一種重復(fù)軌道星載自然場景sar復(fù)圖像數(shù)據(jù)快速仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR)技術(shù)領(lǐng)域，涉及 一種重復(fù)軌道星載自然場景SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)快速仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達衛(wèi)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(wèi) 星，在軍事、海洋、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，美國、歐共體、加拿大和日本等國 家已發(fā)射了多顆SAR衛(wèi)星，獲得了巨大的成功，國外在SAR衛(wèi)星的研制過程中普遍采用數(shù)字 仿真技術(shù)來實現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)總體方案的優(yōu)化設(shè)計。星載SAR復(fù)圖像仿真能夠為SAR系統(tǒng)誤差的 仿真分析、雷達圖像處理以及干涉SAR技術(shù)研究提供帶有先驗知識的圖像數(shù)據(jù)，對于SAR系 統(tǒng)的工程開發(fā)研究和應(yīng)用研究都具有十分重要的意義。干涉合成孔徑雷達 (Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR)是指米用兩部天線或者一部天線 兩次飛行獲得的SAR圖像數(shù)據(jù)想結(jié)合，通過干涉來獲取三維高度信息，可以實現(xiàn)全天候、全 天時的觀測，InSAR技術(shù)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(zhì)、災(zāi) 害監(jiān)測等領(lǐng)域中，而作為InSAR的特殊運用方法，差分干涉合成孔徑雷達(Differential Interferometric InSAR，DInSAR)技術(shù)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(wěn)定性以及發(fā)展前景，使 得它在地表形變監(jiān)測的領(lǐng)域中，逐漸取代了傳統(tǒng)的水準檢測方法與GPS方法，并愈發(fā)起到了 至關(guān)重要的作用。而對于InSAR和D-InSAR技術(shù)，需要多幅具有一定的基線的重復(fù)衛(wèi)星軌道 (全部升軌或者全部降軌）對同一目標區(qū)域產(chǎn)生的SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，其中PS-DlnSAR更是需要十幅以上的SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)，但是對于某些場景或者成像條件的重復(fù)軌道 缺乏真實星載SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)，而且現(xiàn)在的真實數(shù)據(jù)也普遍缺乏有效的先驗輔助數(shù)據(jù)，不利 于算法的分析和驗證。因此，進行針對自然場景的重復(fù)軌道星載SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)計算機數(shù)字 仿真具有十分重要的意義。
[0003] Julian根據(jù)SAR圖像解譯技術(shù)研究的需要，首次建立了 SAR圖像仿真系統(tǒng)，隨后 Kaupp利用該系統(tǒng)研究了雷達入射角對星載SAR圖像特征的影響，對仿真技術(shù)應(yīng)用于SAR衛(wèi) 星系統(tǒng)方案設(shè)計進行了初步嘗試，隨后SAR衛(wèi)星技術(shù)的蓬勃發(fā)展推動了 SAR圖像仿真技術(shù)的 研究。Franceschetti建立了 SARAS仿真系統(tǒng)，給出了一種三維地面場景SAR圖像仿真的模 型。SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)仿真是根據(jù)一定的地面地形資料，在一定的平臺軌道參數(shù)，雷達參數(shù)基 礎(chǔ)上，按照雷達成像機理模擬產(chǎn)生雷達圖像的技術(shù)，它的主要任務(wù)是結(jié)合一定的雷達幾何 關(guān)系，合成SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)。
[0004] 星載自然場景SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)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(wèi)星成像軌道和地面自然場景的空間位置關(guān)系;二是幾何特征模擬，即建立起地 面點和圖像點之間的數(shù)學(xué)定位關(guān)系，模擬出SAR圖像的疊掩、透視收縮、頂?shù)椎怪玫忍卣?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(jù)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(jù)SAR系統(tǒng)工作原理，由地物的后向散射 系數(shù)模擬得到回波數(shù)據(jù)，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(gòu)成出發(fā)，將SAR系統(tǒng)和成像處理看作一個線性系統(tǒng)處理，直接仿真成像后的SAR復(fù)圖 像數(shù)據(jù)。第一種方法在求回波數(shù)據(jù)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(fù)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，故本發(fā)明采用第二種方法，即不經(jīng)過回波仿真，直接仿真SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種針對自然場景的重復(fù)軌道星載SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)計算機數(shù) 字快速仿真方法，可用于較大規(guī)模場景仿真，能夠?qū)Σ煌能壍绤?shù)和SAR衛(wèi)星參數(shù)獲取任 意數(shù)量的重復(fù)軌道(全部升軌或全部降軌)的仿真SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)，可用于SAR系統(tǒng)誤差的仿 真分析、雷達圖像處理以及干涉SAR技術(shù)研究等領(lǐng)域。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種重復(fù)軌道星載自然場景SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)快速仿 真方法，該方法步驟如下：
