任意天线构型下星载ATI-SAR洋流流速提取方法及设备与流程

任意天线构型下星载ati-sar洋流流速提取方法及设备
技术领域
1.本发明涉及合成孔径雷达对海遥感，具体涉及一种任意天线构型下的星载ati-sar洋流流速提取方法及设备。


背景技术：

2.海洋流场是海洋动力环境最为重要的参数之一，利用干涉合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)获取高分辨率、大测绘面积、高观测频率、高测量精度的海洋流场具有巨大的潜力和优势。利用干涉相位图可以直接计算得到雷达视线向速度分量后通过各种方法分离出流场速度，因此获得各种复杂构型下的干涉相位也是必不可少的部分。
3.同时对于两通道的斜视回波，采用常规成像算法(如wk算法、rd算法)时，目标成像在方位零频位置，导致两个通道方位向存在偏差以及距离向存在偏差，在提取干涉相位之前需要进行通道间的配准(频率相位补偿)。


技术实现要素：

4.发明目的：为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了任意天线构型下星载顺轨干涉sar(along-track interferometric-sar，ati-sar)洋流流速提取方法及设备，可以实现任意天线构型下星载ati-sar回波的洋流流速反演，同时无需进行通道间的配准，提高处理效率。
5.技术方案：一种任意天线构型下星载ati-sar洋流流速提取方法，包括以下步骤：
6.根据参考区域通道a、通道b回波信号计算通道间幅度相位误差，利用通道间幅度相位误差对待处理目标区域进行补偿，实现通道校正；
7.通过星载ati-sar空间几何关系分析得到任意天线构型下的距离历程，基于距离历程对通过通道校正后的通道a、通道b回波信号采用bp成像算法得到两个通道的成像结果；
8.将通道a、通道b的成像结果进行共轭相乘，获得场景回波的干涉相位；
9.通过星载ati-sar空间几何关系分析得到任意天线构型下的等效模型计算方法，根据该等效模型得到洋流混合速度；
10.将洋流混合速度中的bragg相速度与大尺度波轨道速度去除，得到洋流的径向速度。
11.进一步地，根据参考区域通道a、通道b回波信号计算通道间幅度相位误差包括：对参考区域通道a、通道b的回波信号进行二维频域自适应校正处理，获得通道a和通道b的通道间幅相误差。
12.进一步地，二维频域自适应校正处理包括：首先进行方位向迭代处理，然后进行距离向迭代处理，求解如下目标函数的最优解：
[0013][0014]
z1(f,ω)、z2(f,ω)分别表示通道a、通道b在二维频域的回波数据，f表示方位频域，ω表示距离频域，h
1,2
(ω)表示距离频域的补偿函数，d
1,2
(f)表示方位频域的补偿函数。
[0015]
进一步地，通过星载ati-sar空间几何关系分析得到任意天线构型下的等效模型计算方法，根据该等效模型得到洋流混合速度包括：
[0016]
基于天线的空间斜平面几何关系，构建新型的天线构型图，其中空间斜平面几何关系为：卫星沿y轴方向运动，速度为v，两个天线沿坐标平面原点呈点对称分布，距离为2d，且两天线之间的连线与x轴之间的夹角为θ，t＝0时刻运动目标和坐标中心的起始距离为r，且运动目标和原点的连线与x轴之间的夹角为γ，运动目标沿雷达视线向的速度为vr；构建的新型的天线构型图为：新的x轴方向为目标与两个天线对称分布的原点之间的斜距方向，新的y轴方向为成像平面上与新的x轴垂直的方向；
[0017]
等效模型表示为：等效基线长度为2d
·
sin(θ-γ)，等效卫星速度为v
·
cos(γ)，等效目标径向速度为
[0018]
基于该等效模型的时间延迟表示为：
[0019][0020]
相应的干涉相位为：
[0021][0022]
根据干涉相位，得到洋流混合速度：
[0023][0024]
λ为雷达波长。
[0025]
进一步地，bragg相速度的近似计算公式为：
[0026][0027][0028][0029]cp
表示bragg波相速度，g为重力加速度；g(θ
ω
)表示风向的扩展函数，θ
ω
为雷达视线向和风向的夹角，l为扩展因子。
[0030]
本发明还提供一种计算机设备，包括：
[0031]
一个或多个处理器；
[0032]
存储器；以及
[0033]
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现本发明的任意天线构型下的星载ati-sar洋流流速提取方法。
[0034]
有益效果：本发明可以实现任意天线构型下星载ati-sar回波的洋流流速反演，同时也为复杂基线条件下(天线斜视及混合基线存在的情况)星载ati-sar洋流测速性能分析提供解决方法与途径。同时对于两通道的斜视回波，采用不同的成像算法，同一个目标最终的成像位置会有差异。采用wk算法时，目标成像在方位零频位置，导致两个通道方位向存在偏差以及距离向存在偏差，在提取干涉相位之前需要进行通道间的配准(频率相位补偿)。采用bp算法时，如果选择地面网格作为参考点，则在任何的通道夹角、雷达斜视角下，同一个目标在两个通道中成像后的方位位置和距离位置完全一致，无需进行配准，大大提高了实验效率。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例的任意天线构型下星载ati-sar洋流流速提取方法总体流程图；
