一种基于后向投影的InSAR成像去平地一体化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于反向投影的InSAR成像去平地一体化方法，它是通过将后向投影算法引入InSAR成像，以场景地平面为成像空间，主、副天线分别单独进行后向投影成像，然后提取主、副复图像的干涉相位，不仅提高了干涉相位的保相精度，而且不需要进行去平地效应处理，简化了InSAR数据处理流程，提高了地形高程反演精度。通过残差点统计和主、副复图像相干性测试，可以验证本发明专利技术所提供方法得到的干涉相位质量明显好于通过传统InSAR成像方法得到的干涉相位质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达
，它特别涉及合成孔径雷达(SAR)成像

技术介绍
合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率的微波成像系统。合成孔径雷达利用大时宽带宽信号实现距离向高分辨率，依靠雷达和目标之间的相对运动来合成虚拟阵列获取方位向高分辨率，可以对照射场景进行二维成像。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)是一般SAR功能的延伸和扩展，是利用两个或者多个位置不同的天线观测同一个目标场景，根据目标到不同天线的斜距差获得测量数据的干涉相位，再通过平台与地面观测场景的几何关系反演出地面场景的数字高程信息的技术。由于具有全天时、全天候的特点，InSAR已经成为当前提取大面积地表三维图像和地形高程变化信息的一项重要遥感技术，在地形测绘、自然灾害监测和自然资源调查等领域发挥越来越大的作用。高保相的干涉相位是InSAR获取高精度地形数字高程模型(简称DEM)的基础，随着高程测量精度的不断提高，InSAR数据处理对干涉相位保相精度的要求也越来越高。传统的InSAR单视成像处理通常采用距离多普勒(简称RD)和变尺度(简称CS)等频域算法获取单视复图像，这些成像算法由于基于参考点成像，同时对平台运动轨迹作了近似直线处理，降低了 InSAR成像精度和干涉相位保持精度。另一方面，传统的InSAR数据处理需要在进行单视成像处理以后，进行去平地效应操作，通常是采用基于轨道参数等先验信息或基于离散傅里叶变换频移的去平地效应方法，这些方法均会引入相位误差，同时增加了 InSAR数据处理的复杂度。反向投影(简称BP)算法是一种基于时域相干处理的成像算法，其基本思想是通过计算成像区域内每一采样点到合成孔径长度内雷达天线相位中心之间的双程时延，然后将对应的时域回波信号进行相干累加，从而恢复出每个采样点的散射系数信息。后向投影算法不基于参考点成像，能够实现每个采样点的精确聚焦，同时后向投影算法的雷达天线相位中心物理意义清晰，能够精确计算每个方位时刻的回波延时相位，补偿平台抖动引入的相位误差，将其应用于InSAR单视成像处理，能够显著地提高干涉相位的保相精度，提高干涉相位质量。此外，通过在后向投影算法方位聚焦时，主天线补偿主天线的多普勒相位因子，副天线补偿副天线的多普勒相位因子，即主、副天线分别单独进行后向投影成像，得到主、副复图像，然后提取的干涉相位不需要进行去平地效应，即主、副复图像提取的干涉相位只包含地形高程信息，没有平地相位。
技术实现思路
为了得到高保相的去除平地效应的InSAR干涉相位，本专利技术提出了一种基于后向投影的InSAR成像方法，该方法实现在反向投影(BP)成像的同时实现去除平地效应，提高了 InSAR成像精度和干涉相位保持精度，最后提取的干涉相位只包含地形高程信息，简化了 InSAR数据处理流程。为了方便描述本专利技术的内容，首先作以下术语定义定义1、合成孔径雷达干涉测量(简称InSAR)合成孔径雷达干涉测量(InSAR)指利用两个或者两个以上的SAR数据中的相位信息进行相干处理，结合雷达参数和雷达几何位置信息反演地表三维及其变化信息的遥感技术，详见文献“合成孔径雷达成像原理”，皮亦鸣等编著，电子科技大学出版社出版。定义2、数字高程模型(简称DEM)数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是指利用一组有序数值阵列形式表示地表或地面高程的一种实体地面模型。