專利名稱：機載干涉合成孔徑雷達原始回波生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息獲取與處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種機載干涉合成孔徑雷達(InSAR)原始回波生成方法。
背景技術(shù)：
在研制InSAR(干涉合成孔徑雷達)系統(tǒng)的過程中，為了在獲得雷達數(shù)據(jù)之前分析并設(shè)計相應(yīng)的InSAR處理方法，需要利用計算機仿真的方法生成處理所需的各種InSAR數(shù)據(jù)。國外許多研究室為此設(shè)計了一系列的InSAR仿真系統(tǒng)，其中根據(jù)文獻的分類方法，這些InSAR仿真方法大致可以歸結(jié)為三大類，即相干系統(tǒng)仿真法、非相關(guān)圖像仿真法以及基于SAR圖像的仿真法。
為了研究能與機載雙天線InSAR的特點相結(jié)合的新型InSAR成像處理方法，有必要在獲得真實的雷達數(shù)據(jù)之前利用計算機仿真的方法生成InSAR原始回波數(shù)據(jù)，因此需要采用上述的第一類仿真方法。在此類仿真方法中，就InSAR原始回波數(shù)據(jù)生成方面而言，Alberti等人是在時域內(nèi)利用卷積的方法實現(xiàn)的，而Franceschetti等人則是在頻域內(nèi)利用系統(tǒng)沖激響應(yīng)函數(shù)的方法完成的。前者由于采用時域卷積的方法，在每個方位位置上都要計算雷達照射范圍內(nèi)所有目標回波的相干累加，需要消耗驚人的計算時間，因此只適用于簡單的稀疏點陣目標仿真，對于復(fù)雜的分布目標仿真則顯得難以適從。后者由于采用頻域二維FFT(傅里葉變換)的方法，無需計算每個單點目標的回波信號，因此比較適用于復(fù)雜分布目標的仿真要求。不過，由于其在生成原始回波數(shù)據(jù)時并未將雷達偏離參考軌跡的情況以及兩幅單視圖像失配的情況考慮在內(nèi)，因此無法滿足新型InSAR成像處理方法研究的要求。
一般的正側(cè)視機載雙天線InSAR系統(tǒng)的成像幾何關(guān)系如圖1所示。天線A1和A2之間的基線垂直于飛機航線，其長為B，與水平方向的夾角為α。對于場景內(nèi)的目標P(x，y，z)，設(shè)兩天線與目標間的最短距離分別為r和r+Δr，則根據(jù)余弦定理，有(r+Δr)2＝r2+B2-2Brsin(θ-α)(1)其中θ=arccos(H-zr)---(2)]]>為天線視角，H為天線高度，z為目標高度。對于機載InSAR系統(tǒng)，天線基線B一般都遠小于作用距離r，即B＜＜r，因此由1式可求得Δr≈-Bsin(θ-α)(3)假設(shè)場景地形的平均坡度為β，根據(jù)(2)式和(3)式，可以求得不同距離處兩天線間的距離差Δr與場景中心處兩天線間的距離差Δr0之間的關(guān)系為Δr＝Δr0+ks(r-r0) (4)其中ks=-Br0cos(θ0-α)ctg(θ0-β)---(5)]]>對于一般的雙天線InSAR系統(tǒng)，兩副天線A1和A2既可以采用一副天線發(fā)送、兩副天線接收的工作模式(即標準模式)，也可以采用兩副天線輪流發(fā)送并接收的工作模式(即乒乓模式)。對于機載雙天線InSAR系統(tǒng)，設(shè)天線的發(fā)射信號為調(diào)頻率為k、脈寬為τ的線性調(diào)頻信號，則經(jīng)過混頻解調(diào)后的兩副天線的接收信號可表示為h1，2(x′，r′)＝∫∫dxdrγ(x，r)g1，2(x′-x，r′-r；r) (6)式中下標1和2分別表示由天線A1和天線A2所接收的信號，其中γ(x,r)=γ0(x,r)exp{-j4πλr}---(7)]]>為新場景的背散射系數(shù)，其中γ0(x，r)為場景的實際背散射系數(shù)，λ為發(fā)射信號載波波長，而g1，2(x′-x，r′-r；r)則為系統(tǒng)的沖激響應(yīng)函數(shù)。
