
干涉合成孔径雷达InSAR的应用极其广泛，最直接的应用就是获取数字高程图数字高程图。单航过InSAR获取地面场景的数字高程图依靠的是两个天线的雷达波束的波程差，这波程差反映在两个天线雷达回波的相位上。从雷达回波中解出整幅场景的绝对相位是获取整幅场景数字高程图的前提条件。在无地面精确控制点时，研究实时高效的绝对相位模糊估计方法对实时获取地面场景的数字高程图至关重要，也是InSAR实时信号处理技术的一个研究热点。缠绕相位是对两幅天线的SAR图像进行干涉处理得到的，是折叠在(-π,π]区间内的。解缠相位是对缠绕相位进行相位展开得到的，是一个连续的曲面。解缠后的干涉相位与其绝对干涉相位之间仍然相差2kπ，k为整数，这个k就称作绝对相位模糊数。基于粗数字高程图的InSAR绝对相位模糊估计是对于有高程起伏的场景，在无地面精确控制点时，利用粗数字高程图来解算出整幅地面场景的绝对相位模糊数k，结合解缠后的连续相位，得到整幅地面场景的绝对相位，进而反演出整幅地面场景的数字高程图。现有的绝对相位模糊估计方法大都是基于地面的精确控制点来计算模糊数k的。通常控制点以地固系下的三维坐标形式给出，并且控制点足够精确，将控制点反定位出图像中对应的坐标，确定出方位时刻，进而确定出绝对相位，再通过对应坐标位置的解缠相位确定出整幅地面场景的绝对相位模糊数k。这种方法的使用具有局限性，不适合于实时信号处理系统。陈立福等在文章“一种用于机载双天线InSAR系统的实时DEM生成方法及实现”(中国科学院大学学报,2014,31(5):678-683)中采用基于外部粗精度数字高程图数据的初始相位偏置实时估计算法。此种方法基于控制点和定标场，主要用于机载平台，以及较平坦的地形场景。而且上述方法进行实时估计时需要进行天线下视角的反演，需要进行反余弦计算，且反余弦的结果应该在[-π/2,π/2]之间，因而上述方法的不足之处在于：反余弦计算的正确结果需要进行判断获取，否则反演时会出现问题，而且此种方法不适用于运动状态变化剧烈的雷达平台，以及场景高度起伏较大的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于粗数字高程图的InSAR绝对相位模糊估计方法，以在无地面精确控制点且高度起伏较大的地面场景下正确估计出场景的绝对相位模糊数。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：(1)根据粗数字高程图确定场景的参考平均高度h；(2)获取主天线回波场景中心参考点斜距R1：(2a)根据雷达发射时间与接收波门时间的关系，结合场景的参考平均高度，估计出场景中心所在的采样单元i：i＝round[(R1′-Rn)/Rs] <1>其中，为中间变量，β是主天线的下视角，H是主天线平台高度，h是参考平均高度；是主天线回波的最近斜距，是距离向采样间隔，t0是波门打开时间相对雷达发射时间的延时，c是光速，fs是距离向采样频率；round表示四舍五入取整操作；(2b)由(2a)所得参数估计主天线回波场景中心斜距R1：R1＝Rn+i·Rs； <2>(3)将整幅场景解缠之后的相位以及对应解缠相位的解缠标志矩阵作为输入数据，计算场景中心参考点的解缠相位(4)根据InSAR成像的几何关系，计算场景中心参考点的绝对相位ψ： ψ = 2 Q π ( R 1 - R 2 ) λ - - - < 3 > ]]>其中是辅天线回波的场景中心斜距，为中间变量，B是基线长度，α是基线倾角，R1是主天线回波场景中心斜距，β是主天线的下视角；Q为系数，一发双收模式时Q＝1，自发自收模式时Q＝2，λ是载波波长；(5)根据场景中心参考点的解缠相位和绝对相位ψ，计算整幅场景的模糊数k：其中，round表示四舍五入取整操作。(6)利用整幅场景的绝对相位模糊数k进行后续的干涉相位真实值求解及场景数字高程图反演。本专利技术与现有的技术相比具有以下优点：第一，本专利技术中利用了雷达发射机打开时间与接收波门打开时间之间的关系，以及场景的参考平均高度来估计主天线场景回波的中心斜距，克服了脉冲重复频率过高引起的距离模糊问题。第二，本专利技术由于进行绝对相位模糊数估计的步骤比较简明，没有大量的运算，不需要大量的数据，能够提高雷达平台实时处理效率。第三，本专利技术中整幅场景的绝对相位模糊数是通过估计的主天线场景回波中心斜距得到的场景中心绝对相位，结合场景中心的解缠相位估计得到，不需要定标场对地面控制点进行精确位置定标，简化了计算流程。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为本专利技术的几何原理示意图；图3为本专利技术仿真时输入的解缠相位图；图4为本专利技术仿真时输入的解缠标志矩阵图；图5为用本专利技术生成仿真环境下回波数据所使用的基准数字高程图；图6为本专利技术用图5描述的基准数字高程图的回波数据所生成的实时数字高程图；图7为用本专利技术生成半实物仿真环境下回波数据所使用的基准数字高程图；图8为本专利技术用图7描述的基准数字高程图的回波数据所生成的实时数字高程图；具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的描述。