專利名稱：一種星載sar信號(hào)高精度保相成像處理平臺(tái)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域，涉及一種星載合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)信號(hào)高精度保相成像處理平臺(tái)的構(gòu)建方法，特別涉及基 于Chirp Scaling (CS)成像處理算法的高精度保持相位信息(保相)的星載SAR 信號(hào)處理方法。
(二)
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速。由于SAR衛(wèi)星 不受天氣、地理、時(shí)間等因素的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)、全天候的對(duì)地觀測(cè)任務(wù)， 且具有一定的穿透能力，因而被廣泛地應(yīng)用于軍事偵察、資源探測(cè)、海洋觀測(cè)、
生態(tài)監(jiān)測(cè)和快速救援等方面。
傳統(tǒng)的SAR系統(tǒng)具有二維髙分辨率的成像探測(cè)能力，即利用寬頻帶信號(hào)獲 得斜距向高分辨率，利用合成孔徑信號(hào)處理方法獲得方位向高分辨率。由于地面 目標(biāo)區(qū)域是三維場(chǎng)景，因此傳統(tǒng)的SAR成像系統(tǒng)實(shí)際上是將三維空間映射到二 維斜距平面上。為了獲得地面場(chǎng)景的高程信息，需要通過干涉合成孔徑雷達(dá) (Interferometry SAR， InSAR)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。InSAR技術(shù)利用空間分置的兩部雷
達(dá)對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立的二維成像，然后利用相位干涉處理技術(shù)提取高程信 息，生成高精度的數(shù)字地形高程模型(Digital Elevation Model, DEM)。
20世紀(jì)70 ^f^初期，InSAR概念被提出并逐漸發(fā)展起來。它顯著地?cái)U(kuò)展 了 SAR成像信息的應(yīng)用領(lǐng)域，能夠獲取高精度的三維地形信息，同時(shí)還可以監(jiān) 測(cè)地球表面的微小變化，重復(fù)監(jiān)測(cè)的時(shí)間分辨率可達(dá)幾天，可以生成高精度、高 可靠性的全球DEM數(shù)據(jù)庫。此夕卜，利用星載InSAR系統(tǒng)還可以研究極端環(huán)境下
的地表特征變化情況，如南北極的冰川變化；也可以用于探測(cè)災(zāi)害性地表形變， 如地震、火山噴發(fā)和山體滑坡等。因此，InSAR測(cè)高技術(shù)越來越受到各科技強(qiáng)國 的高度重視，是當(dāng)前微波遙感領(lǐng)域的"熱點(diǎn)"研究方向之一。
InSAR技術(shù)的本質(zhì)是利用干涉相位信息通過信號(hào)處理反演出地表的高程信 息，因此在SAR成像過程中保持相位信息(保相)對(duì)InSAR處理至關(guān)重要。在 SAR成像處理生成單視復(fù)圖像(Single Look Complex, SLC)的過程中，圖像相位信息的失真程度將直接影響InSAR系統(tǒng)的高程測(cè)量精度。實(shí)際上，InSAR處 理流程的核心就是圍繞著如何獲取準(zhǔn)確的相位信息而執(zhí)行的一系列操作，而SAR 成像處理作為整個(gè)InSAR處理流程的基礎(chǔ)，其成像處理的保相性能將直接影響 到后續(xù)干涉處理的效果，其相位保持的精度將直接影響最終的InSAR測(cè)高精度。 綜上所述，在SAR成像處理流程中，保持目標(biāo)的相位信息具有十分重要的意義。
為了實(shí)現(xiàn)InSAR測(cè)高技術(shù)，需要空間分置的兩部雷達(dá)天線對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域 進(jìn)行觀測(cè)，但是為了保證高程測(cè)量精度，兩部雷達(dá)天線之間的距離(稱為基線長(zhǎng) 度)必須足夠大。特別對(duì)于星載InSAR系統(tǒng)，由于其雷達(dá)作用距離遠(yuǎn)，因此需 要更長(zhǎng)的基線。在工程實(shí)際應(yīng)用中，星載InSAR多種工作模式，如重復(fù)軌道干 涉(如歐洲空間局的ERS-l/2衛(wèi)星)、多站雷達(dá)單程干涉(如如美國航天局 NASA的航天飛機(jī)測(cè)圖計(jì)劃SRTM，德國宇航局TanDEM-X分布式星載干涉SAR 等系統(tǒng))。為了提高雷達(dá)信號(hào)的時(shí)間相千性，分布式星載干涉SAR系統(tǒng)作為目前 一種最佳的工作模式，已經(jīng)成為InSAR系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中的研究"熱點(diǎn)"之一 (如 圖1所示)。但是，^于多站雷達(dá)的分布式星載干涉SAR系統(tǒng)具有復(fù)雜度高、數(shù) 據(jù)處理難度大的問題，特別在SAR成像處理中如何精確保持目標(biāo)相位信息成為 該技術(shù)研究的難點(diǎn)問題之一。本發(fā)明提供的保相成像處理方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在上述 InSAR工作模式下星載SAR信號(hào)的高精度保相成像處理，特別適用于分布式星 載InSAR工作模式下SAR信號(hào)的高精度保相成像處理。
InSAR的處理流程大致上可以分為以下幾個(gè)步驟(如圖2所示)(1)成像 處理(2)圖像配準(zhǔn)(3)圖像干涉(4)相位解纏(5)高程反演(6)幾何校正。 其中，SAR成像處理是InSAR處理流程的第一個(gè)步驟，同時(shí)也是整個(gè)InSAR處 理流程的基礎(chǔ)，其相位保持性能將對(duì)最終的InSAR處理效果帶來非常重要的影 響?，F(xiàn)有的星載SAR成像處理算法主要包括距離-多普勒(RD)算法，時(shí)域-頻域混合相關(guān)算法，Chirp Scaling (CS)算法，波數(shù)域(Q-K)算法等。其中， 距離-多普勒算法是第一種應(yīng)用于星載SAR信號(hào)的成像處理算法,時(shí)域-頻域混合 相關(guān)箅法是其改進(jìn)算法。這兩種算法具有流程簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但是它們 同時(shí)也存在聚焦深度(Focus depth)小、距離徙動(dòng)補(bǔ)償(Range Cell Migration Compensation, RCMC)精度差的缺點(diǎn)，只適用于中低分辨率星載SAR信號(hào)的成 像處理。二十世紀(jì)九十年代，隨著星載SAR系統(tǒng)分辨率的提高，相繼出現(xiàn)了CS 算法和Q-K算法。這兩種箅法能夠精確地補(bǔ)償星載SAR信號(hào)的距離徙動(dòng)和回波 多普勒相位，具有聚焦深度大、處理精度高的優(yōu)點(diǎn)。但是，現(xiàn)有的星載SAR成像算法均以不影響SAR圖像的聚焦效果為前提，在算法推導(dǎo)處理過程中都存在 不同程度的簡(jiǎn)化和近似處理，對(duì)相位的補(bǔ)償不夠完整，導(dǎo)致所生成的SLC圖像 中存在殘留相位誤差。上述殘留相位誤差對(duì)SAR圖像聚焦效果的影響可以忽略 不計(jì)，但它們將對(duì)InSAR處理產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致最終的高度測(cè)量精度變差。 其中，影響最大的殘留相位項(xiàng)是常數(shù)相位項(xiàng)和線性相位項(xiàng)；而二次以上的高次項(xiàng) 殘留相位誤差很小，對(duì)InSAR測(cè)高精度的影響相對(duì)較小，工程上可以忽略不計(jì)。 針對(duì)現(xiàn)有的星載SAR成像算法均尚未充分考慮到InSAR處理的對(duì)保相性能的特 殊要求，本發(fā)明在對(duì)SAR成像處理算法的保相性能進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提 出了一種星載SAR信號(hào)的高精度保相成像處理方法及平臺(tái)。
本發(fā)明針對(duì)InSAR處理流程中第一步成像處理的保相'性能要求進(jìn)行深入分 析，通過對(duì)Chkp Scaling (CS)成像算法的相位補(bǔ)償因子和處理流程進(jìn)行改進(jìn)， 針對(duì)殘留相位誤差進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償處理。成像處理中的殘留相位誤差主要由兩 部分組成，第一部分為SAR信號(hào)通過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)所引入的相位誤差，包 括一個(gè)符號(hào)相反的二次相位項(xiàng)和一個(gè)常數(shù)相位項(xiàng)；第二部分主要由頻域圓周移位 造成，根據(jù)頻域和時(shí)域?qū)?yīng)的映射關(guān)系可知，頻域圓周移位所引入的相位誤差是 一種線性相位誤差。這兩部分為傳統(tǒng)成像處理過程中所忽略的相位，為了提高成 像處理后相位保持精度，本發(fā)明在處理過程中對(duì)這兩部分相位予以補(bǔ)償。