對(6)式中的天線接收信號求二維FT，有
H1，2(ξ，η)＝G(ξ，η；r0)∫∫dxdrγ(x，r)exp(-jξx-jηr)1，2(ξ，η；r)(8)其中G(ξ，η；r0)和1，2(ξ，η；r)分別為系統(tǒng)沖激響應(yīng)函數(shù)的空不變部分和空變部分。利用駐定相位原理，并略去無關(guān)緊要的常數(shù)系數(shù)，可以求得G(ξ,η;r0)≅w2(-ξ2a)rect(η2b)1+ϵη2b-32v2ξ24a2exp[-jη24b+jξ24a11+ϵη2b]---(9)]]>其中v=λD,ϵ=Δff0---(10)]]>a=2πD,b=ϵ2πλ---(11)]]>這里的D為真實天線孔徑長度，Δf為調(diào)頻信號帶寬，f0為載波中心頻率。而▿1,2(ξ,η;r)≅rr0exp[j(r-r0)ξ24ar0(1-ϵη2b)]]]>(12)·exp(-j4πλmΔr)exp[-jmηΔr0-jmksη(r-r0)]]]>將(12)式分別代入(8)式中，并令γ1,2(x,r)=γ0(x,r)rr0exp{-j4πλr}exp{-j4πλmΔr}---(13)]]>進行變量代換r^=r-r0]]>并化簡后，可以得到天線A1和A2所接收信號的頻域表達式為H1,2(ξ,η)=G(ξ,η;r0)exp(-jηrs1,2)∫Γ1,2(ξ,r^)exp[-jΩ1,2(ξ)ηr^]dr^---(14)]]>其中rs1，2＝r0+mΔr0(15)Ω1,2(ξ)=1+mks+ϵ12bξ24ar0----(16)]]>Γ1,2(ξ,r^)=exp[jξ24ar0r^]∫γ1,2(x,r^+r0)exp(-jξx)dx---(17)]]>(14)式中的積分項可以表示為以Ω1，2(ξ)η為輸出變量的 的距離向FT。利用縮放原理，可以通過兩次卷積和兩次二次相位平移將以η為輸出變量的 的距離向FT變換為其以Ω1，2(ξ)η為輸出變量的距離向FT。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種機載干涉合成孔徑雷達原始回波生成方法。
本發(fā)明提出一種新的機載雙天線InSAR原始回波數(shù)據(jù)生成的方法。該方法根據(jù)機載雙天線InSAR回波數(shù)據(jù)對的特點，通過在距離向上引入平移和伸縮因子，充分地考慮了雷達的運動參數(shù)和位置關(guān)系的影響。此外，由于采用頻域二維FFT的方法生成機載InSAR原始回波數(shù)據(jù)對的計算機仿真方法結(jié)構(gòu)，因此可以大大縮短程序運行的時間。
本發(fā)明所提出的InSAR原始回波數(shù)據(jù)生成方法的基本思路可以概括為先對場景后向散射系數(shù)γ1，2(x，r)進行縮放變換，求得其縮放后的散射系數(shù)頻譜Γ1，2(ξ，Ω1，2(ξ)η)；然后乘以空不變的系統(tǒng)沖激響應(yīng)函數(shù)G(ξ，η；r0)，得到原始回波數(shù)據(jù)的頻譜H1，2(ξ，η)；最后通過二維逆FT求得原始回波數(shù)據(jù)h1，2(x′，r′)。根據(jù)這一思路，可以得到如圖2所示的InSAR原始回波數(shù)據(jù)生成的實現(xiàn)框圖，其中圖中的常數(shù)B理論上應(yīng)該不受任何限制。
從圖中可以看出，InSAR原始回波數(shù)據(jù)生成過程可以由兩次方位FT和四次距離FT以及四次復(fù)數(shù)相乘來完成。其中第一復(fù)數(shù)相乘項中的前部分對應(yīng)于原始數(shù)據(jù)中與聚焦深度有關(guān)的項，而后部分則對應(yīng)于與距離縮放因子有關(guān)的項。最后一個復(fù)數(shù)相乘項除了與距離縮放因子有關(guān)的項外，還包括了空不變的系統(tǒng)沖擊函數(shù)以及距離平移因子。整個方法充分考慮了InSAR系統(tǒng)的聚焦深度、耦合因子等各項成像因素，具有結(jié)構(gòu)清晰簡潔、實現(xiàn)簡單有效等特點。


