基于分形布朗运动的干涉SAR影像仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分形布朗运动的干涉SAR影像仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1，基于分形布朗运动(fBm)仿真SAR影像的外接DEM；步骤S2，使用在步骤S1仿真的所述SAR影像的外接DEM仿真所述SAR影像的相位；步骤S3，使用在步骤S1仿真的所述SAR影像的外接DEM仿真所述SAR影像的振幅；步骤S4，基于步骤S2仿真得到的SAR影像的相位和步骤S3仿真得到的SAR影像的振幅，仿真所述SAR影像。本发明专利技术仿真过程中采用的参数具有极好的工程应用性，能够确保所有的误差来源不会与干涉几何状态有太大关联，从而使得研究人员能够基于本发明专利技术得到更为精确的误差仿真结论。

SAR image simulation method based on fractal Brownian motion

【技术实现步骤摘要】
基于分形布朗运动的干涉SAR影像仿真方法
本专利技术涉及雷达图像处理
，特别涉及一种基于分形布朗运动的干涉SAR影像仿真方法。
技术介绍
合成孔径雷达干涉(InSAR)技术已经成为了最为有效的全球测图手段之一。现阶段，SRTM提供了全球56°S～60°N范围内的数字高程模型(DEM)数据，其标称精度达到了16m，格网大小30米，在全球尺度的科研以及工程应用中发挥了不可估量的作用。在2016年，德宇航宣布完成了全球DEM的测绘，90％地区的精度为3.5米，如果不考虑南极地区，全球90％地区的精度则达到了1.3米，数据已经可以用于精细的军事化定位和军事目标识别。InSAR地形测绘的巨大潜力，使得InSAR技术在工程应用上迎来了一个新的时代。然而，我国干涉SAR卫星尚不具备业务化运行能力，数据匮乏。现阶段我国可用的SAR卫星只有高分三号，但高分三号并没有针对干涉性能进行专门的设计，因此干涉性能较差。先期实验结果表明，在接近300景的高分三号影像中只能够形成不到10对干涉对。因此，使用模拟仿真的方法获取干涉对，并基于此进行InSAR地形测绘相关技术研究，是进行国产SAR卫星指标论证、数据处理以及测量检校研究的重要途径。现阶段干涉影像仿真过程中多采用真实的DEM数据，例如SRTM数据，完成干涉对数据的生成。这种仿真方法虽然能够在一定程度上满足干涉测量的基本要求，然而SRTM的DEM数据最高空间分辨率只有30米，无法满足高空间分辨率的仿真需求，而更高分辨率的DEM数据无法免费获取，仿真成本极高。分形布朗运动(fractionalBrownianmotion,fBm)是一种二维随机运动，这种随机运动具有自相似性以及长距离相关性。同样的，在地学研究过程中，所有的地学信息在一定的距离内都有较好的自相似性。特别是对于地形来说，虽然较小尺度内的地形差异较大，然而在宏观尺度上来看，地形的相似性极高，例如山地地区一般可绵延数十乃至数百公里，而我国东部平原地区则可以绵延数千公里。地形的这种分布特征与fBm的特征极为一致。fBm在SAR影像中主要用于后向散射系数的仿真，或者进行SAR影像的海波分析，而极少用于干涉影像仿真过程。fBm是纯数学模型，能够以定量的方式表征InSAR处理过程中的高程在方位向和距离向的统计特征，现有技术在干涉影像仿真过程中尚未用到fBm。本专利技术则从仿真层面出发，以fBm模型为基础，开展地形仿真，几何参数仿真，干涉相位仿真，后向散射系数仿真，干涉影像仿真，提供可用于干涉处理的干涉对，完成影像的全链路仿真分析。本专利技术拟为国产SAR卫星的立项发射提供仿真依据。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于分形布朗运动的干涉SAR影像仿真方法，所述方法包括以下步骤：步骤S1，基于分形布朗运动(fBm)仿真SAR影像的外接DEM；步骤S2，使用在步骤S1仿真的所述SAR影像的外接DEM仿真所述SAR影像的相位；步骤S3，使用在步骤S1仿真的所述SAR影像的外接DEM仿真所述SAR影像的振幅；步骤S4，基于步骤S2仿真得到的SAR影像的相位和步骤S3仿真得到的SAR影像的振幅，仿真所述SAR影像。