通過增加上述信號(hào)處理步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)星載SAR信號(hào)在整個(gè)成像處理流 程中的殘留相位誤差進(jìn)行精確地補(bǔ)償，特別是可以準(zhǔn)確地補(bǔ)償殘留的復(fù)常數(shù)相位 項(xiàng)和線性相位項(xiàng)，并通過沿距離門動(dòng)態(tài)更新方位向相位補(bǔ)償因子，進(jìn)一步提高相 位保持精度，實(shí)現(xiàn)高效的SAR信號(hào)高精度保相成像處理(簡(jiǎn)稱保相成像處理)， 從而有效地解決了 InSAR處理中成像算法的保相性問題，緩解后續(xù)InSAR處理 步驟中相位誤差指標(biāo)分配的壓力，為實(shí)現(xiàn)高精度的星載InSAR三維地形測(cè)量實(shí) 用系統(tǒng)奠定了良好技術(shù)基礎(chǔ)。
發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種星載SAR信號(hào)高精度保相成像處理平臺(tái) 的構(gòu)建方法，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，是在經(jīng)典的CS成像處理箅法的基礎(chǔ)上 發(fā)明的一種精確保持相位信息的星載SAR信號(hào)成像處理方法。該方法在時(shí)域補(bǔ) 償雷達(dá)信號(hào)通過雷達(dá)系統(tǒng)全通相位網(wǎng)絡(luò)所引入的相位誤差，同時(shí)在時(shí)域補(bǔ)償頻域 平移所引入的線性相位誤差，都具有很高的相位保持精度。通過分析，利用本方法可以快速、靈活的完成SAR信號(hào)的保相成像處理。
2、技術(shù)方案星載SAR通過發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)及脈沖壓縮技術(shù)獲取斜距向 高分辨率，通過合成孔徑技術(shù)獲取方位向高分辨率，方位向處理過程也可等效視 作線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮。因此，為了能更好的對(duì)本方法進(jìn)行介紹，首先介紹 線性調(diào)頻信號(hào)通過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)壓縮后的表達(dá)式。
SAR回波數(shù)據(jù)在距離向和方位向都具有線性調(diào)頻的特性，這里以距離向?yàn)?例進(jìn)行分析。設(shè)幅度歸一化的具有矩形包絡(luò)的距離向信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
S(r)=
,、
r為距離向快時(shí)間，、為距離向信號(hào)脈沖寬度，6為信號(hào)調(diào)頻斜率，其中，
6=^/、， ""o為矩形窗。 為了對(duì)調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，可將信號(hào)通過一全通相位校正網(wǎng)絡(luò)，其中全
通相位校正網(wǎng)絡(luò)的幅相特性(如圖3)為
"乂 4;r6 利用(2)式求取全通相位校正網(wǎng)絡(luò)的沖擊響應(yīng)，
(2)
(3)
、4"、
利用變量代換，可求得/K0為
Z (r) = >/^.exp"|_/;r6r2(4) L 4 J
則線性調(diào)頻信號(hào)通過全通校正網(wǎng)絡(luò)后的表達(dá)式為
S。u, (r) r = >^. Cp{—乂W)exp j^(zw)2 -》
^ L " (5)
/T f . "2 "1 sin(;r'6.r -r)
=. exp《7"6^--} --^-
L 4J ;r.6.r
其中，^表示巻積。
式(5)表明線性調(diào)頻信號(hào)通過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)完成壓縮后，其相位存 在一個(gè)符號(hào)相反的二次相位項(xiàng)和一個(gè)常數(shù)相位項(xiàng)。考慮到線性調(diào)頻信號(hào)壓縮后持 續(xù)時(shí)間較短，二次相位項(xiàng)引入的相位誤差非常小，因此可以忽略，而常數(shù)相位項(xiàng) 需要在處理過程中予以補(bǔ)償。本發(fā)明一種星載SAR信號(hào)高精度保相成像處理平臺(tái)的構(gòu)建方法，該方法具 體操作步驟如下
步驟一求解星載SAR數(shù)據(jù)的成像處理參數(shù)，具體包括波前斜距及，、信 號(hào)釆樣率/s 、信號(hào)帶寬5W 、脈沖寬度rp 、脈沖重復(fù)頻率、多普勒中心頻率力、 多普勒調(diào)頻率A、工作波長(zhǎng)A、衛(wèi)星速度F、方位向天線長(zhǎng)度D、方位向信號(hào) 幀數(shù)W。、距離向距離門數(shù)乂、光速c。
本步驟中所涉及的成像處理參數(shù)是SAR信號(hào)成像處理中所必須的參數(shù)，目 前國內(nèi)外星載SAR原始數(shù)據(jù)中均能夠提供上述成像處理參數(shù)。
具體操作流程如下
(1) 讀入衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)頭、輔助數(shù)據(jù)文件等；
(2) 根據(jù)相關(guān)輔助文件解釋說明，正確獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)成像所需的參數(shù)； 步驟二按幀讀入星載SAR回波數(shù)據(jù)，并按二維復(fù)數(shù)數(shù)組的形式進(jìn)行存放。
本步驟實(shí)施的條件在于正確讀入并存放星載SAR回波數(shù)據(jù)(如圖4所示)， 并按二維數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行存放，星載SAR回波數(shù)據(jù)量大，因此通常情況下需要 動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。同時(shí)，考慮到星載SAR信號(hào)為正交信號(hào)，為提高處理效率，數(shù) 據(jù)按復(fù)數(shù)類型進(jìn)行存放。
其中，信號(hào)在二維數(shù)組中存放的表達(dá)式為 <formula>formula see original document page 13</formula>
^表示目標(biāo)后向散射系數(shù)。 Z表示方位向時(shí)間，其采樣間隔為1//^。
r表示距離向快時(shí)間，其釆樣間隔為1/乂。 『。( )表示方位向天線方向性函數(shù)，仿真中R(0 = '"c2 示方位向離軸角，^=義/"表示方位向波束寬度。 <formula>formula see original document page 13</formula>
表示發(fā)射脈沖包絡(luò)c
"^ 表示信號(hào)調(diào)頻斜率。 A表示工作波長(zhǎng)。
及G;i 卜^/f+(卜^-2i F"cosp表示點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)斜距變換的函數(shù)，它
是方位向時(shí)間和斜距的函數(shù)，^表示等效斜視角。 具體操作流程如下(1) 匹配衛(wèi)星有效數(shù)據(jù)的文件頭；
(2) 根據(jù)方位向信號(hào)幀數(shù)W。，距離向距離門數(shù)乂開辟內(nèi)存空間；
(3) 按幀依次讀入數(shù)據(jù)，并以二維復(fù)數(shù)數(shù)組的形式將數(shù)據(jù)正確的存放于所 開辟的內(nèi)存空間；
步驟三沿方位向進(jìn)行快速離散傅立葉變換。
本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)方位向由時(shí)域到頻域的變換，通常為了保 證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟。
進(jìn)行完本步驟的操作后，信號(hào)的表達(dá)式為<formula>formula see original document page 14</formula>
其中，/表示方位向頻率，其采樣間隔為/^/乂，及表示隨距離門變化的斜距c 及sin伊<formula>formula see original document page 14</formula>
具體操作流程如下-.
