混合基线双天线斜视干涉SAR洋流测量性能确定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种混合基线的双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能确定方法，包括，1)建立观测几何，给出相应构型下的洋流测量速度表达式；2)给出洋流测量敏感度表达式；3)分析了相干性影响因素，建立了干涉相干性表达式，并求得干涉相位误差；4)根据洋流测量敏感度表达式和各影响因素误差，求取总的干涉测速误差。该种构型是在长交轨基线双天线干涉SAR系统基础上通过天线波束斜视获得顺轨基线进而实现顺轨干涉测流速，在不增加其他任何硬件设置和不需要卫星姿态机动的情况下，增加了卫星工作模式，提升了卫星系统效能，符合遥感卫星向一星多能发展的趋势。本发明专利技术方法的提出对后续的斜视顺轨干涉SAR洋流测量系统的性能分析具有很好的借鉴意义。

Determination method and system of current measurement performance for hybrid baseline dual antenna squint interferometric SAR

【技术实现步骤摘要】
混合基线双天线斜视干涉SAR洋流测量性能确定方法及系统
本专利技术属于卫星微波遥感
，涉及多模式星载干涉SAR(InterferometricSyntheticApertureRadar)系统的一种基于混合基线的斜视顺轨干涉SAR洋流测量模式的系统完整的性能确定方法。
技术介绍
星载合成孔径雷达(SAR)通过对地球表面主动微波成像，既记录地面分辨单元的雷达后向散射强度信息，也记录与斜距有关的相位信息。干涉SAR(InSAR)通过在交轨/顺轨方向两次对覆盖同一地区的两幅雷达图像的干涉处理提取相差图即干涉图，可以提取地表高程信息或场景(目标)的运动信息，建立数字三维地形模型或获取海面流场信息，即交轨干涉SAR(Cross-trackInSAR)和顺轨干涉SAR(Along-trackInSAR)。已发射的专用于地形高程测绘的卫星系统有美国的SRTM(ShuttleRadarTopographyMission)和德国的TanDEM-X/TerraSAR-X双星系统。SRTM是2000年2月美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)以及德国与意大利共同开展的地形测绘计划，用11天对北纬60°和南纬56°之间区域进行了C/X双波段干涉成像测绘，测绘地域面积超过全球陆地面积的80％，标称的绝对高程精度为10m(1σ)，相对高程精度为6m(1σ)，绝对平面精度为12m(1σ)，相对平面精度为9m(1σ)。TanDEM-X任务是德国利用2006年发射的TerraSAR-X和2010年发射的TanDEM-X双星实现全球陆地高程高精度测绘任务，标称的绝对高程精度10m，相对高程精度2m，实际绝对高程精度达到2m以内，相对高程精度达到1m以内，截止2014年底已经完成了2次全球陆地高程测量。目前还没有在轨应用的干涉SAR洋流测量卫星，但多个SAR卫星系统利用方位向多通道或多个天线开展了顺轨干涉SAR洋流测量试验。SRTM利用主副天线间7m长的顺轨物理基线进行了试验，1km分辨率上流场测量精度达到0.2m/s。TerraSAR-X可采用双孔径接收或子孔径切换模式实现顺轨干涉测量，在1km分辨率下流场测量精度可达0.1m/s。TanDEM-X/TerraSAR-X双星作业时的顺轨基线长度在0～500m，分辨率为33m时达到的测流精度为0.1m/s。我国的高分三号卫星也开展了顺轨干涉洋流测量试验。此外，随着各领域对二维流场测量的需求，国际上也在论证洋流矢量测量卫星，如wavemill系统，利用前后视两对波束，获取前后两个方向的洋流速度，进而合成二维洋流速度，该系统尚处于概念研究和方案设计阶段。除了洋流矢量测量卫星需要工作于斜视顺轨干涉SAR模式外，上述星载顺轨干涉SAR洋流测量试验都是在正侧视模式开展，目前还没有斜视顺轨干涉SAR系统或工作模式经过在轨试验，也没有针对存在斜视角和混合基线情况下的系统的干涉SAR洋流测量性能分析方法。本文提出了针对一种在交轨干涉基线基础上通过波束斜视获得混合基线分量进而实现顺轨干涉洋流测量的系统的性能分析方法。