專利名稱：基于pos運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉sar回波數(shù)據(jù)仿真方法
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，是一種基于POSTOSition&Orientation System)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR數(shù)據(jù)仿真方法。
背景技術(shù)：
干涉合成孔徑雷達(dá)(SAI )數(shù)據(jù)仿真對(duì)于SAR成像算法驗(yàn)證，SAR圖像處理、干涉處理方法等方面的研究有著重要的意義。目前干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真技術(shù)可以分為時(shí)域方法和頻域方法，頻域方法最大的優(yōu)勢(shì)是計(jì)算速度快，與時(shí)域算法相比缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)誤差模型難以引入，相位計(jì)算精度較低，對(duì)于干涉SAR回波仿真來(lái)說(shuō)，相位精度決定了干涉SAR高程測(cè)量的精度，因此采用頻域的方法通常是不滿足仿真要求的?？紤]運(yùn)動(dòng)誤差的干涉SAR數(shù)據(jù)仿真中，目前常用的方法是將人為建立的理想化運(yùn)動(dòng)誤差模型引入到回波計(jì)算中，例如單頻正弦模型等。然而實(shí)際中載機(jī)平臺(tái)受各種因素的影響，運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜多變，運(yùn)動(dòng)誤差也不是簡(jiǎn)單的單頻抖動(dòng)，通常存在多個(gè)頻率的運(yùn)動(dòng)軌跡偏移。因此，人為建立理想化運(yùn)動(dòng)誤差模型引入，仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的機(jī)載干涉SAR原始回波仿真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉 SAR數(shù)據(jù)仿真方法，將運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的載機(jī)平臺(tái)位置和姿態(tài)信息融合到干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真中，是一種基于實(shí)際運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)的回波仿真方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其通過(guò)建立POS坐標(biāo)系與目標(biāo)場(chǎng)景坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將載機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差融合到干涉合成孔徑雷達(dá)(SAR)回波計(jì)算中，以實(shí)現(xiàn)基于實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的機(jī)載干涉SAR原始回波仿真；包括以下步驟第一步， 利用坐標(biāo)變換解算出雙天線相位中心在場(chǎng)景坐標(biāo)系下坐標(biāo)；第二步，以真實(shí)SAR圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成相關(guān)性復(fù)數(shù)后向散射系數(shù)對(duì)；第三步，引入DEM地形信息，根據(jù)回波信號(hào)模型計(jì)算兩路原始回波數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)成像和干涉處理得到SAR圖像和干涉條紋。所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其所述第一步，是經(jīng)過(guò)三次坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，將位置信息和姿態(tài)信息引入到天線相位中心坐標(biāo)的計(jì)算中，包括a)將實(shí)際包含位置信息的POS中心地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到大地水平面坐標(biāo)系；b)再?gòu)拇蟮厮矫孀鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換到場(chǎng)景坐標(biāo)系；c)根據(jù)載機(jī)姿態(tài)信息計(jì)算天線相位中心在平臺(tái)坐標(biāo)系坐標(biāo)，再將其轉(zhuǎn)化到場(chǎng)景坐標(biāo)系中，得到雙天線在場(chǎng)景坐標(biāo)系下坐標(biāo)，建立了雷達(dá)和目標(biāo)的空間幾何關(guān)系，從而在回波計(jì)算中實(shí)現(xiàn)位置信息和姿態(tài)信息運(yùn)動(dòng)誤差的引入。 