(1) 從第一個(gè)距離門開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉
變換；
(2) 將變換后的數(shù)據(jù)存放于原距離門數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(3) 重復(fù)(1)、 (2)的操作，直至第乂個(gè)距離門內(nèi)的數(shù)據(jù)方位向離散傅立
葉變換完成。
步驟四在距離多普勒域進(jìn)行多普勒中心頻率的圓周移位。
由于采用的離散信號(hào)處理，因此信號(hào)頻譜是以脈沖重復(fù)頻率為周期重復(fù)出現(xiàn) 的，為了方便后續(xù)處理，需要將頻譜進(jìn)行圓周移位。本步驟的實(shí)施條件在于將多
普勒中心頻率精確的移動(dòng)到數(shù)據(jù)所占內(nèi)存地址的中間位置，如圖5所示，尤其重要的是要正確的獲取多普勒中心頻率的數(shù)值。
具體操作步驟如下
(1) 通過星歷參數(shù)獲取脈沖重復(fù)頻率/w、多普勒中心頻率力及方位向信 號(hào)幀數(shù)W。，為了進(jìn)一步提高精度可利用雜波鎖定的方法對(duì)多普勒中心頻率力進(jìn) 行高精確估計(jì)。
(2) 根據(jù)脈沖重復(fù)頻率/^及多普勒中心頻率厶計(jì)算所需的圓周移位數(shù)
w=(/P)/-力)/y^'w。，由于是數(shù)字信號(hào)，因此需要對(duì)iV進(jìn)行取整操作，即
#=[(/^_/。//^《]，其中H代表取整操作。
(3) 從第一個(gè)距離門開始進(jìn)行多普勒中心頻率的圓周移位，將數(shù)據(jù)向右移 動(dòng)iV個(gè)地址空間；
(4) 將移位后的數(shù)據(jù)存放于原距離門數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(5) 重復(fù)(1)、 (2)的操作，直至第乂個(gè)距離門內(nèi)的數(shù)據(jù)移位完成。
步IE:距離-多普勒域信號(hào)插值處理。
本步驟實(shí)施的條件在于沿距離門對(duì)距離多普勒域信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域插值處 理，消除SAR信號(hào)的空變特性，如圖6所示。
在距離多普勒域乘以一個(gè)校正空變特性所用的插值因子，
《(r,/;~) = exp{-,""/;i re/)C,(/)[>-rre/(/)]2} (8)
其中，i^和^v分別表示參考斜距處的斜距和等效斜視角。
<formula>formula see original document page 15</formula>
、/(/K/[l + C,(/)] 則&和S(f,/;i )相乘后，插值結(jié)果為，<formula>formula see original document page 16</formula>具體操作步驟如下
(1) 開辟內(nèi)存為乂的復(fù)數(shù)空間，用于存放插值因子。
(2) 構(gòu)造第一幀的插值因子。
(3) 將第一幀插值因子和第一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，共完成乂次復(fù)數(shù)乘 法，將結(jié)果存放于第一幀數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋原數(shù)據(jù)。
(4) 構(gòu)造下一幀插值因子，存放于原內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋
上一幀插值因子。
(5) 重復(fù)(2) ~ (4)步驟操作，直至完成第iV。幀數(shù)據(jù)的操作。
步驟六沿距離向進(jìn)行快速離散傅立葉變換。
本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)距離向由時(shí)域到頻域的變換，通常為了保 證精度，釆用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟。
完成距離向時(shí)域到頻域轉(zhuǎn)換后信號(hào)的表達(dá)式為
及<formula>formula see original document page 16</formula>(1) 從第一幀數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉變
換；
(2) 將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(3) 重復(fù)(1)、 (2)的操作，直至第iV。幀的數(shù)據(jù)距離向離散傅立葉變換完成。
步驟七將數(shù)據(jù)在波數(shù)域進(jìn)行距離徙動(dòng)校正及壓縮，完成距離向上的聚焦處理， 并補(bǔ)償殘留的復(fù)常數(shù)相位項(xiàng)。
本步驟實(shí)施的條件在于精確補(bǔ)償距離徙動(dòng)校正的軌跡，同時(shí)補(bǔ)償數(shù)據(jù)通過全 通相位校正網(wǎng)絡(luò)所引入的相位誤差，其中全通相位網(wǎng)絡(luò)的幅度為1，相位特性為
,2 1
(11)
具體操作步驟如下
(1) 開辟內(nèi)存為iV。x乂大小的復(fù)數(shù)空間，用于存放距離向二維全通相位校
正網(wǎng)絡(luò)。
(2) 依次構(gòu)造每一幀數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，直至構(gòu)造完 第W。幀數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，完成距離向二維全通相位校正
網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造。
(3) 將距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)的第一幀數(shù)據(jù)和波數(shù)域的第一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)相乘，共完成乂次復(fù)數(shù)乘法，將結(jié)果存放于波數(shù)域的第一幀數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地
址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋原數(shù)據(jù)。
(4) 重復(fù)操作第(3)步，直至完成第iV。幀數(shù)據(jù)的處理。
步驟八沿距離向進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換。
本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)距離向由頻域到時(shí)域的變換，通常為了保 證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟。
距離向處理完成，其信號(hào)表達(dá)式為，<formula>formula see original document page 18</formula>、
表示距離壓縮后距離向包絡(luò)(
具體操作步驟如下 (1)從第一幀數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉逆
變換；
(2) 將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(3) 重復(fù)(1)、 (2)的操作，直至第乂幀的數(shù)據(jù)距離向離散傅立葉逆變換完成。
步驟九在距離多普勒域完成方位向的聚焦處理，并補(bǔ)償殘留的復(fù)常數(shù)相位項(xiàng)。 本步驟實(shí)施的條件在于通過沿距離門動(dòng)態(tài)更新方位向相位補(bǔ)償因子的方法 完成對(duì)方位向信號(hào)的聚焦處理，同時(shí)補(bǔ)償數(shù)據(jù)通過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)所引入的相 位誤差。方位向全通相位網(wǎng)絡(luò)為二維校正網(wǎng)絡(luò)，其幅度為l,相位特性為
/W一+，/)w小.卩—s—.f一(多)2]
+>r(/;~).[i+c,(/)K(/)
及、
(13)
2 D , 1
r 乂 4
其中，及-;-^^表示隨距離門變化的斜距。
2 sin伊
具體操作步驟如下
(1) 開辟內(nèi)存為iV。x乂大小的復(fù)數(shù)空間，用于存放方位向二維全通相位校
正網(wǎng)絡(luò)。