本专利技术中DEM表示成一系列地面点的平面坐标X、Y和高程坐标Z组成的数据阵列。对于一个地面区域D，地形DEM表示为DEM= (Di I (Xi, y” Zi), i e D}其中(Xi，Yi)是第i个地面像素点对应的平面坐标，Zi是对应的高程坐标。 定义3、雷达成像空间雷达成像空间是指将场景空间中的散射点投影到距离向一方位向一高度向的三维空间坐标系，该空间由合成孔径雷达成像空间中的三个相互正交的坐标基确定。目前典型的合成孔径雷达成像空间包括距离向一方位向一高度向投影空间。本专利技术中用以下数学关系表不成像空间M M = {P(v,m) I Ρ(ν,ι/> = ν· , +ιι + H(v,u)-qh,u,VG R}其中1、1和&表示构成成像空间M的三个相互正交的坐标基，分别表示距离向、方位向和高度向。P(V1M)为成像空间中的采样点向量，U，V分别表示该点的距离向坐标和方位向坐标，H (V，u)表示该点的高度向坐标，H (V，u)与距离向坐标u和方位向坐标V存在 对应关系，R表不实数。定义4、合成孔径雷达后向投影算法后向投影算法是基于匹配滤波原理的合成孔径雷达成像算法，其主要通过相干累加实现合成孔径雷达数据的聚焦成像。详细内容可参考文献“Research on Anovel fastback projection algorithm for strip map bistatic SAR imaging”，Huang Yulin 等。定义5、天线相位中心天线相位中心是指雷达天线向外辐射信号的中心，本专利技术中天线相位中心指雷达平台天线的轨迹位置。定义6、合成孔径雷达标准距离压缩方法合成孔径雷达标准距离压缩方法是指利用合成孔径雷达发射参数，采用以下公式生成参考信号，并采用匹配滤波技术对合成孔径雷达的距离向信号进行滤波的过程。 Bj7 j7/(0 = εχρΟ'·Λ·· —-/2) ie 卜f，才]其中，j为虚数单位(即-1开根)，f(t)为距离压缩参考函数，B为雷达发射基带信号的信号带宽，I；为雷达发射信号脉冲宽度，t为时间变量，取值范围从-1到详见文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。定义7、辛格插值(sine插值)方法辛格插值方法是指对于一个带限信号，在满足采样定理的情况下，采用卷积核为sine的函数h(x)，h(x)的长度即窗长为W。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于后向投影的InSAR成像去平地一体化方法，其特征是它包括以下步骤：步骤1、初始化InSAR成像系统参数InSAR成像空间由InSAR成像空间中的三个相互正交的坐标基确定，定义与雷达平台速度方向平行并在地平面内的单位向量作为InSAR成像空间的第一个坐标基，记做该坐标基方向为方位向；定义在地平面内，并与InSAR成像空间的第一个坐标基垂直的单位向量作为InSAR成像空间的第二个坐标基，记做该坐标基方向为距离向；定义垂直于地平面向上的单位向量作为InSAR成像空间的第三个坐标基，记做该坐标基方位为高度向；InSAR雷达平台包含两组天线，即主天线和副天线，两组天线之间的距离为基线长，记做Bl，主天线发射脉冲信号，经过Td时间的延迟，主天线和副天线同时接收回波延迟信号；雷达平台主天线接收的回波数据，记做雷达平台副天线接收的回波数据，记做其中和均为二维矩阵，二维矩阵的第一维均对应方位向，第二维均对应距离向，即二维矩阵和的行存储的是方位向数据，二维矩阵和的列存储的是距离向数据；初始化InSAR成像系统参数包括：雷达系统工作的信号波长，记做λ，雷达平台主天线发射信号带宽，记做B，雷达平台主天线发射脉冲时宽，记做Tr，雷达平台接收系统采样频率，记做Fs，雷达系统脉冲重复频率，记做PRF，雷达平台一个合成孔径长度内的慢时刻个数，记做Nl，雷达平台速度矢量，记做雷达平台主天线初始位置矢量，记做雷达平台副天线初始位置矢量，记做场景参考点位置矢量，记做雷达系统距离向采样点数，记做Nr，雷达系统方位向采样点数，记做Na，场景距离向散射点间隔，记做dr，场景方位向散射点间隔，记做da，场景参考点到雷达平台主天线各慢时刻天线相位中 