一種重復軌道星載自然場景SAR復圖像數據快速仿真方法技術

本發明專利技術公開了一種重復軌道星載自然場景SAR復圖像數據快速仿真方法，該方法模擬SAR衛星運行軌道，根據星載SAR衛星成像原理和SAR衛星單視復圖像信號模型對地面場景進行仿真，直接得到多幅重復軌道SAR復圖像數據。采用一種快速方法迭代計算衛星零多普勒成像位置來獲取斜距信息，利用簡化散射模型計算后向散射系數，提出一種簡化的重復軌道模型來產生可控基線長度的任意多幅SAR復圖像數據。本發明專利技術克服了傳統回波仿真方法速度慢的缺點，而且還可以為干涉處理提供先驗信息以輔助處理或評估處理結果。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于星載合成孔徑雷達(SyntheticApertureRadar，SAR)
，涉及一種重復軌道星載自然場景SAR復圖像數據快速仿真方法。
技術介紹
合成孔徑雷達衛星是一種基于空間高度對地球進行觀察的高分辨率微波遙感衛星，在軍事、海洋、農業、林業等領域具有廣闊的應用前景，美國、歐共體、加拿大和日本等國家已發射了多顆SAR衛星，獲得了巨大的成功，國外在SAR衛星的研制過程中普遍采用數字仿真技術來實現衛星系統總體方案的優化設計。星載SAR復圖像仿真能夠為SAR系統誤差的仿真分析、雷達圖像處理以及干涉SAR技術研究提供帶有先驗知識的圖像數據，對于SAR系統的工程開發研究和應用研究都具有十分重要的意義。干涉合成孔徑雷達(InterferometricSyntheticApertureRadar，InSAR)是指采用兩部天線或者一部天線兩次飛行獲得的SAR圖像數據想結合，通過干涉來獲取三維高度信息，可以實現全天候、全天時的觀測，InSAR技術作為測量地表高程信息的新手段，被很多國家運用在軍事、地質、災害監測等領域中，而作為InSAR的特殊運用方法，差分干涉合成孔徑雷達(DifferentialInterferometricInSAR，DInSAR)技術也在本世紀初得到了社會各界的廣泛重視。它的地表形變檢測精度高達厘米級別甚至能夠達到毫米級別，再加上其穩定性以及發展前景，使得它在地表形變監測的領域中，逐漸取代了傳統的水準檢測方法與GPS方法，并愈發起到了至關重要的作用。而對于InSAR和D-InSAR技術，需要多幅具有一定的基線的重復衛星軌道(全部升軌或者全部降軌)對同一目標區域產生的SAR復圖像數據作為數據源，其中PS-DInSAR更是需要十幅以上的SAR復圖像數據，但是對于某些場景或者成像條件的重復軌道缺乏真實星載SAR復圖像數據，而且現在的真實數據也普遍缺乏有效的先驗輔助數據，不利于算法的分析和驗證。因此，進行針對自然場景的重復軌道星載SAR復圖像數據計算機數字仿真具有十分重要的意義。Julian根據SAR圖像解譯技術研究的需要，首次建立了SAR圖像仿真系統，隨后Kaupp利用該系統研究了雷達入射角對星載SAR圖像特征的影響，對仿真技術應用于SAR衛星系統方案設計進行了初步嘗試，隨后SAR衛星技術的蓬勃發展推動了SAR圖像仿真技術的研究。Franceschetti建立了SARAS仿真系統，給出了一種三維地面場景SAR圖像仿真的模型。SAR復圖像數據仿真是根據一定的地面地形資料，在一定的平臺軌道參數，雷達參數基礎上，按照雷達成像機理模擬產生雷達圖像的技術，它的主要任務是結合一定的雷達幾何關系，合成SAR復圖像數據。星載自然場景SAR復圖像數據仿真的工作主要包括三個方面，一是空間位置模擬，即確定SAR衛星成像軌道和地面自然場景的空間位置關系；二是幾何特征模擬，即建立起地面點和圖像點之間的數學定位關系，模擬出SAR圖像的疊掩、透視收縮、頂底倒置等特征；三是輻射特征模擬，即模擬出SAR圖像上陰影，斑點噪聲等特征。根據仿真方法的不同，SAR仿真可分為原始回波仿真和圖像仿真：回波仿真為根據SAR系統工作原理，由地物的后向散射系數模擬得到回波數據，然后再通過成像處理算法得到SAR圖像；圖像仿真是直接從SAR圖像的構成出發，將SAR系統和成像處理看作一個線性系統處理，直接仿真成像后的SAR復圖像數據。第一種方法在求回波數據時一般采用逐點迭代求回波的方法，計算量巨大，尤其是在計算重復軌道多幅圖像時耗時過大；第二種方法運算簡單，且可以很好的滿足InSAR處理的需要，故本專利技術采用第二種方法，即不經過回波仿真，直接仿真SAR復圖像數據。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種針對自然場景的重復軌道星載SAR復圖像數據計算機數字快速仿真方法，可用于較大規模場景仿真，能夠對不同的軌道參數和SAR衛星參數獲取任意數量的重復軌道(全部升軌或全部降軌)的仿真SAR復圖像數據，可用于SAR系統誤差的仿真分析、雷達圖像處理以及干涉SAR技術研究等領域。本專利技術采用的技術方案如下：一種重復軌道星載自然場景SAR復圖像數據快速仿真方法，該方法步驟如下：第一步、根據軌道參數確定成像軌道中心點和地面場景中心點坐標。