(2) 構(gòu)造每一個(gè)距離門數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，直至構(gòu)造 完第乂個(gè)數(shù)據(jù)門所對(duì)應(yīng)的方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，完成方位向二維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造。需要注意的是，為了提高精度，需要通過自適應(yīng)的估計(jì)方法去估計(jì)每一個(gè)距離門的多普勒參數(shù)，動(dòng)態(tài)更新不同距離門所對(duì)應(yīng)的方位向相位補(bǔ)償因子，完成方位向二維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)的精確構(gòu)造。
(3) 將方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)和距離多普勒域的第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，共完成W。次復(fù)數(shù)乘法，將結(jié)果存放于距離多普勒
域的第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋原數(shù)據(jù)。
(4) 重復(fù)操作第(3)步，直至完成第乂個(gè)距離門數(shù)據(jù)的處理。
步驟十沿方位向進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換，并補(bǔ)償線性相位誤差。
本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)方位向由頻域到時(shí)域的變換，通常為了保
證精度，釆用離散數(shù)字信號(hào)處理中快速傅里葉逆變換的方法，將方位向信號(hào)由頻
域變換到時(shí)域。為了補(bǔ)償頻率圓周移位所引入的相位誤差，對(duì)變換后生成的時(shí)域
信號(hào)每個(gè)距離門乘以同一個(gè)線'性相位修正因子函數(shù)，表達(dá)式如下
①_ //,r W = exp {—2;r. (iV. / 乂).寸 (14)
式中，f表示快時(shí)間方向，最終得到的處理結(jié)果為
Lcsin J
其中，^(0表示方位天線方向性函數(shù)變化后的包絡(luò)。具體操作步驟如下
(1) 從第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅
立葉逆變換；
(2) 補(bǔ)償方位向上殘留的線性相位；
(3) 將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存的地址；
(4) 重復(fù)(1) ~ (3)的操作，直至第乂個(gè)距離門的數(shù)據(jù)處理完成。
3、優(yōu)點(diǎn)及功效
本發(fā)明一種星載SAR信號(hào)高精度保相成像處理平臺(tái)的構(gòu)建方法的優(yōu)點(diǎn)在
于
(1) 本發(fā)明在CS成像算法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了SAR信號(hào)成像處理的流程，很好地保證了所生成的SAR復(fù)圖像的絕對(duì)相位精度，具有相位精確度高的優(yōu)點(diǎn)。
(2) 本發(fā)明通過在時(shí)域補(bǔ)償SAR信號(hào)經(jīng)過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)完成壓縮時(shí)引入的相位誤差，有效地提高了 SAR圖像的相位保持精度。
(3) 本發(fā)明根據(jù)信號(hào)的時(shí)域-頻域映射關(guān)系，通過添加線性相位修正因子的
^ exp卩；竿4 (15)
l 乂 J方法在時(shí)域很好地補(bǔ)償了頻域圓周移位所引入的相位誤差，具有操作靈活、處理精度高的特點(diǎn)。
(4) 本發(fā)明通過在距離-多普勒域中沿距離門更新方位向相位補(bǔ)償因子的方法，有效地保證了整個(gè)成像區(qū)域范圍內(nèi)SAR圖像相位精度的一致性。
(5) 本發(fā)明的處理流程具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、模塊化操作的優(yōu)點(diǎn)，有利于處理豐莫塊在不同處理平臺(tái)之間的移植，使資源實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化利用，因此具有較好的通用性和實(shí)用性。
(四)
圖1是星載分布式衛(wèi)星SAR干涉測(cè)高示意圖。
圖2是星載InSAR信號(hào)處理流程圖。
圖3是全通相位網(wǎng)絡(luò)頻域幅相特性示意圖。
圖4是星載SAR回波數(shù)據(jù)存放說明示意圖。
圖5是多普勒中心頻率圓周移位示意圖。
圖6是信號(hào)在距離多普勒域插值處理示意圖。
圖7是星載SAR信號(hào)的高精度保相成像處理方法流程圖。
圖8是成像處理后的相位誤差分析結(jié)果對(duì)比。
圖中符號(hào)說明如下
圖3中，w代表角頻率，5p表示信號(hào)處理器帶寬。
圖4中，及^表示波前距離，即第一個(gè)距離門所對(duì)應(yīng)的斜距；及」表示第j個(gè)距離門所對(duì)應(yīng)的斜距，乂表示方位向信號(hào)幀數(shù)，乂表示距離向距離門個(gè)數(shù)。圖5中，/表示多普勒瞬時(shí)頻率，/。表示多普勒中心頻率，/^表示脈沖重
復(fù)頻率。
圖6中，虛線表示重新插值后的結(jié)果。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖1是星載分布式衛(wèi)星SAR干涉測(cè)高示意圖，該系統(tǒng)作為目前一種最佳的
工作f莫式，已經(jīng)成為InSAR系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中的研究"熱點(diǎn)"之一。
圖2是星載InSAR信號(hào)處理流程圖。處理流程大致上可以分為以下幾個(gè)步
驟(！)成像處理(2)圖像配準(zhǔn)(3)圖像干涉(4)相位解纏(5)高程反演(6)200910091286.8 幾何校正。
圖3是全通相位網(wǎng)絡(luò)頻域幅相特性示意圖，它用于對(duì)調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行壓縮處理。
本發(fā)明主要針對(duì)星載SAR信號(hào)處理難以保持相位精度這一問題，提出了一種星載SAR信號(hào)的高精度保相成像處理方法及平臺(tái)，該方法補(bǔ)償了星載SAR信號(hào)在處理過程中所引入的相位誤差，尤其是補(bǔ)償了 SAR信號(hào)通過全通相位網(wǎng)絡(luò)所引入的殘留相位誤差及頻域圓周移位所引入的殘留相位誤差，從而得到了很高的相位保持精度，為InSAR處理奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明既可在微型計(jì)箅機(jī)機(jī)上實(shí)現(xiàn)，也可集成于基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的硬件設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)處理。本實(shí)例的實(shí)施環(huán)境為普通微型計(jì)算機(jī)，其中央處理器單元(CPU)為Pentium(R) 4, CPU主頻為3.0GHz,硬盤存儲(chǔ)空間為80GB,內(nèi)部存儲(chǔ)器(內(nèi)存)為2GB,顯示設(shè)備為17寸液晶顯示屏。
本發(fā)明一種星載SAR信號(hào)高精度保相成像處理平臺(tái)的構(gòu)建方法，其具體操作步驟如下
步驟一求解衛(wèi)星數(shù)據(jù)成像處理參數(shù)，包括波前斜距及)n =630176.000m、信號(hào)采樣率,=125.0M/fe 、信號(hào)帶寬5W = 1 lO.OA/Zfe 、脈沖寬度、=20.0//s 、脈沖重復(fù)頻率/w-3200.0他、多普勒中心頻率力-17歷、多普勒調(diào)頻率/w=5707/fe/s、工作波長(zhǎng)義=0.03/ 、衛(wèi)星速度7 = 7662///〃，方位向天線長(zhǎng)度Z) = 7.5/ ，方位向幀數(shù)夂=2048 ，距離向采樣點(diǎn)數(shù)乂=8192 ，光速c = 299792458m
本步驟的實(shí)施條件在于需要通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)文件頭獲取成像操作中所需要的必要參數(shù)，通常情況下，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)SAR信號(hào)數(shù)據(jù)均提供這些成像處理參數(shù)，為了能更迸一步提高處理精度，還可以對(duì)一些重要參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)處理，如多普勒中心頻率力及多普勒調(diào)頻率/ 等。