优选的，步骤S1具体包括以下子步骤：步骤S1.1，从现有SAR影像中选取一个干涉影像对，指定其中一景影像为主影像，另一景影像为从影像，并提取所述主影像和所述从影像的成像几何参数；步骤S1.2，构建斜距-多普勒(R-D)模型，并基于所述主影像的成像几何参数和构建的R-D模型，确定所述主影像对应的外接DEM参数；步骤S1.3，使用分形布朗运动(fBm)仿真所述主影像的外接DEM。优选的，步骤S1.2具体包括以下子步骤：步骤S1.2.1，构建斜距方程。如下所示：其中，R0是近地点斜距，△R是斜距分辨率，(XS,YS,ZS)是成像时刻的卫星坐标，(XP,YP,ZP)是地面点的三维坐标，x为地面点在所述主影像中的距离向像素坐标；步骤S1.2.2，构建多普勒方程，如下所示：其中，(VXSVYSVZS)为成像时刻的卫星速度，(XS,YS,ZS)为成像时刻的卫星坐标，(XP,YP,ZP)是地面点的三维坐标，fd为多普勒效应值，λ为雷达波长，R0是近地点斜距，△R是斜距分辨率，x为地面点在所述主影像中的距离向像素坐标；步骤S1.2.3，构建椭球方程，如下所示：其中，(XP,YP,ZP)是地面点的三维坐标，h为地面点的高程，Re与Rp分别为椭球的赤道半径与极半径；步骤S1.2.4，利用步骤1.2.1-1.2.3构建的斜距方程、多普勒方程和椭球方程，解算所述主影像的角点坐标；步骤S1.2.5，根据所述主影像的角点坐标，确定所述主影像的外接DEM参数。优选的，步骤S1.3具体包括以下子步骤：步骤S1.3.1，计算能够提供满足fBm特征的二维矩阵的循环分块矩阵；步骤S1.3.2，步骤S1.3.2，计算与所述循环分块矩阵有相同协方差的随机场；步骤S1.3.3，对在S1.3.2中获取的随机场进行改正，得到最终的SAR影像的外接DEM。优选的，步骤S1.3.2具体包括以下子步骤：步骤S1.3.2.1，计算所述循环分块矩阵的特征值；步骤S1.3.2.2，生成二维复随机场；步骤S1.3.2.3，将步骤S1.3.2.1获取的特征值构成特征值矩阵，并与步骤S1.3.2.2生成的所述二维复随机场相乘，计算得到与所述循环分块矩阵有相同协方差的随机场；步骤S1.3.2.4，对S1.3.2.3获取的随机场进行傅里叶变换，并抽取傅里叶变换后的随机场的正频部分的数据；步骤S1.3.2.5，使用S1.3.2.4中得到的傅里叶变换的正频数据解算独立随机场，得到与所述正频数据的实部和虚部分别对应的两个独立随机场；步骤S1.3.2.6，将所述两个独立随机场的数据进行拉伸变换，得到拉伸变换后的随机场。优选的，步骤S1.3.3具体包括以下子步骤：步骤S1.3.3.1，为所述随机场添加增量平稳特性；步骤S1.3.3.2，将步骤S1.3.3.1获得的具有增量平稳特性的随机场的数据进行拉伸变换；步骤S1.3.3.3，将步骤S1.3.2.6获得的随机场与步骤S1.3.3.2获得的随机场相加；步骤S1.3.3.4，将步骤S1.3.3.3获得的随机场拉伸到指定高程范围。优选的，步骤S2具体包括以下子步骤：步骤S2.1，使用所述SAR影像的外接DEM仿真所述主影像和所述从影像的干涉相位；步骤S2.2，使用随机噪声模型仿真从影像的相位；步骤S2.3，使用步骤S2.1得到的所述从影像的干涉相位和步骤S2.2得到的所述从影像的相位，计算所述主影像的相位；其中：所述主影像的相位的表达式为其中，为步骤S2.2获得的从影像的相位，为主影像像素空间中每个像素点的干涉相位，为噪声相位。优选的，步骤S2.1具体包括以下子步骤：步骤S2.1.1，将步骤S1仿真得到的DEM转换到SAR影像空间；步骤S2.1.2，使用通过步骤S2.1.1转换后的DEM，计算SAR影像空间中每个像素点的垂直基线和平行基线；步骤S2.1.3，使用步骤S2.1.2得到的垂直基线和平行基线计算干涉相位。优选的，步骤S3具体包括以下子步骤：步骤S3.1，仿真所述主影像的振幅；步骤S3.2，仿真所述从影像的振幅；其中，步骤S3.1具体包括以下子步骤：步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分形布朗运动的干涉SAR影像仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1，基于分形布朗运动(fBm)仿真SAR影像的外接DEM；步骤S2，使用在步骤S1仿真的所述SAR影像的外接DEM仿真所述SAR影像的相位；步骤S3，使用在步骤S1仿真的所述SAR影像的外接DEM仿真所述SAR影像的振幅；步骤S4，基于步骤S2仿真得到的SAR影像的相位和步骤S3仿真得到的SAR影像的振幅，仿真所述SAR影像。