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对存在混合基线分量和斜视角的顺轨干涉SAR系统，提出了相应的洋流测量性能确定方法，为后续该类系统洋流测量性能方法的分析提供了参考。本专利技术的技术解决方案是：一种混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能确定方法，步骤如下：(1)建立斜视双天线干涉SAR成像几何模型，根据该几何模型得到顺轨基线长度表达式；(2)根据所述顺轨基线长度表达式，确定干涉相位表达式；(3)根据所述干涉相位表达式，确定洋流速度表达式；(4)根据所述洋流速度表达式，建立洋流测量敏感度表达式；(5)建立了干涉相干性表达式，并求得干涉相位误差；(6)根据所述步骤(4)确定的洋流测量敏感度表达式以及步骤(5)得到的干涉相位误差，求取总的干涉测速误差，完成混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能的确定。进一步的，所述建立斜视双天线干涉SAR成像几何模型，具体为：建立当地地平坐标系XYZ-O，坐标系原点O为主天线波束中心照射场景中心时刻主天线位置在地面的投影，X轴平行于物理基线方向，Z轴垂直于当地水平面指向地球内部，Y轴成右手定则，卫星运动方向平行于Y轴；α为基线角，为基线矢量与当地地平面的夹角；建立目标坐标系xyz-o：其中原点o为成像场景中心，x、y、z方向分别平行于X、Y、Z轴；洋流仅沿x方向运动，速度为υx，物理基线长为B，卫星轨道高度为H，即天线1和天线2在XYZ-O坐标系中的位置分别为(0,0,H)和(Bcosα,0,H+Bsinα)，成像场景中心距离主天线的斜距Rc，波束斜视角θs，雷达视线在垂直于航迹的平面内的下视角为θv，雷达视线在地面投影与+X方向的夹角θy，有tan(θy)＝tan(θs)/sin(θv)。进一步的，根据该几何模型得到顺轨基线长度表达式，具体为：顺轨基线长度为BAT＝B·cos(α)·tan(θy)。进一步的，顺轨基线长度表达式，确定干涉相位表达式，具体为：其中，Δφ为乒乓模式时两副天线回波间的干涉相位，υr为投影到径向方向的洋流速度，υr＝υxsinθvcosθs，υorb为卫星运动速度，BAT为顺轨基线长度，λ为载荷工作波长，B为物理基线长度，α为基线角，θs为波束斜视角，θv为雷达视线在垂直于航迹的平面内的下视角。进一步的，洋流速度表达式，具体为：进一步的，洋流测量速度的敏感度方程为：其中，为求偏导符号，υr为投影到径向方向的洋流速度，υorb为卫星运动速度，BAT为顺轨基线长度，λ为载荷工作波长，B为物理基线长度，α为基线角，θs为波束斜视角，θv为雷达视线在垂直于航迹的平面内的下视角，Δφ为乒乓模式时两副天线间的干涉相位。进一步的，干涉相干性表达式具体为：干涉相干性表达式如下：γtotal＝γgeom·γSNR·γtemp·γΔfdc·γamb·γvol·γreg·γquant其中γtotal为总干涉去相干系数，γgeom为几何去相干、γSNR为信噪比去相干γtemp为时间去相干，γΔfdc为多普勒去相干，γamb为模糊去相干，γvol为体散射去相干，γreg为配准去相干，γquant为量化去相干。干涉相位误差为：其中，NL为总多视视数。进一步的，求取总的干涉测速误差，具体为：其中，为总的径向洋流速度测量误差，υr为投影到径向方向的洋流速度，υorb为卫星运动速度，BAT为顺轨基线长度，Δφ为两副天线间的干涉相位，σΔφ为干涉相位测量误差，为卫星速度测量误差，为顺轨基线长度测量误差。进一步的，本专利技术还提出一种洋流测量性能确定系统，包括：模型建立模块：建立斜视双天线干涉SAR成像几何模型，根据该几何模型得到顺轨基线长度表达本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能确定方法，其特征在于步骤如下：/n(1)建立斜视双天线干涉SAR成像几何模型，根据该几何模型得到顺轨基线长度表达式；/n(2)根据所述顺轨基线长度表达式，确定干涉相位表达式；/n(3)根据所述干涉相位表达式，确定洋流速度表达式；/n(4)根据所述洋流速度表达式，建立洋流测量敏感度表达式；/n(5)建立了干涉相干性表达式，并求得干涉相位误差；/n(6)根据所述步骤(4)确定的洋流测量敏感度表达式以及步骤(5)得到的干涉相位误差，求取总的干涉测速误差，完成混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能的确定。/n