步驟二按幀讀入星載SAR回波數(shù)據(jù)，并按二維復(fù)數(shù)數(shù)組的形式進(jìn)行存放。如圖4所示，本步驟實(shí)施的條件在于正確讀入星載SAR回波數(shù)據(jù)，由于星載SAR系統(tǒng)采用正交兩路信號(hào)采集數(shù)據(jù)，因此為了處理方便，可將數(shù)據(jù)按二維復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行存放。同時(shí)，由于星載SAR回波的數(shù)據(jù)量通常較大，為提高效率，通常情況下需要進(jìn)行內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配。信號(hào)在二維數(shù)組中存放的表達(dá)式如下式所示<formula>formula see original document page 22</formula>其中，
《表示目標(biāo)后向散射系數(shù)，仿真處理中^ = 1。f表示方位向時(shí)間，其采樣間隔為1//^ =312.5//"
r表示距離向快時(shí)間，其采樣間隔為1/義=8.0似
『。G)表示方位向天線方向性函數(shù)，仿真中『。(0 = w'"c2
<formula>formula see original document page 22</formula>
示方位向離軸角，& =義/" = 0.00#^/表示方位向波束寬度。2
r一一
為發(fā)射脈沖包絡(luò)，仿真中采用矩形包絡(luò)，幅度為l,
& = 5.5el2/fe"表示信號(hào)調(diào)頻斜率。
;U0.03/m表示工作波長(zhǎng)。
c = 299792458/m / ;y表示光速。
及(^) = ^2+^.^—2及r."osp表示點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)斜距變換的函數(shù)，它
是方位向時(shí)間和斜距的函數(shù)，p表示等效斜視角。具體操作流程如下
(1) 匹配衛(wèi)星有效數(shù)據(jù)的文件頭；
(2) 根據(jù)方位向信號(hào)幀數(shù)^。=2048,距離向距離門數(shù)A^-8192開辟內(nèi)存
空間；
(3) 按幀依次讀入數(shù)據(jù)，并以二維復(fù)數(shù)數(shù)組的形式將數(shù)據(jù)正確的存放于所開辟的內(nèi)存空間；
步驟三沿方位向進(jìn)行快速離散傅立葉變換
本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)方位向由時(shí)域到頻域的變換，通常為了保證精度,采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟，同時(shí)為了提高處理效率，可采用不同距離門并行處理的方式進(jìn)行本步驟的操作。進(jìn)行完本步驟的操作后，信號(hào)的表達(dá)式如下式所示<formula>formula see original document page 23</formula>
其中，/表示方位向頻率，其釆樣間隔為/^/iV。-1.5625他，及表示隨距離門變化的斜距。
<formula>formula see original document page 23</formula>
具體操作流程如下
(1) 從第一個(gè)距離門開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉
變換；
(2) 將變換后的數(shù)據(jù)存放于原距離門數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(3) 重復(fù)(1)、 (2)的操作，直至第乂=8192個(gè)距離門內(nèi)的數(shù)據(jù)方位向離
散傅立葉變換完成。
步驟四多普勒中心頻率的圓周移位
如圖5所示，本步驟地實(shí)施條件在于對(duì)于每一個(gè)距離門內(nèi)的數(shù)據(jù)，將多普勒中心頻率精確的移動(dòng)到該距離門數(shù)據(jù)所占內(nèi)存地址的中間位置，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于后續(xù)操作中更加方便，減少地址移位操作。
具體的操作步驟如下
(1) 通過星歷參數(shù)獲取脈沖重復(fù)頻率/w-3200/fe、多普勒中心頻率
力=17/&及方位向信號(hào)幀數(shù)乂 =2048 ，為了進(jìn)一步提高精度可利用雜波鎖定的
方法對(duì)多普勒中心頻率力進(jìn)行高精確估計(jì)。
(2) 根據(jù)脈沖重復(fù)頻率/^及多普勒中心頻率力計(jì)算所需的圓周移位數(shù)W = (/w-/》//^^。，由于是數(shù)字信號(hào)，因此需要對(duì)W進(jìn)行取整操作，即〃-[(/w -力)//^.^]-2037，其中[.代表取整操作。(3) 從第一個(gè)距離門開始進(jìn)行多普勒中心頻率的圃周移位，將數(shù)據(jù)向右移 動(dòng)iV-2037個(gè)地址空間-，
(4) 將移位后的數(shù)據(jù)存放于原距離門數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(5) 重復(fù)(1)、 (2)的操作，直至第X-8192個(gè)距離門內(nèi)的數(shù)據(jù)移位完成。
步驟五距離-多普勒域信號(hào)插值處理。
如圖6所示，本步驟實(shí)施的條件在于沿距離門對(duì)距離多普勒域信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn) 行時(shí)域插值處理，消除SAR信號(hào)的空變特性，其原理是利用一個(gè)和調(diào)頻率有關(guān) 的線性調(diào)頻信號(hào)去和方位頻域的距離向調(diào)頻信號(hào)相乘，調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式如下式 所示
<formula>formula see original document page 24</formula> (8)
其中，及< ^634413.2m和^V =89.998°分別為參考斜距處的斜距和等效斜視角。
<formula>formula see original document page 24</formula>
相乘后，其結(jié)果仍然是一個(gè)調(diào)頻信號(hào)，但調(diào)頻斜率和相位中心發(fā)生了變化，
鄰("M(/;^)《i+c城M力了)
<formula>formula see original document page 24</formula>
具體操作步驟如下
(1) 開辟內(nèi)存為乂=8192的復(fù)數(shù)空間，用于存放插值因子。
(2) 構(gòu)造第一幀的插值因子。
(3) 將第一幀插值因子和第一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，共完成乂=8192次復(fù)數(shù)乘法，將結(jié)果存放于第一幀數(shù)據(jù)所在內(nèi)存位置，覆蓋原數(shù)據(jù)。
(4) 構(gòu)造下一幀插值因子，存放于原內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋上 一幀插值因子。
(5) 重復(fù)(2) ~ (4)步驟，直至完成第^。=2048幀數(shù)據(jù)的操作。 步驟六沿距離向進(jìn)行快速離散傅立葉變換。
本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)距離向由時(shí)域到頻域的變換，通常為了 保證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟。完成距離向時(shí)域到頻域 轉(zhuǎn)換后信號(hào)的表達(dá)式如下式所示
及A/ sinp
ji—r r
V Uf乂
M/;~)[1+c,(/)]
exp
exp
「、(/;^)[i+雨]j
x2
.4tt r — /——./r c
及
sin伊 sin
+
(io)
.、.，「義/、
~/—i .sin爐.,ll一l
7t
力'與^(/;^)'[i《(/)].c;(/). *，-~
廣
其中，y;表示距離向頻率，其采樣間隔為/"乂=15.25《他
具體操作步驟如下
(1) 從第一幀數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉變
換；
(2) 將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(3) 重復(fù)(1)、 (2)的操作，直至第^V。-2048幀的數(shù)據(jù)距離向離散傅立葉
變換完成。
步驟七將數(shù)據(jù)在波數(shù)域進(jìn)行距離徙動(dòng)校正及壓縮，完成距離向上的聚焦處 理，并補(bǔ)償殘留的復(fù)常數(shù)相位項(xiàng)。具體做法為將二位數(shù)據(jù)沿方位向通過全通相位 校正網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)償距離徙動(dòng)及完成距離壓縮，其中，全通相位網(wǎng)絡(luò)為二維校正網(wǎng)絡(luò)，
其幅度為l，相位特性如下:
廣 ^ 4 1、
(11)具體操作步驟如下-.