[0036]
图2是本发明实施例的任意天线构型的几何关系图；
[0037]
图3是本发明实施例的任意天线构型的等效几何关系图；
[0038]
图4是本发明实施例的通道a的距离脉压后的回波；
[0039]
图5是本发明实施例的通道b的距离脉压后的回波；
[0040]
图6是本发明实施例的通道a的bp成像结果；
[0041]
图7是本发明实施例的通道b的bp成像结果。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0043]
本发明提出了任意天线构型下星载ati-sar洋流流速提取方法，在实施例中，利用仿真的星载sar回波数据进行验证和分析。仿真实验所用计算机cpu为i7-9700@3.00ghz八核，内存为16gb。具体的sar系统仿真参数如表1所示。
[0044]
表1
[0045][0046][0047]
参照图1，任意天线构型下星载ati-sar洋流流速提取方法包括以下步骤：
[0048]
步骤1，通道校正：以参考区域两个通道回波信号获得通道间幅相误差，对目标区域进行补偿。
[0049]
首先，选取一片海岛作为参考区域，由于该区域海拔高度近似为0，且无径向速度，因此没有沿航迹和垂直航迹引入的混合干涉相位。然后，将通道a、通道b的回波信号进行二维频域自适应校正处理，获得通道a和通道b的通道间幅相误差。最后，将估计的通道幅度相位误差补偿到待处理目标区域，实现通道校正。通道a、通道b有时也称为通道一、通道二或第一个通道、第二个通道。
[0050]
具体而言，步骤1可以通过以下方式实现：
[0051]
假设zi(f,ω)(i＝1,2)表示两个通道在二维频域的回波数据，其中f表示方位频域，ω表示距离频域，则zi(f,ω)(i＝1,2)可以表示为：
[0052][0053][0054]
其中，a(f)表示两个通道间的共同幅相部分，h1(ω)和h2(ω)分别表示两个通道的
传递函数，d1(f)和d2(f)表示两个通道间的双程天线方向图，f
·
δt表示由通道间隔引起的在方位频域的相位差，δt表示通道间的时延。
[0055]
雷达回波数据变换到距离-多普勒域，这时系统方位向相位误差主要包括两个部分，第一个部分是由通道间的间隔引起的线性相位部分，第二个部分是非线性相位部分，这是由不同通道间接收天线方向图以及天线后端通道传递函数的差异引起的。第一部分理论上可以表示为：
[0056][0057]
其中fm表示第m个多普勒单元对应的多普勒频率，d表示两个通道之间的间隔，v表示雷达平台的运动速度。
[0058]
根据式(3)知δt可以表示为：
[0059][0060]
将通道a、通道b的回波信号进行二维频域自适应校正处理，二维频域自适应校正算法实质上就是求解下面的目标函数的最优解：
[0061][0062]
该目标函数可以理解为：通过寻找距离频域的补偿函数h
1,2
(ω)和方位频域的补偿函数d
1,2
(f)，使得两个通道间的差异最小化。同时可以看出二维自适应校正算法认为通道误差在方位频域和距离频域是相互独立的。关于二维自适应校正算法详见参考文献“gierull,c.h.digital channel balancing of along-track interferometric sar data.2003,42.”。
[0063]
该目标函数的解可以表示为：
[0064][0065][0066]
其中，上标符号*表示共轭操作，上述解可以进一步表示成迭代的结构：
[0067][0068][0069]
其中，表示第二个通道的数据进行n次迭代后的数据。
[0070]
通过式(8)和(9)可以看出，二维自适应校正算法首先是针对参考区域的两通道数
据进行方位向迭代处理，然后进行距离向迭代处理，如此反复。一般情况下经过3-4次迭代后就可达到收敛。通道校正的实质就是以通道一作为参考，通过迭代处理后，将通道二的数据校正到与通道一的数据完全相同，即补偿量为之后针对目标区域的二维频域双通道数据点乘补偿量，实现通道校正。
[0071]
步骤2，将bp成像算法引入星载ati-sar信号处理中：
[0072]
通过星载ati-sar空间几何关系分析得到一种任意天线构型下的距离历程，基于距离历程对通过通道校正后的通道a、通道b回波信号采用bp成像算法得到两个通道的成像结果。
[0073]
在本实施例中，步骤2采用如下优选方案实现：
[0074]
(2-1)距离向压缩：将雷达回波脉冲信号通过匹配滤波器进行脉压处理；
[0075]
(2-2)距离向插值：计算成像区域每一像素点与每一脉冲时刻雷达天线的斜距，通常可以使用频域补零后进行逆傅里叶变换的方法进行距离向插值计算；
[0076]
(2-3)划分网格：将成像区域划分成网格，获得所有网格点目标，最终形成的sar图像中每个像素代表一个网格；
[0077]
(2-4)后向投影：计算雷达在每个方位时刻(发射脉冲的时刻)与每个网格点的距离r
uv
，并计算出双程时延以及所有网格点相对于最近距离参考点的延迟时间
△
t。r
uv
中的u、v分别表示为成像区域距离向和方位向上的对应点，c表示为光速。
[0078]
(2-5)相干叠加：利用每一网格点的延迟时间
△
t，通过插值计算所对应的回波值，与上一方位向该网格点的回波值进行相位补偿后叠加，补偿量为λ表示为雷达波长。