心的最短距离，记做Rmc，场景参考点到雷达平台副天线各慢时刻天线相位中心的最短距离，记做Rsc，场景参考点在雷达平台主天线回波数据和雷达平台副天线回波数据中的距离门相同，距离门位置记做Ic；对于场景散射点P(a,r)，a表示散射点位于场景方位向的第a个位置，a=1,...,sa，sa为场景方位向总的散射点数，r表示散射点位于场景距离向的第r个位置，r=1,...,sr，sr为场景距离向总的散射点数，场景散射点P(a,r)的低精度高程，记做H(a,r)；上述参数中，雷达系统工作的信号波长λ，雷达平台主天线发射的信号带宽B，雷达平台主天线发射的脉冲时宽Tr，雷达平台接收系统的采样频率Fs，雷达系统的脉冲重复频率PRF，两组天线之间的基线长Bl以及接收系统接收波门相对于发射信号发射波门的延迟Td在InSAR雷达系统设计过程中已经确定；雷达平台一个合成孔径长度内的慢时刻个数Nl，雷达平台速度矢量雷达平台主天线初始位置矢量雷达平台副天线初始位置矢量场景参考点位置矢量雷达系统距离向采样点数Nr，雷达系统方位向采样点数Na，场景距离向散射点间隔dr，场景方位向散射点间隔da，场景参考点到雷达平台主天线各慢时刻天线相位中心的最短距离Rmc，场景参考点到雷达平台副天线各慢时刻天线相位中心的最短距离Rsc，场景参考点在雷达平台主天线回波数据和雷达平台副天线回波数据中的距离门位置Ic以及场景散射点P(a,r)的低精度高程H(a,r)，a表示散射点位于场景方位向的第a个位置，a=1,...,sa，sa为场景方位向总的散射点数，r表示散射点位于场景距离向的第r个位置，r=1,...,sr，sr为场景距离向总的散射点数，在InSAR雷达成像观测方案设计中已经确定；根据InSAR雷达系统方案和InSAR雷达成像观测方案，以上基于后向投影的InSAR成像去平地一体化方法需要的初始化成像系统参数均为已知；步骤2：InSAR原始回波数据进行距离压缩采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法对雷达平台主天线距离向回波数据进行压缩，得到平台主天线距离压缩后数据，记做采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法对雷达平台副天线距离向回波数据进行压缩，得到平台副天线距离压缩后数据，记做步骤3、计算InSAR成像空间中散射点的距离史采用公式计算得到雷达平台主天线第n个慢时刻的天线相位中心矢量采用公式计算得到雷达平台副天线第n个慢时刻的天线相位中心矢量其中n表示第n个慢时刻，n=1,...,Na，Na为步骤1初始化得到的雷达系统方位向采样点数，PRF为步骤1初始化得到的雷达系统脉冲重复频率，为步骤1初始化得到的雷达平台速度矢量，为步骤1初始化得到的雷达平台主天线初始位置矢量，为步骤1初始化得到的雷达平台副天线初始位置矢量；采用公式P‾(a,r)=P&OverB...

【技术特征摘要】
1.一种基于后向投影的InSAR成像去平地一体化方法，其特征是它包括以下步骤 步骤1、初始化InSAR成像系统参数 InSAR成像空间由InSAR成像空间中的三个相互正交的坐标基确定，定义与雷达平台速度方向平行并在地平面内的单位向量作为InSAR成像空间的第一个坐标基，记做I，该坐标基方向为方位向；定义在地平面内，并与InSAR成像空间的第一个坐标基I垂直的单位向量作为InSAR成像空间的第二个坐标基，记做I，该坐标基方向为距离向；定义垂直于地平面向上的单位向量作为InSAR成像空间的第三个坐标基，记做5，该坐标基方位为高度向； InSAR雷达平台包含两组天线，即主天线和副天线，两组天线之间的距离为基线长，记做B1，主天线发射脉冲信号，经过Td时间的延迟，主天线和副天线同时接收回波延迟信号；雷达平台主天线接收的回波数据，记做，雷达平台副天线接收的回波数据，记做良，其中和E均为二维矩阵，二维矩阵的第一维均对应方位向，第二维均对应距离向，即二维矩阵i, 和S的行存储的是方位向数据，二维矩阵反,和良的列存储的是距离向数据； 初始化InSAR成像系统参数包括雷达系统工作的信号波长，记做λ，雷达平台主天线发射信号带宽，记做B，雷达平台主天线发射脉冲时宽，记做 ；，雷达平台接收系统采样频率，记做Fs，雷达系统脉冲重复频率，记做PRF，雷达平台一个合成孔径长度内的慢时刻个数，记做N1,雷达平台速度矢量，记做 ，雷达平台主天线初始位置矢量，记做尺(O)，雷达平台副天线初始位置矢量，记做天(O),场景参考点位置矢量，记做天，雷达系统距离向采样点数，记做队，雷达系统方位向采样点数，记做Na，场景距离向散射点间隔，记做4，场景方位向散射点间隔，记做da，场景参考点到雷达平台主天线各慢时刻天线相位中心的最短距离，记做Rm。