所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其所述第二步，是利用真實(shí)SAR圖像幅度數(shù)據(jù)，生成相關(guān)性的復(fù)數(shù)后向散射系數(shù)對(duì)，包括步驟a)以SAR圖像幅度作為主天線后向散射系數(shù)幅度，生成在[_ η η ]間服從均勻分布的隨機(jī)相位；b)在主天線后向散射系數(shù)實(shí)部和虛部的線性組合基礎(chǔ)上，添加一個(gè)獨(dú)立正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，用以控制主輔天線后向散射系數(shù)之間的相關(guān)性，生成輔天線后向散射系數(shù)對(duì)實(shí)部和虛部。所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其所述生成輔天線后向散射系數(shù)的實(shí)部和虛部，步驟如下取主天線后向散射系數(shù)Y1的實(shí)部X1和虛部Y1Jljx1 Y1服從均值為0，方差為O2 的正態(tài)分布且相互獨(dú)立；則輔天線后向散射系數(shù)的實(shí)部和虛部為X2 = a.Xi+b.Yi+c.zy2 = ByX^byY1ax = (2p -l)cos(￥p)bx = (2p -l)sin(￥p)其中， =-sin( ψ p)by = Cos(Vp)Cjc = 2^p(\-p)其中P、Ψ p分別是后向散射系數(shù)相關(guān)系數(shù)幅度和相位，ζ是服從均值為0方差為 σ 2的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)，且與X1 Y1相互獨(dú)立。所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其所述生成的輔天線后向散射系數(shù)實(shí)部&和虛部y2滿足下面三個(gè)條件1)&、72是服從均值為0，方差為Q2的正態(tài)分布的隨機(jī)變量；2) X2, y2之間的相關(guān)系數(shù)為0 ；3)主天線后向散射系數(shù)Xl+jyi和輔天線后向散射系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為 Pe'Vp，表達(dá)式中j和e分別為虛數(shù)單位和自然常數(shù)。所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其所述第三步，是根據(jù)第一、二步建立的雷達(dá)與目標(biāo)的空間幾何模型和后向散射模型，采用時(shí)域回波信號(hào)模型產(chǎn)生原始回波信號(hào)；時(shí)域回波算法是在雷達(dá)發(fā)射連續(xù)脈沖的基礎(chǔ)上，隨著雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，生成每個(gè)脈沖的回波信號(hào)。所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其所述第三步，包括步驟如下a)對(duì)于方位向時(shí)刻ts，計(jì)算波束照射區(qū)域中目標(biāo)散射單元(i，j)的斜距1^_，并確定Rij所在的距離門m;b)對(duì)距離門m的方位回波信號(hào)&加上來(lái)自點(diǎn)(i，j)的多普勒相位貢獻(xiàn)仏=ga+o LjWaexp (_j4 π I^ij/λ)，其中，λ是波長(zhǎng)，Wa是天線方向圖增益，ο"是后向散射系數(shù)；c)重復(fù)a-b步，遍歷該方位時(shí)刻雷達(dá)照射到的所有散射點(diǎn)，得到方位時(shí)刻ts上所有點(diǎn)的方位回波信號(hào)d)將^與距離發(fā)射信號(hào)卷積，得到了一個(gè)脈沖的回波信號(hào)，遍歷各個(gè)方位時(shí)刻獲得整個(gè)仿真場(chǎng)景的回波信號(hào)。e)根據(jù)a)_d)步分別計(jì)算雙天線的回波數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)CS(ChirpScaling)算法進(jìn)行SAR成像，再經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)玫礁缮鏃l紋。本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的機(jī)載干涉合成孔徑雷達(dá)(SAR)原始回波仿真。


圖1是基于POS數(shù)據(jù)的幾何仿真方案示意圖；圖2是時(shí)域回波生成算法流程圖；圖3是主輔天線相關(guān)性后向散射系數(shù)圖，其中圖3a是主天線后向散射系數(shù)幅度圖；圖北是根據(jù)相關(guān)性產(chǎn)生原理產(chǎn)生的輔天線后向散射系數(shù)幅度；圖4是仿真場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的目標(biāo)地形(DEM)；圖5是兩通道原始回波數(shù)據(jù)，其中圖fe是仿真得到的主天線原始回波數(shù)據(jù)；圖恥是輔天線回波數(shù)據(jù)；圖6是對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后SAR圖像，其中圖6a是經(jīng)過(guò)CS成像處理后主天線SAR圖像幅度圖；圖6b是處理后得到的輔天線圖像幅度圖；圖7仿真得到的干涉相位圖，其中圖7a為理想干涉條紋圖；圖7b為仿真數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)成像處理未進