(1) 開辟內(nèi)存為W。x乂 =2048x8192大小的復(fù)數(shù)空間，用于存放距離向二
維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)。
(2) 依次構(gòu)造每一幀數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，直至構(gòu)造完 第W。幀數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，完成距離向二維全通相位校正
網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造。
(3) 將距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)的第一幀數(shù)據(jù)和波數(shù)域的第一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)相乘，共完成乂=8192次復(fù)數(shù)乘法，將結(jié)果存放于波數(shù)域的第一幀數(shù)據(jù)所在
內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋原數(shù)據(jù)。
(4) 重復(fù)操作第(3)步，直至完成第乂=2048幀數(shù)據(jù)的處理。
步驟八沿距離向進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換。
本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)距離向由頻域到時(shí)域的變換，通常為了保 證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟。經(jīng)過此步驟后，距離向處 理完成，其信號(hào)表達(dá)式如下所示
2r
爿
r一2及.
乂
.exp'
4;r. / 一y'—i -sinp-、fl一
、2
(12)
廣
及，-~
.拜< .
其中，乂
表示距離壓縮后距離向包絡(luò)。
具體操作步驟如下
(1) 從第一幀數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉逆
變換；
(2) 將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(3) 重復(fù)(1)、 (2)的操作，直至第W。-2048幀的數(shù)據(jù)距離向離散傅立葉
逆變換完成。步驟九在距離多普勒域完成方位向的聚焦處理，并補(bǔ)償殘留的復(fù)常數(shù)相位項(xiàng)。
本步驟實(shí)施的條件在于通過沿距離門動(dòng)態(tài)更新方位向相位補(bǔ)償因子的方法 完成對(duì)方位向信號(hào)的聚焦處理，同時(shí)補(bǔ)償數(shù)據(jù)通過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)所引入的相 位誤差。具體做法為將二維數(shù)據(jù)沿距離門通過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)，完成方位向聚 焦處理及殘余誤差處理，其中，全通相位網(wǎng)絡(luò)為二維校正網(wǎng)絡(luò)，其幅度為l,相 位特性如下<formula>formula see original document page 27</formula>其中，<formula>formula see original document page 27</formula>表示隨距離門變化的斜距。
2 smp
具體操作步驟如下
(1) 開辟內(nèi)存為<formula>formula see original document page 27</formula>大小的復(fù)數(shù)空間，用于存放方位向二
維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)。
(2) 構(gòu)造每一個(gè)距離門數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，直至構(gòu)造 完第乂 =8192個(gè)數(shù)據(jù)門所對(duì)應(yīng)的方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，完成方位向二維全
通相位校正網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造。需要注意的是，為了提高精度，需要通過自適應(yīng)的估計(jì) 方法去估計(jì)每一個(gè)距離門的多普勒參數(shù)，動(dòng)態(tài)更新不同距離門所對(duì)應(yīng)的方位向相 位補(bǔ)償因子，完成方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)的精確構(gòu)造。
(3) 將方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)和距離多普勒域的第一個(gè) 距離門數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，共完成i^-2048次復(fù)數(shù)乘法，將結(jié)果存放于距離
多普勒域的第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋原數(shù)據(jù)。
(4) 重復(fù)操作第(3)步，直至完成第A^-8192個(gè)距離門數(shù)據(jù)的處理。
步驟十沿方位向進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換，并補(bǔ)償線性相位誤差。 本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)方位向由頻域到時(shí)域的變換，通常為了保 證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟，同時(shí)補(bǔ)償圓周移位所引入 的相位誤差。具體做法是將信號(hào)沿距離門進(jìn)行快速離散發(fā)傅立葉逆變換，將做完
27逆變換后的數(shù)據(jù)沿每個(gè)距離門乘以同一個(gè)線性相位修正因子函數(shù)，以校正頻率圓
周移位所引入的相位誤差，如下所示
O—//"e。r W = exp {—2;r - ( W / iV。).寸 (14)
其中，(W'/^/;V。) = 3182.8125 ，最終得到的處理結(jié)果為
s5(;，/)"《(,H
exp -;'平/ (15)
l 乂 J
csm 乂
具體操作步驟如下
(1) 從第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅 立葉逆變換；
(2) 補(bǔ)償方位向上殘留的線性相位；
(3) 將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；
(4) 重復(fù)(1) ~ (3)的操作，直至第乂=8192個(gè)距離門的數(shù)據(jù)方位向離
散傅立葉逆變換完成。
4兀
最終經(jīng)過成像處理后，可獲得目標(biāo)的理論理想相位為;及，利用該相位可
以完成后續(xù)的InSAR干涉測(cè)高處理。
為了能更好的說明本方法的有效性和優(yōu)越性，本發(fā)明進(jìn)行了信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)， 其結(jié)果驗(yàn)證了本方法的有效性。表1給出了仿真參數(shù)及成像處理參數(shù)，為了驗(yàn)證 保相處理的精度，采用3x3的點(diǎn)方陣(間隔為100m x 100m)共9個(gè)標(biāo)示點(diǎn)進(jìn)行回 波數(shù)據(jù)仿真。表2給出了成像處理后的相位結(jié)果,表3給出了相位誤差變化結(jié)果。
_表1仿真參數(shù)及成像處理參數(shù)_
仿真參數(shù)數(shù)值數(shù)值
軌道半長(zhǎng)軸m6886466.0
軌道傾角o97.0
近地點(diǎn)幅角o90.0
升交點(diǎn)赤經(jīng)o120.0
偏心率0.001
工作波長(zhǎng)m0.03
信號(hào)帶寬MHz110.0
信號(hào)采樣率MHz125.0
脈沖寬度20.0脈沖重復(fù)頻率Hz3200.0
多普勒中心頻率Hz17.0
多普勒調(diào)頻率Hz/s5707.0
波前斜距m630176.0
衛(wèi)星速度m/s7662
方位向天線尺寸m7.5
方位向點(diǎn)數(shù)2048
距離向點(diǎn)數(shù)8192
表2成像處理后的相位結(jié)果標(biāo)示點(diǎn)理論相位 (單位度)本發(fā)明方法處理結(jié) 果(單位度)傳統(tǒng)方法處理結(jié) 果(單位度)
1-78.59-78.54-90.64
2169.42169.35157.52
3153.89153.98142.40
460.3761.16-30.55
5-29.86-29.96-121.42
6-23.66-23.77-114.94
7-164.95-163.8224.83
8126.52126.79-44.26
9154.44155.27-15.51
(注上述理論相位都是折算到-pi到+pi，即-180度到+180度之間)
表3成像處理后的相位誤差分析結(jié)果對(duì)比
標(biāo)示點(diǎn)
1
2
3
4
理論相位 本發(fā)明方法的相位傳統(tǒng)方法的相位
(單位度)誤差(單位度)誤差(單位度)
-78.59
169.42
153.89
60.37
-29.86
0.05 -0.08 0.09 0.79 -0.10
-12.05 -11 .卯 -11.49 -90.92 -91.566 -23.66 -0.11 -91.28
7 -164.95 1.14 189.78
8 126.52 0.28 -170.78 _2_154.44__-169.95
相位誤差標(biāo)準(zhǔn)差(度)__103.24
通過上述仿真結(jié)果可以看出，本方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)成像處理方法，相位保持 特性有了很大的提高。本方法在成像處理流程中很好地保留了目標(biāo)的相位信息， 尤其是能夠有效地補(bǔ)償信號(hào)通過全通相位網(wǎng)絡(luò)所引入的相位誤差以及信號(hào)處理 中頻率圓周移位所引入的線性相位誤差，同時(shí)沿距離門采用了動(dòng)態(tài)更新方位向相 位補(bǔ)償因子的方法，從而進(jìn)一步減小了相位誤差，提高了目標(biāo)相位信息保持的精 度。因此，本方法可很好完成保相成像處理，為InSAR測(cè)高處理奠定了基礎(chǔ)。
圖7是星載SAR信號(hào)的高精度保相成像處理方法流程圖。
圖8是成像處理后的相位誤差分析結(jié)果對(duì)比。