，场景参考点到雷达平台副天线各慢时刻天线相位中心的最短距离，记做Rs。，场景参考点在雷达平台主天线回波数据和雷达平台副天线回波数据中的距离门相同，距离门位置记做I。；对于场景散射点P (a，r)，a表示散射点位于场景方位向的第a个位置，a=l,. . . , sa, sa为场景方位向总的散射点数，r表示散射点位于场景距离向的第r个位置，r=l,. . . , sr, &为场景距离向总的散射点数，场景散射点P(a，r)的低精度高程，记做H (a, r);上述参数中，雷达系统工作的信号波长λ，雷达平台主天线发射的信号带宽B，雷达平台主天线发射的脉冲时宽 ；，雷达平台接收系统的采样频率Fs，雷达系统的脉冲重复频率PRF，两组天线之间的基线长B1以及接收系统接收波门相对于发射信号发射波门的延迟Td在InSAR雷达系统设计过程中已经确定；雷达平台一个合成孔径长度内的慢时刻个数N1,雷达平台速度矢量f，雷达平台主天线初始位置矢量I,(O)，雷达平台副天线初始位置矢量,场景参考点位置矢量& ,雷达系统距离向采样点数队，雷达系统方位向采样点数Na，场景距离向散射点间隔4，场景方位向散射点间隔da，场景参考点到雷达平台主天线各慢时刻天线相位中心的最短距离Rm。，场景参考点到雷达平台副天线各慢时刻天线相位中心的最短距离Rs。，场景参考点在雷达平台主天线回波数据和雷达平台副天线回波数据中的距离门位置Ic以及场景散射点P(a，r)的低精度高程H (a，r)，a表示散射点位于场景方位向的第a个位置，a=l, . . . , sa, sa为场景方位向总的散射点数，r表示散射点位于场景距离向的第r个位置，r=l,. . . , sr, sr为场景距离向总的散射点数，在InSAR雷达成像观测方案设计中已经确定；根据InSAR雷达系统方案和InSAR雷达成像观测方案，以上基于后向投影的InSAR成像去平地一体化方法需要的初始化成像系统参数均为已知；步骤2 :1nSAR原始回波数据进行距离压缩 采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法对雷达平台主天线距离向回波数据瓦进行压缩，得到平台主天线距离压缩后数据，记做; 采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法对雷达平台副天线距离向回波数据S,进行压缩，得到平台副天线距离压缩后数据，记做瓦； 步骤3、计算InSAR成像空间中散射点的距离史 采用公式￥,,, (H) = , (O)+f. η / /W计算得到雷达平台主天线第η个慢时刻的天线相位中心矢量F , (η)，采用公式瓦(《) = , (O) + . η /P_i F计算得到雷达平台副天线第η个慢时刻的天线相位中心矢量？4 )，其中η表示第η个慢时刻，n=l,. . . , Na, Na为步骤I初始化得到的雷达系统方位向采样点数，PRF为步骤I初始化得到的雷达系统脉冲重复频率，V为步骤I初始化得到的雷达平台速度矢量，P,,.(O)为步骤I初始化得到的雷达平台主天线初始位置矢量，瓦(O)为步骤I初始化得到的雷达平台副天线初始位置矢量；采用公式歹0，r) =艮+ (r-l).d+(a-1)<·ξ,+丑04. 计算得到场景采样点P(a，r)的位置矢量，其中a表示散射点位于场景方位向的第a个位置，a=l，...，sa，Sa为场景方位向总的散射点数，r表示散射点位于场景距离向的第r个位置，r=l,. . . , sr, sr为场景距离向总的散射点数，dr为步骤I初始化得到的场景距离向散射点间隔，da为步骤I初始化得到的场景方位向散射点间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，付涛，师君，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：