[发明专利]一种干涉SAR数据成像及高程估计方法

摘要

本发明公开了一种干涉SAR数据成像及高程估计方法，它是基于后向投影成像理论，利用干涉SAR后向投影算法成像过程中干涉相位与地形高程之间的对应关系，借助成像空间地形高程为真实地形高程时所获得的干涉相位最小原理，通过最速下降法寻找干涉相位最小时对应的地形高程，最后将干涉SAR数据投影到最速下降法估计得到的最佳成像空间地形高程进行成像，从而实现了干涉SAR回波数据成像与高程估计的同步处理。与现有技术相比，本发明减小了地形高程起伏导致的干涉SAR图像畸变效应，提高了地形高程起伏情况下干涉SAR成像图像质量和地形高程估计精度。

主权项

一种干涉SAR数据成像及高程估计一体化方法，其特征是它包括以下步骤：步骤1、初始化干涉SAR成像雷达系统参数：初始化干涉SAR成像雷达系统参数，包括：雷达系统工作的信号载波波长，记为λ，雷达平台主天线发射信号带宽，记为B，雷达发射脉冲时宽，记为Tr，雷达平台接收系统的采样频率，记为Fs，主天线雷达入射角，记为θ，主副天线之间的垂直基线长，记为B⊥，基线与水平方向夹角，记为α，雷达脉冲重复频率，记为PRF，平台运动速度矢量，记为Vr，干涉SAR雷达系统距离向采样点数，记为Nr，干涉SAR雷达系统方位向采样点数，记为Na，干涉SAR雷达系统主天线初始位置，记为PM(0)，干涉SAR雷达系统副天线初始位置，记为PS(0)；上述参数中，雷达系统工作的信号载波波长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、主天线雷达入射角θ、主副天线之间的垂直基线长B⊥、基线与水平方向夹角α，雷达脉冲重复频率PRF，在干涉SAR雷达系统设计过程中已经确定；平台运动速度矢量Vr，干涉SAR雷达系统距离向采样点数Nr、干涉SAR雷达系统方位向采样点数Na、干涉SAR雷达系统主天线初始位置PM(0)、干涉SAR雷达系统副天线初始位置PS(0)在干涉SAR雷达成像观测方案设计中已经确定；步骤2、获取干涉SAR雷达系统主副天线的原始回波数据：干涉SAR雷达系统主天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据，记为Em(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，其中t和k为自然数，t表示距离向第t个快时刻，k表示方位向第k个慢时刻，Nr为步骤1初始化得到的干涉SAR雷达系统距离向采样点数，Na为步骤1初始化得到的干涉SAR雷达系统方位向采样点数；干涉SAR雷达系统副天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据，记为Es(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na；在干涉SAR实际成像中，干涉SAR雷达系统主天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据Em(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，和干涉SAR雷达系统副天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据Es(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，可由干涉SAR雷达系统数据接收机提供；步骤3、对干涉SAR雷达系统主副天线原始回波数据进行距离压缩：采用标准合成孔径雷达标准距离压缩方法对步骤2中得到的干涉SAR雷达系统主天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据Em(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，进行距离压缩得到干涉SAR雷达系统主天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的距离压缩后数据，记为Sm(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，其中t表示距离向第t个快时刻，k表示方位向第k个慢时刻；采用传统标准合成孔径雷达标准距离压缩方法对步骤2中得到的干涉SAR雷达系统副天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的原始回波数据Es(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，进行距离压缩得到干涉SAR雷达系统副天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的距离压缩后数据，记为Ss(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na；步骤4、初始化干涉SAR投影成像空间的参数：初始化干涉SAR投影成像空间为地平面坐标系，该坐标系水平横轴记为X轴，该坐标系水平纵轴记为Y轴，雷达投影成像空间的中心坐标位于[0,0]，雷达投影成像空间的X轴向分辨单元数，记为Nx，雷达投影成像空间的Y轴向分辨单元数，记为Ny，雷达投影成像空间的X轴向成像范围，记为Wx，雷达投影成像空间的Y轴向成像范围，记为Wy，干涉SAR雷达系统到投影成像空间的参考斜距，记为R，将干涉SAR投影成像空间均匀等间隔进行划分，投影成像空间中第a个Y轴向和第r个X轴向分辨单元的位置矢量，记为PT(a,r)＝[x(a,r),y(a,r)]，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中a和r均为自然数，a表示投影空间中X轴向的第a个分辨单元，r表示投影空间中Y轴向的第r个分辨单元，x(a,r)和y(a,r)分别表示投影成像空间中第a个Y轴向第r个X轴向分辨单元的X轴向位置、Y轴向位置；步骤5、初始化干涉SAR地形高度估计算法的参数：初始化干涉SAR地形高度估计算法参数包括：地形高度估计的窗口大小，记为WSize，相关系数阈值，记为ρT，相关系数计算的窗口大小，记为WS；步骤6、获取投影成像空间低精度的地形高程：令步骤4得到的投影成像空间中第a个Y轴向和第r个X轴向分辨单元的位置矢量 PT(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，的地形高程为0，采用标准后向投影成像算法将干涉SAR雷达系统主天线的距离压缩后数据Sm(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，投影到该投影成像空间进行成像处理，得到干涉SAR雷达系统主天线投影成像空间成像结果，记为Im(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中Sm(t,k)为步骤3得到的干涉SAR雷达系统主天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的距离压缩后数据；采用标准后向投影成像算法对干涉SAR雷达系统副天线距离压缩后数据Ss(t,k)，t＝1,2,…,Nr，k＝1,2,…,Na，投影到投影成像空间进行成像处理，得到干涉SAR雷达系统副天线投影成像空间成像结果，记为Is(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中Ss(t,k)为步骤3得到的干涉SAR雷达系统副天线在距离向第t个快时刻方位向第k个慢时刻的距离压缩后数据；对于投影成像空间地形高程为0条件下所得的干涉SAR雷达系统主副天线投影成像空间成像结果Im(a,r)和Is(a,r)，采用标准干涉SAR高