第二步、讀入地面自然場景DEM(DigitalElevationModel)，以地面中心點為中心按經緯度方向等間隔布設場景地面點，根據雷達RD方程，采用一種快速方法迭代計算每個場景點對應的零多普勒成像衛星位置、衛星與地面場景點相對速度、斜距矢量。第三步、SAR圖像復數據仿真；根據星載SAR衛星成像原理，根據每個場景點的斜距矢量和地面場景每個小面元的法向量得出電磁波入射角，進而由后向散射系數和電磁波入射角的經驗模型計算出每個場景點的后向散射系數，對每個場景點，由斜距長度和成像時間結合SAR衛星方位向分辨和距離向分辨率確定每個場景點在圖像上的像素位置，再將該點的后向散射系數開方后疊加上隨機相位和斜距相位得到復數據，對同一像素位置的場景點的復數據相加，再相繼與距離和方位向脈沖壓縮結果進行卷積得到SAR復圖像數據。第四步、仿真基線長度可控的重復軌道SAR圖像復數據；以SAR衛星中心斜距單位方向矢量作為水平基線方向，根據中心位置速度方向和斜距方向作向量叉乘得到垂直基線方向，水平基線和垂直基線的矢量和作為基線矢量，控制衛星成像軌道區域進行相應偏移，對原地面場景或者加上形變場后的地面場景重復第二、三步，生成具有一定基線的重復軌道星載SAR復圖像數據。本專利技術的有益效果：本專利技術提供的方法模擬SAR衛星運行軌道，根據星載SAR衛星成像原理和SAR衛星單視復圖像信號模型對地面場景進行仿真，直接得到多幅重復軌道SAR復圖像數據。采用一種快速方法迭代計算衛星零多普勒成像位置來獲取斜距信息，利用簡化散射模型計算后向散射系數，提出一種簡化的重復軌道模型來產生可控基線長度的任意多幅SAR復圖像數據，并可對添加了形變場后的地面場景仿真得到形變后的SAR復圖像數據。傳統回波仿真方法模擬脈沖壓縮，獲得干涉數據，運算量巨大，尤其是對于地面點很密的復雜自然場景，耗時更加巨大。本專利技術克服了傳統回波仿真方法速度慢的缺點，并且采用的快速迭代計算衛星零多普勒成像位置的方法更加縮短了仿真用時，而且仿真精度很高，后向散射效應、噪聲影響、遮擋效應、頂底效應等多種因素也得到了真實的體現。不僅可以像真實SAR衛星(如TerraSAR)一樣提供完整的復圖像數據及各種輔助參數，而且還是可以為InS本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種重復軌道星載自然場景SAR復圖像數據快速仿真方法，其特征在于，包含以下步驟：第一步、根據軌道參數確定成像軌道中心點和地面場景中心點坐標；第二步、讀入地面自然場景DEM(Digital?Elevation?Model)，以地面中心點為中心按經緯度方向等間隔布設場景地面點，根據雷達RD方程，采用一種快速方法迭代計算每個場景點對應的零多普勒成像衛星位置、衛星與地面場景點相對速度、斜距矢量；第三步、SAR圖像復數據仿真；根據星載SAR衛星成像原理，根據每個場景點的斜距矢量和地面場景每個小面元的法向量得出電磁波入射角，進而由后向散射系數和電磁波入射角的經驗模型計算出每個場景點的后向散射系數，對每個場景點，由斜距長度和成像時間結合SAR衛星方位向分辨和距離向分辨率確定每個場景點在圖像上的像素位置，再將該點的后向散射系數開方后疊加上隨機相位和斜距相位得到復數據，對同一像素位置的場景點的復數據相加，再相繼與距離和方位向脈沖壓縮結果進行卷積得到SAR復圖像數據；第四步、仿真基線長度可控的重復軌道SAR圖像復數據；以SAR衛星中心斜距單位方向矢量作為水平基線方向，根據中心位置速度方向和斜距方向作向量叉乘得到垂直基線方向，水平基線和垂直基線的矢量和作為基線矢量，控制衛星成像軌道區域進行相應偏移，對原地面場景或者加上形變場后的地面場景重復第二、三步，生成具有一定基線的重復軌道星載SAR復圖像數據。...

【技術特征摘要】
1.一種重復軌道星載自然場景SAR復圖像數據快速仿真方法，其特征在于，包含以下
步驟：
第一步、根據軌道參數確定成像軌道中心點和地面場景中心點坐標；
第二步、讀入地面自然場景DEM(DigitalElevationModel)，以地面中心點為中心按經緯
度方向等間隔布設場景地面點，根據雷達RD方程，采用一種快速方法迭代計算每個場景點
對應的零多普勒成像衛星位置、衛星與地面場景點相對速度、斜距矢量；
第三步、SAR圖像復數據仿真；根據星載SAR衛星成像原理，根據每個場景點的斜距
矢量和地面場景每個小面元的法向量得出電磁波入射角，進而由后向散射系數和電磁波入射
角的經驗模型計算出每個場景點的后向散射系數，對每個場景點，由斜距長度和成像時間結
合SAR衛星方位向分辨和距離向分辨率確定每個場景點在圖像上的像素位置，再將該點的
后向散射系數開方后疊加上隨機相位和斜距相位得到復數據，對同一像素位置的場景點的復
數據相加，再相繼與距離和方位向脈沖壓縮結果進行卷積得到SAR復圖像數據；
第四步、仿真基線長度可控的重復軌道SAR圖像復數據；以SAR衛星中心斜距單位方
向矢量作為水平基線方向，根...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐華平，單樂，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11