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)玫降母缮鏃l紋；圖7c是經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后得到的干涉條紋圖；圖8基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR數(shù)據(jù)仿真方法，是將運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的載機(jī)平臺(tái)位置和姿態(tài)信息融合到干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真中，是一種基于實(shí)際運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)的回波仿真方法。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)考慮運(yùn)動(dòng)偏移和姿態(tài)擾動(dòng)的條件下，計(jì)算雙天線相位中心位置。如圖1所示，經(jīng)過(guò)三次坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)可以將位置信息和姿態(tài)信息引入到天線相位中心坐標(biāo)的計(jì)算中。首先說(shuō)明幾個(gè)重要坐標(biāo)系定義。地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系定義坐標(biāo)原點(diǎn)位于地心，Z軸指向地球自轉(zhuǎn)軸，X軸指向零度子午線，Y軸和X，Z軸構(gòu)成右手系；大地水平面坐標(biāo)系的定義 坐標(biāo)系原點(diǎn)早觀測(cè)目標(biāo)的場(chǎng)景中心，X軸指向地理南方向，XY平面為大地水平面，因此Y軸指向正東方向，Z軸垂直地面向上；場(chǎng)景坐標(biāo)系定義坐標(biāo)系原點(diǎn)早觀測(cè)目標(biāo)的場(chǎng)景中心，X 軸指向載機(jī)平臺(tái)理想飛行方向，XY平面為大地水平面，Z軸垂直地面向上。地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系與大地水平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為Ep = Apg(E8-Apg0)
權(quán)利要求
1.一種基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其特征在于通過(guò)建立POS坐標(biāo)系與目標(biāo)場(chǎng)景坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將載機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差融合到干涉合成孔徑雷達(dá)回波計(jì)算中，以實(shí)現(xiàn)基于實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的機(jī)載干涉SAR原始回波仿真；包括以下步驟第一步， 利用坐標(biāo)變換解算出雙天線相位中心在場(chǎng)景坐標(biāo)系下坐標(biāo)；第二步，以真實(shí)SAR圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成相關(guān)性復(fù)數(shù)后向散射系數(shù)對(duì)；第三步，引入DEM地形信息，根據(jù)回波信號(hào)模型計(jì)算兩路原始回波數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)成像和干涉處理得到SAR圖像和干涉條紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其特征在于，所述第一步，是經(jīng)過(guò)三次坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，將位置信息和姿態(tài)信息引入到天線相位中心坐標(biāo)的計(jì)算中，包括1)將實(shí)際包含位置信息的POS中心地心轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到大地水平面坐標(biāo)系；2)再?gòu)拇蟮厮矫孀鴺?biāo)系轉(zhuǎn)換到場(chǎng)景坐標(biāo)系；3)根據(jù)載機(jī)姿態(tài)信息計(jì)算天線相位中心在平臺(tái)坐標(biāo)系坐標(biāo)，再將其轉(zhuǎn)化到場(chǎng)景坐標(biāo)系中，得到雙天線在場(chǎng)景坐標(biāo)系下坐標(biāo)，建立了雷達(dá)和目標(biāo)的空間幾何關(guān)系，從而在回波計(jì)算中實(shí)現(xiàn)位置信息和姿態(tài)信息運(yùn)動(dòng)誤差的引入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其特征在于，所述第二步，是利用真實(shí)SAR圖像幅度數(shù)據(jù)，生成相關(guān)性的復(fù)數(shù)后向散射系數(shù)對(duì)，包括步驟a)以SAR圖像幅度作為主天線后向散射系數(shù)幅度，生成在π]間服從均勻分布的隨機(jī)相位；b)在主天線后向散射系數(shù)實(shí)部和虛部的線性組合基礎(chǔ)上，添加一個(gè)獨(dú)立正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，用以控制主輔天線后向散射系數(shù)之間的相關(guān)性，生成輔天線后向散射系數(shù)對(duì)實(shí)部和虛部ο