参照附图1，本专利技术在基于现场可编程门阵列FPGA与多核心数字信号处理板TI DSPTMS320C6678的实时系统上实现，其具体实施步骤如下：步骤1，根据仿真回波用的基准数字高程图估算成像场景的参考平均高度h。参照图5和图7，所述的基准数字高程图为回波录取场景的数字高程图，根据该基准数字高程图估算成像场景的参考平均高度h，通过下式进行：h＝mean2(HDEM)； <5>其中，HDEM是基准数字高程图所对应的高度信息矩阵，mean2为2维求平均操作。步骤2，估计场景中心参考点P所在的采样单元i。2a)将波门打开时间相对雷达发射时间的延时t0与光速c相乘，所得商值除以2，得到主天线回波场景的最近斜距Rn。 R n = ct 0 2 ; - - - < 6 > ]]>2b)参照附图2，将雷达平台高度H与场景参考平均高度h作差，所得差值除以主天线下视角β的余弦值，得到中间变量R1′： R 1 = H - h c o s &be本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于粗数字高程图的InSAR绝对相位模糊估计方法，包括：(1)根据粗数字高程图确定场景的参考平均高度h；(2)获取主天线回波场景中心斜距R1：(2a)根据雷达发射时间与接收波门时间的关系，结合场景的参考平均高度，估计出场景中心所在的采样单元i：i＝round[(R1′‑Rn)/Rs]        <1>其中，为中间变量，β是主天线的下视角，H是主天线平台高度，h是参考平均高度；是主天线回波的最近斜距，是距离向采样间隔，t0是波门打开时间相对雷达发射时间的延时，c是光速，fs是距离向采样频率；round表示四舍五入取整操作；(2b)由(2a)所得参数获取主天线回波场景中心参考点斜距R1：R1＝Rn+i·Rs；      <2>(3)将整幅场景解缠之后的相位以及对应解缠相位的解缠标志矩阵作为输入数据，计算场景中心的解缠相位(4)根据InSAR成像的几何关系，计算场景中心参考点的绝对相位ψ：其中是辅天线回波的场景中心参考点斜距，为中间变量，B是基线长度，α是基线倾角，R1是主天线回波场景中心斜距，β是主天线的下视角；Q为系数，一发双收模式时Q＝1，自发自收模式时Q＝2，λ是载波波 长；(5)根据场景中心参考点的解缠相位和绝对相位ψ，计算整幅场景的模糊数k：其中，round表示四舍五入取整操作。(6)利用整幅场景的绝对相位模糊数k进行后续的干涉相位真实值求解及场景数字高程图反演。...

【技术特征摘要】
1.基于粗数字高程图的InSAR绝对相位模糊估计方法，包括：(1)根据粗数字高程图确定场景的参考平均高度h；(2)获取主天线回波场景中心斜距R1：(2a)根据雷达发射时间与接收波门时间的关系，结合场景的参考平均高度，估计出场景中心所在的采样单元i：i＝round[(R1′-Rn)/Rs] <1>其中，为中间变量，β是主天线的下视角，H是主天线平台高度，h是参考平均高度；是主天线回波的最近斜距，是距离向采样间隔，t0是波门打开时间相对雷达发射时间的延时，c是光速，fs是距离向采样频率；round表示四舍五入取整操作；(2b)由(2a)所得参数获取主天线回波场景中心参考点斜距R1：R1＝Rn+i·Rs； <2>(3)将整幅场景解缠之后的相位以及对应解缠相位的解缠标志矩阵作为输入数据，计算场景中心的解缠相位(4)根据InSAR成像的几何关系，计算场景中心参考点的绝对相位ψ：其中是辅天线回波的场景中心参考点斜距，为中间变量，B是基线长度，α是基线倾角，R1是主天线回波场景中心斜距，β是主天线的下视角；Q为系数，一发双收模式时Q＝1，自发自收模式时Q＝2，λ是载波波 长；(5)根据场景中心参考点的解缠相位和绝对相位ψ，计算整幅场景的模糊数k：其中，round表示四舍五入取整操作。(6)利用整幅场景的绝对相位模糊数k进行后续的干涉相位真实值求解及场景数字高程图反演。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2a)估计场景中心所在的采样单元，按如下步骤进行：(2a1)将雷达平台高度H与场景参考平均高度h作差，所得差值除以主天线下视角β的余弦值，得到中间变量R1′：(2a2)将波门打开时间相对雷达发射时间的延时t0与光速c相乘，所得结果除以2得到主天线回波最短斜距...

【专利技术属性】
技术研发人员：索志勇，李涵，张玮，杨志富，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61