[0007] 第一步、根據(jù)軌道參數(shù)確定成像軌道中心點和地面場景中心點坐標。
[0008] 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(jīng)煒度方向等間隔布設(shè)場景地面點，根據(jù)雷達RD方程，采用一種快速方法迭代計算每 個場景點對應(yīng)的零多普勒成像衛(wèi)星位置、衛(wèi)星與地面場景點相對速度、斜距矢量。
[0009] 第三步、SAR圖像復(fù)數(shù)據(jù)仿真;根據(jù)星載SAR衛(wèi)星成像原理，根據(jù)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(shù)和電磁波入 射角的經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愠雒總€場景點的后向散射系數(shù)，對每個場景點，由斜距長度和成像時 間結(jié)合SAR衛(wèi)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(shù)開方后疊加上隨機相位和斜距相位得到復(fù)數(shù)據(jù)，對同一像素位置的場景 點的復(fù)數(shù)據(jù)相加，再相繼與距離和方位向脈沖壓縮結(jié)果進行卷積得到SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)。 [0010]第四步、仿真基線長度可控的重復(fù)軌道SAR圖像復(fù)數(shù)據(jù)；以SAR衛(wèi)星中心斜距單位 方向矢量作為水平基線方向，根據(jù)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(wèi)星成像軌道區(qū)域進行相應(yīng)偏移， 對原地面場景或者加上形變場后的地面場景重復(fù)第二、三步，生成具有一定基線的重復(fù)軌 道星載SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)。
[0011] 本發(fā)明的有益效果：
[0012] 本發(fā)明提供的方法模擬SAR衛(wèi)星運行軌道，根據(jù)星載SAR衛(wèi)星成像原理和SAR衛(wèi)星 單視復(fù)圖像信號模型對地面場景進行仿真，直接得到多幅重復(fù)軌道SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)。采用一 種快速方法迭代計算衛(wèi)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(shù)，提出一種簡化的重復(fù)軌道模型來產(chǎn)生可控基線長度的任意多幅SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)， 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(fù)圖像數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)回波仿真方法 模擬脈沖壓縮，獲得干涉數(shù)據(jù)，運算量巨大，尤其是對于地面點很密的復(fù)雜自然場景，耗時 更加巨大。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)回波仿真方法速度慢的缺點，并且采用的快速迭代計算衛(wèi)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(yīng)、噪聲影 響、遮擋效應(yīng)、頂?shù)仔?yīng)等多種因素也得到了真實的體現(xiàn)。不僅可以像真實SAR衛(wèi)星（如 TerraSAR) -樣提供完整的復(fù)圖像數(shù)據(jù)及各種輔助參數(shù)，而且還是可以為InSAR處理提供帶 先驗信息的如控制點形變，形變場范圍及大小等先驗信息。經(jīng)實際InSAR處理后充分驗證了 本發(fā)明的正確性和便利性。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明重復(fù)軌道星載自然場景SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)快速仿真方法的流程圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明第二步中星載SAR衛(wèi)星與布設(shè)的地面自然場景之間的空間幾何關(guān)系 示意圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明第三步中計算場景點后向散射系數(shù)的幾何示意圖，其中，圖3(a)為小 面元幾何關(guān)系，圖3(b)為法向量與入射角幾何關(guān)系。
[0016] 圖4為仿真復(fù)圖像數(shù)據(jù)的圖像結(jié)果，其中，圖4(a)為第一次仿真圖像(主圖像），圖4 (b)為重復(fù)軌道仿真圖像(輔圖像）。
[0017] 圖5為兩幅仿真復(fù)圖像數(shù)據(jù)的干涉結(jié)果圖。
[0018] 圖6為兩幅仿真復(fù)圖像數(shù)據(jù)的干涉系數(shù)統(tǒng)計直方圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明重復(fù)軌道星載自然場景SAR復(fù)圖像數(shù)據(jù)快速仿真方法的主要流 程，包括以下步驟：
[0021] 第一步、讀入軌道參數(shù)、SAR衛(wèi)星參數(shù)、地面自然場景參數(shù)和圖像參數(shù)，確定衛(wèi)星軌 道成像中心位置和對應(yīng)的零多普勒成像地面場景中心位置：
[0022] 1.1、讀取.txt格式的參數(shù)文件，其中衛(wèi)星軌道參數(shù)包括近心點角距ω、軌道傾角 i、軌道半長軸a、升交點赤經(jīng)Ω、軌道偏心率e及軌道回歸管道半徑;SAR衛(wèi)星參數(shù)包括波長 入、帶寬Bw、采樣率fs、理想重復(fù)頻率Prf、脈沖寬度τ、下視角Θ!、方位向分辨率0 3和距離向分 辨率pr;地面自然場景參數(shù)包括控制點個數(shù)、場景中心煒度lat_t(3r、方位向DEM點數(shù)方位向 DEM網(wǎng)格間隔、距離向DEM點數(shù)、距離向DEM網(wǎng)格間隔；圖像參數(shù)包括總的圖像個數(shù)、每幅圖像 之間的最大形變量。
[0023] 1.2、通過場景中心煒度計算對應(yīng)的衛(wèi)星成像中心時刻。衛(wèi)星運動的平均角速度為 n = ,其中μ=3·986〇?3Ε+?4為地球引力參數(shù)。
[0024] 星下點平面與波束中心交點平面間夾角乳_^為：
[0025]
(?)
[0026] 其中Ea = 6378137.0為地球半長軸。
[0027]則仿真中心時刻對應(yīng)的真近心角Θ為：
[0028]
(2)
[0029]仿真中心時刻對應(yīng)的偏心角E為：
[0030]
(3)
[0031] 成像中心時刻Tester為：
[0035] 進而求出中心時刻衛(wèi)星在軌道平面坐標系中的坐標(Xvs，yvs， Zvs)為：
[0032] (4)
[0033]
[0034] {^