程估计方法进行投地形高程估计，得到干涉SAR雷达系统投影成像空间低相干分辨单元的地形高程结果，记为Z(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny；步骤7、计算投影成像空间干涉SAR主副图像的相关系数：在采用公式a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，相关系数计算的窗口大小为WS条件下得到的干涉SAR雷达系统主副天线图像在投影成像空间中分辨单元的相关系数，记为a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中表示在计算窗口大小为WS条件下数学期望运算符号，*表示共轭运算符号，|·|表示绝对值运算符号，表示开根方运算符号，Im(a,r)和Is(a,r)为步骤6得到的投影成像空间地形高程为0条件下所得的干涉SAR雷达系统主副天线投影成像空间成像结果，WS为步骤5初始化得到的相关系数计算的窗口大小；步骤8、利用相关系数阈值对成像空间进行划分：若干涉SAR雷达系统主副天线图像在投影成像空间中分辨单元的相关系数a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，则将该分辨单元划分为干涉SAR投影成像空间高 相干分辨单元，记为QH(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny；若干涉SAR雷达系统主副天线图像在投影成像空间中分辨单元的相关系数则将该分辨单元划分为干涉SAR投影成像空间低相干分辨单元，记为QL(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny；其中为步骤7得到的干涉SAR雷达系统主副天线图像在投影成像空间中分辨单元的相关系数，ρT为步骤5得到的相关系数阈值；步骤9、采用标准后向投影成像算法对分辨单元进行投影成像处理采用公式计算得到干涉SAR雷达系统的高度模糊度，记为Z2π，其中λ为步骤1初始化得到的雷达系统工作的信号载波波长，R为步骤4初始化得到的干涉SAR雷达系统到投影成像空间的参考斜距，θ为步骤1初始化得到的主天线雷达入射角，B⊥为步骤1初始化得到的主副天线之间的垂直基线长，sin(·)表示正弦函数运算符号；对于步骤8得到的干涉SAR投影成像空间高相干分辨单元QH(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，利用步骤6得到的对应干涉SAR雷达系统投影成像空间低相干分辨单元的地形高程结果Z(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，构造地形高程区间a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny；在地形高程区间中每一个高程值z，采用标准后向投影成像算法对干涉SAR投影成像空间高相干分辨单元QH(a,r)进行成像，得到投影成像空间高相干分辨单元的干涉SAR主副天线图像，分别记为Gm(a,r；z)和Gs(a,r；z)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny；对于步骤8得到的干涉SAR投影成像空间低相干分辨单元QL(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，在对应干涉SAR雷达系统投影成像空间低相干分辨单元的地形高程结果Z(a,r)，采用标准后向投影成像算法对干涉SAR投影成像空间低相干分辨单元QL(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，进行成像，得到投影成像空间低相干分辨单元的干涉SAR主副天线的图像，分别记为Om(a,r)和Os(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny；步骤10、采用最速下降法估计干涉SAR投影成像空间高相干分辨单元的地形高程：对于步骤8得到的干涉SAR投影成像空间高相干分辨单元QH(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，以及步骤9得到的地形高程区间a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，采用最速下降法求解公式得到投影成像空间高相干分辨单元的干涉SAR雷达系统主天线图像，记为a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，计算得到投影成像空间高相干分辨单元的干涉SAR雷达系统副天线图像，记为a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，计算得到投影成像空间高相干分辨单元的地形高程结果a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中表示在地形高程区间寻找满足括号内函数值的最小高程值z，angle(·)表示取角度函数符号，上标*表示共轭运算符号，表示在计算窗口大小为Wsize条件下数学期望运算符号，Wsize为步骤5初始化得到的地形高度估计的窗口大小WSize＝5，Gm(a,r；z)和Gs(a,r；z)为步骤9得到的投影成像空间高相干分辨单元的干涉SAR主副天线图像，表示Gs(a,r；z)的共轭；步骤11、获得最终的干涉SAR雷达系统主副天线图像和地形高程：采用公式将投影成像空间高相干分辨单元的干涉SAR雷达系统主天线图像a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，与投影成像空间低相干分辨单元的干涉SAR主天线图像Om(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，相加，得到干涉SAR雷达系统主天线图像，记为Imm(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中为步骤10得到的投影成像空间高相干分辨单元的干涉SAR雷达系统主天线图像，Om(a,r)为步骤9得到的投影成像空间低相干分辨单元的干涉SAR主天线图像；采用公式将投影成像空间高相干分辨单元的干涉SAR雷 达系统副天线图像a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，与投影成像空间低相干分辨单元的干涉SAR副天线图像Os(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，相加，得到干涉SAR雷达系统副天线图像，记为Ims(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中为步骤10得到的投影成像空间高相干分辨单元的干涉SAR雷达系统副天线图像，Os(a,r)为步骤9得到的投影成像空间低相干分辨单元的干涉SAR副天线图像；采用公式将投影成像空间高相干分辨单元的地形高程结果a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，与干涉SAR雷达系统投影成像空间低相干分辨单元的地形高程结果Z(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，相加，得到干涉SAR投影成像空间的地形高程估计结果，记为ZT(a,r)，a＝1,…,Nx，r＝1,…,Ny，其中为步骤10得到的投影成像空间高相干分辨单元的地形高程结果，Z(a,r)为步骤6得到的干涉SAR雷达系统投影成像空间低相干分辨单元的地形高程结果；最终实现了干涉SAR成像与地形高程估计的一体化。