圖1是一般的正側(cè)視機載InSAR系統(tǒng)的成像幾何關(guān)系圖。
圖2是機載干涉合成孔徑雷達原始回波生成方法流程圖。
具體實施例方式
圖2機載干涉合成孔徑雷達原始回波生成方法，步驟如下步驟S1對等效后向散射系數(shù) 作方位向傅里葉變換(FFT)，然后乘以包含散焦項和縮放因子在內(nèi)的相位函數(shù)P1=exp{jξ24ar0r^+jΩ1,2(ξ)4Br^2};]]>步驟S2對步驟S1得到的結(jié)果作距離向FFT，然后乘以包含縮放因子在內(nèi)的相位函數(shù)P2=exp{j1-Ω1,2(ξ)Ω1,2(ξ)Bη2};]]>步驟S3對步驟S2得到的結(jié)果作距離向逆FFT，然后乘以包含縮放因子在內(nèi)的相位函數(shù)P3=exp{-j14Br^2};]]>步驟S4對步驟S3得到的結(jié)果作距離向FFT，然后乘以包含空不變沖激響應(yīng)函數(shù)、距離平移因子和縮放因子在內(nèi)的函數(shù)P4＝G(ξ，η；r0)exp{-jηrs1，2+j[Ω1，2(ξ)-1]Bη2}；步驟S5對步驟S4得到的結(jié)果作二維逆FFT，可以得到所需的原始回波數(shù)據(jù)h1，2(x′，r′)。
權(quán)利要求
1.一種機載干涉合成孔徑雷達原始回波生成方法，其特征在于，通過在距離向上引入平移和伸縮因子模擬雷達運動參數(shù)和位置關(guān)系的影響，并利用頻域二維FFT方法生成機載InSAR原始回波數(shù)據(jù)對的計算機仿真方法結(jié)構(gòu)。
2.一種機載干涉合成孔徑雷達原始回波生成方法，其步驟是先對場景后向散射系數(shù)γ1，2(x，r)進行縮放變換，求得其縮放后的散射系數(shù)頻譜Г1，2(ξ，Ω1，2(ξ)η)；然后乘以空不變的系統(tǒng)沖激響應(yīng)函數(shù)G(ξ，η；r0)，得到原始回波數(shù)據(jù)的頻譜H1，2(ξ，η)；最后通過二維逆FT求得原始回波數(shù)據(jù)h1，2(x′，r′)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的機載干涉合成孔徑雷達原始回波生成方法，其特征在于，包括如下步驟步驟S1對等效后向散射系數(shù) 作方位向傅里葉變換(FFT)，然后乘以包含散焦項和縮放因子在內(nèi)的相位函數(shù)P1=exp{jξ24ar0r^+jΩ1,2(ξ)4Br^2};]]>步驟S2對步驟S1得到的結(jié)果作距離向FFT，然后乘以包含縮放因子在內(nèi)的相位函數(shù)P2=exp{j1-Ω1,2(ξ)Ω1,2(ξ)Bη2};]]>步驟S3對步驟S2得到的結(jié)果作距離向逆FFT，然后乘以包含縮放因子在內(nèi)的相位函數(shù)P3=exp{-j14Br^2};]]>步驟S4對步驟S3得到的結(jié)果作距離向FFT，然后乘以包含空不變沖激響應(yīng)函數(shù)、距離平移因子和縮放因子在內(nèi)的函數(shù)P4＝G(ξ，η；r0)exp{-jηrs1，2+j[Ω1，2(ξ)-1]Bη2}；步驟S5對步驟S4得到的結(jié)果作二維逆FFT，可以得到所需的原始回波數(shù)據(jù)h1，2(x′，r′)。
全文摘要
本發(fā)明涉及信息獲取與處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種機載干涉合成孔徑雷達(InSAR)原始回波生成方法。其方法包括步驟S1對等效后向散射系數(shù)γ
文檔編號G01S7/285GK1808172SQ20051001121
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月20日
發(fā)明者韋立登, 向茂生, 吳一戎, 李紹恩 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所