【技术特征摘要】
1.混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能确定方法，其特征在于步骤如下：
(1)建立斜视双天线干涉SAR成像几何模型，根据该几何模型得到顺轨基线长度表达式；
(2)根据所述顺轨基线长度表达式，确定干涉相位表达式；
(3)根据所述干涉相位表达式，确定洋流速度表达式；
(4)根据所述洋流速度表达式，建立洋流测量敏感度表达式；
(5)建立了干涉相干性表达式，并求得干涉相位误差；
(6)根据所述步骤(4)确定的洋流测量敏感度表达式以及步骤(5)得到的干涉相位误差，求取总的干涉测速误差，完成混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能的确定。


2.根据权利要求1所述的混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能确定方法，其特征在于：所述建立斜视双天线干涉SAR成像几何模型，具体为：
建立当地地平坐标系XYZ-O，坐标系原点O为主天线波束中心照射场景中心时刻主天线位置在地面的投影，X轴平行于物理基线方向，Z轴垂直于当地水平面指向地球内部，Y轴成右手定则，卫星运动方向平行于Y轴；α为基线角，为基线矢量与当地地平面的夹角；
建立目标坐标系xyz-o：其中原点o为成像场景中心，x、y、z方向分别平行于X、Y、Z轴；
洋流仅沿x方向运动，速度为υx，物理基线长为B，卫星轨道高度为H，即天线1和天线2在XYZ-O坐标系中的位置分别为(0,0,H)和(Bcosα,0,H+Bsinα)，成像场景中心距离主天线的斜距Rc，波束斜视角θs，雷达视线在垂直于航迹的平面内的下视角为θv，雷达视线在地面投影与+X方向的夹角θy，有tan(θy)＝tan(θs)/sin(θv)。


3.根据权利要求2所述的混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能确定方法，其特征在于：根据该几何模型得到顺轨基线长度表达式，具体为：
顺轨基线长度为BAT＝B·cos(α)·tan(θy)。


4.根据权利要求1所述的混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能确定方法，其特征在于：所述步骤(2)根据所述顺轨基线长度表达式，确定干涉相位表达式，具体为：



其中，Δφ为乒乓模式时两副天线回波间的干涉相位，υr为投影到径向方向的洋流速度，υr＝υxsinθvcosθs，υorb为卫星运动速度，BAT为顺轨基线长度，λ为载荷工作波长，B为物理基线长度，α为基线角，θs为波束斜视角，θv为雷达视线在垂直于航迹的平面内的下视角。


5.根据权利要求1所述的混合基线双天线斜视顺轨干涉SAR洋流测量性能确定方法，其特征在于：步骤(3)洋流速度表达式，具体为：



其中，υr为投影到径向方向的洋流速度，υr＝υxsinθvcosθs，υorb为卫星运动速度，BAT为顺轨基线长度，λ为载荷工作波长，B为物理基线长度，α为基线角，θs为波束斜视角，θv为雷达视线在垂直于航迹的平面内的下视角，Δφ为乒乓模式时两副天线间的干涉相位。


6.根据权利要求1所述的混合基线双天线斜视...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆君，尹建凤，刘杰，刘久利，王涛，孔维亚，蔡娅雯，张驰，任晶晶，陈亮，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京;11