實(shí)踐證明本方法可以快速靈活地完成SAR信號(hào)的保相成像處理。
權(quán)利要求
1、一種星載SAR信號(hào)高精度保相成像處理平臺(tái)的構(gòu)建方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一求解星載SAR數(shù)據(jù)的成像處理參數(shù)，具體包括波前斜距R_min、信號(hào)采樣率fs、信號(hào)帶寬Bw、脈沖寬度τp、脈沖重復(fù)頻率fprf、多普勒中心頻率fd、多普勒調(diào)頻率fR、工作波長(zhǎng)λ、衛(wèi)星速度V、方位向天線長(zhǎng)度D、方位向信號(hào)幀數(shù)Na、距離向距離門數(shù)Nr、光速c；具體操作流程如下(1)讀入衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)頭、輔助數(shù)據(jù)文件；(2)根據(jù)相關(guān)輔助文件解釋說明，正確獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)成像所需的參數(shù)；步驟二按幀讀入星載SAR回波數(shù)據(jù)，并按二維復(fù)數(shù)數(shù)組的形式進(jìn)行存放；本步驟實(shí)施的條件在于正確讀入并存放星載SAR回波數(shù)據(jù)，并按二維數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行存放；因星載SAR回波數(shù)據(jù)量大，需要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存，并考慮到星載SAR信號(hào)為正交信號(hào)，數(shù)據(jù)按復(fù)數(shù)類型進(jìn)行存放；其中，信號(hào)在二維數(shù)組中存放的表達(dá)式為<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>S</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>τ</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>;</mo> <mi>R</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>δ</mi><mo>·</mo><msub> <mi>W</mi> <mi>a</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>a</mi><mo>[</mo><mi>τ</mi><mo>-</mo><mfrac> <mn>2</mn> <mi>c</mi></mfrac><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>;</mo> <mi>R</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>·</mo><mi>exp</mi><mo>{</mo><mo>-</mo><mi>jπb</mi><msup> <mrow><mo>[</mo><mi>τ</mi><mo>-</mo><mfrac> <mn>2</mn> <mi>c</mi></mfrac><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>;</mo> <mi>R</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>}</mo><mo>·</mo><mi>exp</mi><mo>{</mo><mo>-</mo><mi>j</mi><mfrac> <mrow><mn>4</mn><mi>π</mi> </mrow> <mi>λ</mi></mfrac><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>;</mo> <mi>R</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>δ表示目標(biāo)后向散射系數(shù)；t表示方位向時(shí)間，其采樣間隔為1/fprf；τ表示距離向快時(shí)間，其采樣間隔為1/fs；Wa(t)表示方位向天線方向性函數(shù)，仿真中 id="icf0002" file="A2009100912860002C2.tif" wi="44" he="12" top= "175" left = "112" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>θa(t)表示方位向離軸角，θA＝λ/D表示方位向波束寬度； id="icf0003" file="A2009100912860002C3.tif" wi="28" he="10" top= "196" left = "33" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>表示發(fā)射脈沖包絡(luò)；b＝Bw/τp表示信號(hào)調(diào)頻斜率；λ表示工作波長(zhǎng)； id="icf0004" file="A2009100912860002C4.tif" wi="64" he="7" top= "224" left = "33" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>表示點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)斜距變換的函數(shù)，它是方位向時(shí)間和斜距的函數(shù)， id="icf0005" file="A2009100912860002C5.tif" wi="2" he="3" top= "236" left = "81" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>表示等效斜視角；具體操作流程如下(1)匹配衛(wèi)星有效數(shù)據(jù)的文件頭；(2)根據(jù)方位向信號(hào)幀數(shù)Na，距離向距離門數(shù)Nr開辟內(nèi)存空間；(3)按幀依次讀入數(shù)據(jù)，并以二維復(fù)數(shù)數(shù)組的形式將數(shù)據(jù)正確的存放于所開辟的內(nèi)存空間；步驟三沿方位向進(jìn)行快速離散傅立葉變換；本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)方位向由時(shí)域到頻域的變換，為保證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟；進(jìn)行完本步驟的操作后，信號(hào)的表達(dá)式為其中，f表示方位向頻率，其采樣間隔為fprf/Na，R表示隨距離門變化的斜距；具體操作流程如下(1)從第一個(gè)距離門開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉變換；(2)將變換后的數(shù)據(jù)存放于原距離門數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；(3)重復(fù)(1)、(2)的操作，直至第Nr個(gè)距離門內(nèi)的數(shù)據(jù)方位向離散傅立葉變換完成；步驟四在距離多普勒域進(jìn)行多普勒中心頻率的圓周移位；本步驟的實(shí)施條件在于將多普勒中心頻率精確的移動(dòng)到數(shù)據(jù)所占內(nèi)存地址的中間位置，尤其是要正確的獲取多普勒中心頻率的數(shù)值；具體操作步驟如下(1)通過星歷參數(shù)獲取脈沖重復(fù)頻率fprf、多普勒中心頻率fd及方位向信號(hào)幀數(shù)Na，為了進(jìn)一步提高精度可利用雜波鎖定的方法對(duì)多普勒中心頻率fd進(jìn)行高精確估計(jì)；(2)根據(jù)脈沖重復(fù)頻率fprf及多普勒中心頻率fd計(jì)算所需的圓周移位數(shù)N＝(fprf-fd)/fprf·Na，由于是數(shù)字信號(hào)，因此需要對(duì)N進(jìn)行取整操作，即N＝[(fprf-fd)/fprf·Na]，其中[·]代表取整操作；(3)從第一個(gè)距離門開始進(jìn)行多普勒中心頻率的圓周移位，將數(shù)據(jù)向右移動(dòng)N個(gè)地址空間；(4)將移位后的數(shù)據(jù)存放于原距離門數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；(5)重復(fù)(1)、(2)的操作，直至第Nr個(gè)距離門內(nèi)的數(shù)據(jù)移位完成；步驟五距離-多普勒域信號(hào)插值處理；本步驟實(shí)施的條件在于沿距離門對(duì)距離多普勒域信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域插值處理，消除SAR信號(hào)的空變特性，在距離多普勒域乘以一個(gè)校正空變特性所用的插值因子，φcs(τ，f；Rref)＝exp{-j·π·br(f；Rref)Cs(f)[τ-τref(f)]2} (8)其中，Rref和 id="icf0011" file="A2009100912860004C1.tif" wi="5" he="3" top= "149" left = "51" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>分別表示參考斜距處的斜距和等效斜視角；τref(f)＝Rref[1+Cs(f)]則φcs和S1(τ，f；R)相乘后，插值結(jié)果為，具體操作步驟如下(1)開辟內(nèi)存為Nr的復(fù)數(shù)空間，用于存放插值因子；(2)構(gòu)造第一幀的插值因子；(3)將第一幀插值因子和第一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，共完成Nr次復(fù)數(shù)乘法，將結(jié)果存放于第一幀數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋原數(shù)據(jù)；(4)構(gòu)造下一幀插值因子，存放于原內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋上一幀插值因子；(5)重復(fù)(2)～(4)步驟操作，直至完成第Na幀數(shù)據(jù)的操作；步驟六沿距離向進(jìn)行快速離散傅立葉變換；本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)距離向由時(shí)域到頻域的變換，為保證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟；完成距離向時(shí)域到頻域轉(zhuǎn)換后信號(hào)的表達(dá)式為其中，fr表示距離向頻率；具體操作步驟如下(1)從第一幀數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉變換；(2)將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；(3)重復(fù)(1)、(2)的操作，直至第Na幀的數(shù)據(jù)距離向離散傅立葉變換完成；步驟七將數(shù)據(jù)在波數(shù)域進(jìn)行距離徙動(dòng)校正及壓縮，完成距離向上的聚焦處理，并補(bǔ)償殘留的復(fù)常數(shù)相位項(xiàng)；本步驟實(shí)施的條件在于精確補(bǔ)償距離徙動(dòng)校正的軌跡，同時(shí)補(bǔ)償數(shù)據(jù)通過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)所引入的相位誤差，其中全通相位網(wǎng)絡(luò)的幅度為1，相位特性為<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>Phase</mi><mo>_</mo><mi>r</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>f</mi><mi>r</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>π</mi><mo>·</mo><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac><msubsup> <mi>f</mi> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msubsup><mrow> <msub><mi>b</mi><mi>r</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>;</mo><msub> <mi>R</mi> <mi>ref</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>[</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub><mi>C</mi><mi>s</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo></mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><mn>4</mn><mi>c</mi> </mfrac> <mo>·</mo> <msub><mi>f</mi><mi>r</mi> </msub> <msub><mi>R</mi><mi>ref</mi> </msub> <msub><mi>C</mi><mi>s</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac><mn>1</mn><mn>4</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>具體操作步驟如下(1)開辟內(nèi)存為Na×Nr大小的復(fù)數(shù)空間，用于存放距離向二維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)；(2)依次構(gòu)造每一幀數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，直至構(gòu)造完第Na幀數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，完成距離向二維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造；(3)將距離向相位校正網(wǎng)絡(luò)的第一幀數(shù)據(jù)和波數(shù)域的第一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，共完成Nr次復(fù)數(shù)乘法，將結(jié)果存放于波數(shù)域的第一幀數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋原數(shù)據(jù)；(4)重復(fù)操作第(3)步，直至完成第Na幀數(shù)據(jù)的處理；步驟八沿距離向進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換；本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)距離向由頻域到時(shí)域的變換，為保證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)的處理方法完成這一步驟；距離向處理完成，其信號(hào)表達(dá)式為，其中， id="icf0026" file="A2009100912860007C4.tif" wi="33" he="12" top= "88" left = "46" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>表示距離壓縮后距離向包絡(luò)；具體操作步驟如下(1)從第一幀數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換；(2)將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；(3)重復(fù)(1)、(2)的操作，直至第Na幀的數(shù)據(jù)距離向離散傅立葉逆變換完成；步驟九在距離多普勒域完成方位向的聚焦處理，并補(bǔ)償殘留的復(fù)常數(shù)相位項(xiàng)；本步驟實(shí)施的條件在于通過沿距離門動(dòng)態(tài)更新方位向相位補(bǔ)償因子的方法完成對(duì)方位向信號(hào)的聚焦處理，同時(shí)補(bǔ)償數(shù)據(jù)通過全通相位校正網(wǎng)絡(luò)所引入的相位誤差；方位向全通相位網(wǎng)絡(luò)為二維校正網(wǎng)絡(luò)，其幅度為1，相位特性為其中， id="icf0030" file="A2009100912860007C8.tif" wi="26" he="10" top= "222" left = "46" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>表示隨距離門變化的斜距；具體操作步驟如下(1)開辟內(nèi)存為Na×Nr大小的復(fù)數(shù)空間，用于存放方位向二維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)；(2)構(gòu)造每一個(gè)距離門數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，直至構(gòu)造完第Nr個(gè)數(shù)據(jù)門所對(duì)應(yīng)的方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，完成方位向二維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造；為了提高精度，需要通過自適應(yīng)的估計(jì)方法去估計(jì)每一個(gè)距離門的多普勒參數(shù)，動(dòng)態(tài)更新不同距離門所對(duì)應(yīng)的方位向相位補(bǔ)償因子，完成方位向二維全通相位校正網(wǎng)絡(luò)的精確構(gòu)造；(3)將方位向相位校正網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)和距離多普勒域的第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，共完成Na次復(fù)數(shù)乘法，將結(jié)果存放于距離多普勒域的第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，即覆蓋原數(shù)據(jù)；(4)重復(fù)操作第(3)步，直至完成第Nr個(gè)距離門數(shù)據(jù)的處理；步驟十沿方位向進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換，并補(bǔ)償線性相位誤差；本步驟實(shí)施的條件在于精確的實(shí)現(xiàn)方位向由頻域到時(shí)域的變換，為了保證精度，采用離散數(shù)字信號(hào)處理中快速傅里葉逆變換的方法，將方位向信號(hào)由頻域變換到時(shí)域；為了補(bǔ)償頻率圓周移位所引入的相位誤差，對(duì)變換后生成的時(shí)域信號(hào)每個(gè)距離門乘以同一個(gè)線性相位修正因子函數(shù)，表達(dá)式如下Φ_linear(t)＝exp{-2π·(N·fprf/Na)·t} (14)式中，t表示快時(shí)間方向，最終得到的處理結(jié)果為其中，Wac(t)表示方位天線方向性函數(shù)變化后的包絡(luò)；具體操作步驟如下(1)從第一個(gè)距離門數(shù)據(jù)開始，對(duì)其內(nèi)存中所存放的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換；(2)補(bǔ)償方位向上殘留的線性相位；(3)將變換后的數(shù)據(jù)存放于原數(shù)據(jù)所在內(nèi)存的地址；(4)重復(fù)(1)～(3)的操作，直至第Nr個(gè)距離門的數(shù)據(jù)處理完成。
全文摘要
一種星載SAR信號(hào)高精度保相成像處理平臺(tái)的構(gòu)建方法，它有十大步驟一、求解星載SAR數(shù)據(jù)成像處理參數(shù)；二、按幀讀入星載SAR回波數(shù)據(jù)并按二維復(fù)數(shù)數(shù)組形式進(jìn)行存放；三、沿方位向進(jìn)行快速離散傅立葉變換；四、在距離多普勒域進(jìn)行多普勒中心頻率圓周移位；五、距離-多普勒域信號(hào)插值處理；六、沿距離向進(jìn)行快速離散傅立葉變換；七、將數(shù)據(jù)在波數(shù)域進(jìn)行距離徙動(dòng)校正及壓縮，完成距離向上聚焦處理并補(bǔ)償殘留復(fù)常數(shù)相位項(xiàng)；八、沿距離向進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換；九、在距離多普勒域完成方位向聚焦處理并補(bǔ)償殘留復(fù)常數(shù)相位項(xiàng)；十、沿方位向進(jìn)行快速離散傅立葉逆變換并補(bǔ)償頻域圓周移位所引入線性相位誤差。本方法可快速靈活完成SAR信號(hào)的保相成像處理。
文檔編號(hào)G01S13/90GK101685159SQ20091009128
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2009年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月17日
發(fā)明者李春升, 威 楊, 杰 陳 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)