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其特征在于，所述生成輔天線后向散射系數(shù)的實(shí)部和虛部，步驟如下取主天線后向散射系數(shù)Y1的實(shí)部X1和虛部Y1，則X1 Y1服從均值為0，方差為ο2的正態(tài)分布且相互獨(dú)立；則輔天線后向散射系數(shù)的實(shí)部和虛部為X2 = AX^bjJfcxZ I2 = ByX^byY1 ax = (2 P _l)cos(￥p) bx = (2 P -l)cos(￥p)其中，ay = -sin(￥p) by = cos (Ψ p)
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其特征在于，所述生成的輔天線后向散射系數(shù)實(shí)部&和虛部y2滿足下面三個(gè)條件l)x2>y2是服從均值為0，方差為σ 2的正態(tài)分布的隨機(jī)變量；2)x2、y2之間的相關(guān)系數(shù)為0;3)主天線后向散射系數(shù)XJjy1和輔天線后向散射系數(shù)^+jh之間的相關(guān)系數(shù)為“一 ， 表達(dá)式中j和e分別為虛數(shù)單位和自然常數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其特征在于，所述第三步，是根據(jù)第一、二步建立的雷達(dá)與目標(biāo)的空間幾何模型和后向散射模型，采用時(shí)域回波信號(hào)模型產(chǎn)生原始回波信號(hào)；時(shí)域回波算法是在雷達(dá)發(fā)射連續(xù)脈沖的基礎(chǔ)上， 隨著雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，生成每個(gè)脈沖的回波信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR回波數(shù)據(jù)仿真方法，其特征在于，所述第三步，包括步驟如下a)對(duì)于方位向時(shí)刻ts，計(jì)算波束照射區(qū)域中目標(biāo)散射單元(i，j)的斜距1^.，并確定Rij 所在的距離門m;b)對(duì)距離門m的方位回波信號(hào)&加上來(lái)自點(diǎn)(i，j)的多普勒相位貢獻(xiàn) 仏=8^(^,##即(-」4311^/人)，其中，λ是波長(zhǎng)，wa是天線方向圖增益，Qi,j是后向散射系數(shù)；c)重復(fù)a_b步，遍歷該方位時(shí)刻雷達(dá)照射到的所有散射點(diǎn)，得到方位時(shí)刻ts上所有點(diǎn)的方位回波信號(hào)^；d)將&與距離發(fā)射信號(hào)卷積，得到了一個(gè)脈沖的回波信號(hào)，遍歷各個(gè)方位時(shí)刻獲得整個(gè)仿真場(chǎng)景的回波信號(hào)。e)根據(jù)a)_d)步分別計(jì)算雙天線的回波數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)CS(ChirpScaIing)算法進(jìn)行 SAR成像，再經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)玫礁缮鏃l紋。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于POS運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的干涉SAR數(shù)據(jù)仿真方法，涉及信息獲取與處理技術(shù)，在POS數(shù)據(jù)中包含了合成孔徑雷達(dá)(SAR)載機(jī)平臺(tái)的位置信息和姿態(tài)信息，該方法通過(guò)建立POS坐標(biāo)系與目標(biāo)場(chǎng)景坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將載機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)信息融合到干涉合成孔徑雷達(dá)回波計(jì)算中，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的機(jī)載干涉SAR原始回波仿真。包括，第一步，利用坐標(biāo)變換解算出雙天線相位中心在場(chǎng)景坐標(biāo)系下坐標(biāo)；第二步，以真實(shí)SAR圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生成相關(guān)性復(fù)數(shù)后向散射系數(shù)對(duì)；第三步，引入DEM地形信息，根據(jù)回波信號(hào)模型計(jì)算兩路原始回波數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)成像和干涉處理得到SAR圖像和干涉條紋。
文檔編號(hào)G01S13/90GK102466799SQ20101053142
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者向茂生, 汪丙南 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所