【技术特征摘要】
1.一种基于分形布朗运动的干涉SAR影像仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1，基于分形布朗运动(fBm)仿真SAR影像的外接DEM；步骤S2，使用在步骤S1仿真的所述SAR影像的外接DEM仿真所述SAR影像的相位；步骤S3，使用在步骤S1仿真的所述SAR影像的外接DEM仿真所述SAR影像的振幅；步骤S4，基于步骤S2仿真得到的SAR影像的相位和步骤S3仿真得到的SAR影像的振幅，仿真所述SAR影像。2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S1具体包括以下子步骤：步骤S1.1，从现有SAR影像中选取一个干涉影像对，指定其中一景影像为主影像，另一景影像为从影像，并提取所述主影像和所述从影像的成像几何参数；步骤S1.2，构建斜距-多普勒(R-D)模型，并基于所述主影像的成像几何参数和构建的R-D模型，确定所述主影像对应的外接DEM参数；步骤S1.3，使用分形布朗运动(fBm)仿真所述主影像的外接DEM。3.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤S1.2具体包括以下子步骤：步骤S1.2.1，构建斜距方程。如下所示：其中，R0是近地点斜距，△R是斜距分辨率，(XS,YS,ZS)是成像时刻的卫星坐标，(XP,YP,ZP)是地面点的三维坐标，x为地面点在所述主影像中的距离向像素坐标；步骤S1.2.2，构建多普勒方程，如下所示：其中，(VXSVYSVZS)为成像时刻的卫星速度，(XS,YS,ZS)为成像时刻的卫星坐标，(XP,YP,ZP)是地面点的三维坐标，fd为多普勒效应值，λ为雷达波长，R0是近地点斜距，△R是斜距分辨率，x为地面点在所述主影像中的距离向像素坐标；步骤S1.2.3，构建椭球方程，如下所示：其中，(XP,YP,ZP)是地面点的三维坐标，h为地面点的高程，Re与Rp分别为椭球的赤道半径与极半径；步骤S1.2.4，利用步骤1.2.1-1.2.3构建的斜距方程、多普勒方程和椭球方程，解算所述主影像的角点坐标；步骤S1.2.5，根据所述主影像的角点坐标，确定所述主影像的外接DEM参数。4.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤S1.3具体包括以下子步骤：步骤S1.3.1，计算能够提供满足fBm特征的二维矩阵的循环分块矩阵；步骤S1.3.2，步骤S1.3.2，计算与所述循环分块矩阵有相同协方差的随机场；步骤S1.3.3，对在S1.3.2中获取的随机场进行改正，得到最终的SAR影像的外接DEM。5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤S1.3.2具体包括以下子步骤：步骤S1.3.2.1，计算所述循环分块矩阵的特征值；步骤S1.3.2.2，生成二维复随机场；步骤S1.3.2.3，将步骤S1.3.2.1获取的特征值构成特征值矩阵，并与步骤S1.3.2.2生成的所述二维复随机场相乘，计算得到与所述循环分块矩阵有相同协方差的随机场；步骤S1.3.2.4，对S1.3.2.3获取的随机场进行傅里叶变换，并抽取傅里叶变换后的随机场的正频部分的数据；步骤S1.3.2.5，使用S1.3.2.4中得到的傅里叶变换的正频数据解算独立随机场，得到与所述正频数据的实部和虚部分别对应的两个独立随机场；步骤S1.3.2.6，将所述两个独立随机场的数据进行拉伸变换，得到拉伸变换后的随机场。6.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤S1.3.3具体包括以下子步骤：步骤S1.3.3.1，为所述随机场添加增量平稳特性；步骤S1.3.3.2，将步骤S1.3.3.1获得的具有增量平稳特性的随机场的数据进行拉伸变换；步骤S1.3.3.3，将步骤S1.3.2.6获得的随机场与步骤S1.3.3.2获得的随...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，唐新明，陈乾福，高小明，
申请(专利权)人：自然资源部国土卫星遥感应用中心，
类型：发明
国别省市：北京,11