[0079]
bp算法参考了“时延-叠加”的思想，在雷达应用中，其对雷达接收天线接收到的回波信号进行距离向匹配，获取回波数据中包含的相幅信息，再通过ifft进行逆傅里叶变换，获取收发天线组合的时延，最后累积信号相干相加得到目标函数。详见参考文献“基于bp的insar成像算法及多基线相位解缠算法研究[d].电子科技大学,2014.”。
[0080]
步骤3，提取干涉相位：将通道a、通道b的成像结果进行共轭相乘，获得场景回波的干涉相位；
[0081]
步骤4，提取任意天线构型下的洋流混合速度：通过星载ati-sar空间几何关系分析得到一种任意天线构型下的等效模型计算方法，根据该等效模型得到洋流混合速度。
[0082]
在本实施例中，步骤4采用如下方法实现：
[0083]
根据项目情况考虑一般的空间斜平面几何关系，可以得到新型的天线构型图。图2为任意天线构型的几何关系图，考虑斜平面几何关系，卫星沿y轴方向运动，速度为v。两个天线沿图中的原点呈点对称分布，距离为2d，且两天线之间的连线与x轴之间的夹角为θ。运动目标和坐标中心的起始距离为r(t＝0时刻)，且运动目标和原点的连线与x轴之间的夹角为γ。运动目标沿雷达视线向的速度为vr。
[0084]
由于采用了斜视处理，所以可以构建新型天线的等效平面。图3为任意天线构型的等效几何关系图。新的x轴方向即为目标和两个天线对称分布的原点之间的斜距方向，新的y轴方向为成像平面上与新的x轴垂直的方向(即图3中的xc和yc轴)。则等效基线长度为2d
·
sin(θ-γ)，等效卫星速度为v
·
cos(γ)，等效目标径向速度为
[0085]
在上述的等效模型下，时间延迟可以表示为：
[0086][0087]
相应的干涉相位为：
[0088][0089]
上式中，vr为雷达视线向的目标速度，为雷达视线向投影到海面的速度，这个速度包含了海浪运动等速度的多普勒速度。
[0090]
通过步骤3与式(11)，可知提取出来的洋流混合速度为：
[0091][0092]
步骤5，任意天线构型下的洋流径向速度分离：将洋流混合速度中的bragg波相速度与大尺度波轨道速度去除后可以得到洋流的径向速度。
[0093]
洋流混合速度可以表示为：
[0094]vr
＝vc v
wind
vo vbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0095]
上式中，vc为海表面流场本身的速度，v
wind
是海表面风场引起的流速，vo是大尺度波轨道速度，vb是bragg相速度。其中，海表面风场引起的表面流速和海表面流场本身的速度之和被认为是所需要的海表面流速，即vs＝vc v
wind
。
[0096]
为了获得海表面流场信息，必须去除大尺度波轨道速度和bragg相速度。其中大尺度波轨道速度是一个快变过程，具有周期性，而且它的均值为0，因此可以通过空间平均来去除，但是洋流和bragg相速度是慢变的过程，且处于同一量级，不易去除。
[0097]
bragg波相速度包含了两个方向相反的bragg波，一个是接近雷达方向传播的bragg波，另一个是远离雷达方向传播的bragg波。顺轨干涉相位图获得的多普勒速度中包含的bragg波相速度本质上就是这两个不同方向传播的bragg波相速度的加权矢量和。bragg波相速度的计算公式为：
[0098][0099]
其中，g为重力加速度，λ为雷达波长，θ为入射角，即前述斜平面几何关系中两天线之间的连线与x轴之间的夹角。两个不同方向传播的bragg波所占的比重可以用风向的扩展函数表示为：
[0100][0101]
其中，θ
ω
为雷达视线向和风向的夹角，l为扩展因子，与雷达频率相关，通常取2-5。因此，多普勒速度中的bragg相速度可以表示为：
[0102][0103]
如图4所示为基于bp算法的通道a的距离脉压后的回波，图5为基于bp算法的通道b的距离脉压后的回波，图6为通道a的bp成像结果，图7为通道b的bp成像结果，因此双通道目标所在处的干涉相位差值为-0.0736弧度。基于任意天线构型下的等效模型计算方法所得到的理论干涉相位差为0弧度。通过表2的五种复杂构型下的回波仿真，将理论值与实际值进行对比可以验证任意天线构型下的等效模型计算方法的有效性。
[0104]
表2
[0105][0106][0107]
根据本发明的另一实施例，提供一种计算机设备，包括：
[0108]
一个或多个处理器；
[0109]
存储器；以及
[0110]
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如方法实施例中所述的任意天线构型下星载ati-sar洋流流速提取方法。
[0111]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0112]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0113]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0114]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0115]
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。