波束中心近似对机载干涉sar运动补偿的影响分析

波束中心近似对机载干涉sar运动补偿的影响分析

第36卷第2期电子与信息学报V01．36NO．22014年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb．2014波束中心近似对机载干涉SAR运动补偿的影响分析李银伟∞邓袁①@向茂生①f中国科学院电子学研究所微波成像技术国家级重点实验室北京1001901f中国科学院大学北京100039)摘要：为了定量分析波束中心近似对机载干涉SAR运动补偿的影响，该文首先建立斜视条件下波束中心近似时运动补偿残余误差的数学模型，其形式类似于斜距误差。随后推导斜视条件下二次斜距误差对干涉SAR的影响，通过仿真验证了理论推导的正确性。最后详细讨论不同波段、斜视角、轨迹偏移、地形变化和斜距情况下波束中心近似对干涉SAR运动补偿后图像质量和相干系数的影响。该文的分析结果为机载重轨干涉SAR数据处理中运动补偿精度的估计提供了技术支持。关键词：机载干涉SAR；波束中心近似；运动补偿；残余误差；相干系数中图分类号：TN959．3文献标识码：A文章编号：10095896(2014)02—0415—07DOI：10．3724／SP．J．1146．2013．00479EffectsofCenter·beamApproximationonMotionCompensationforAirborneInterferometricSARLiYin—wei①②DengYuan①②XiangMaosheng①—(NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMicrowaveImaging，InstituteofElectronics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)(UniversityofChineseAcademyofSciences，BeOing100039，China)Abstract：InordertoanalyzequantitativelytheeffectsofCenter—BeamApproximation(CBA)onMOtionCOmpensation(MOCO)forairborneInterferometricSAR(InSAR)，amathematicalmodelofMOCOresidualerrorundertheconditionofsquintisfirstlyestablished．TheformofresidualerrorissimilartotheslantrangeerrorThen，theeffectsofquadraticslantrangeerroronInSARarededucedonconditionthatthesquintangleisnotzeroandtheaccuracyofthetheoreticalderivationisverifiedwithsimulationdata．Finally，theeffectsofCBAonimagequalityandcoherencecoeficientforairborneInSARarediscussedindetailfordifferentbands，squintangles，trajectorydeviations，topographyvariationandslantranges．TheresearchprovidestechnicalsupportfortheestimationofMOCOprecisioninsignalprocessingofairbornerepeat—passinterferometricSAR．Keywords：AirborneInterferometricSAR(InSAR)；Center—BeamApproximation(CBA)；MOtionCOmpensation(MOCO)；Residualerror；Correlationcoeficient1引言APC的测量误差进行估计和补偿以消除其测量误差，而对于定位误差，主要考虑利用外部DEM补高精度的运动补偿是高分辨率机载SAR成像偿高程误差；后一个因素主要引入运动补偿残余误的关键，对于需要精确相位信息的干涉SAR来说尤差，对其还没有合适的算法能够完全消除，只能利其重要。但是，基于IMU／GPS测量数据的运动补用子孔径运动补偿算法is-12l减轻其影响。因此定量偿受限于3个因素：数据获取时天线相位中心地研究波束中心近似对机载干涉SAR运动补偿的(AntennaPhaseCenter，APC)的测量精度，运动补影响显得尤为重要。偿时地物目标的定位精度f平地假设是其特例1，以波束中心近似是指在同一方位时刻，对波束照及CS算法[1】、波数域算法【。】等频域成像算法中的波射范围内的所有目标均按照波束中心目标的运动补束中心近似。其中前两个因素主要引入残余运动误偿量进行补偿。而运动误差的方位空变性将导致运差【3{4]，通常利用MS[，WPCA[引，MTPTIt]等算法对动补偿残余误差。DLR的Potsis等人[8】和JPL的Madsen[。]首次指出波束中心近似假设不成立，研究2013-04—11收到，2013．10—18改回国家973计划项目f2009CB724003)~助课题者相继提出了子孔径运动补偿算法，如SATA[10]，通信作者：李银伟liyinwei19@163．eomPTA[n】和FD[他】，但这些算法没有定量分析波束中心\n416电子与信息学报第36卷近似对干涉SAR的影响，无法确保在残余运动估计AR(z，，r)=INPI—IA．I=,Jr~+x—)时可完全忽略这些残余误差。文献f13]定量地分析了正侧视模型下波束中心近似对SAR图像质量的影一一2in()+(z()响，但载机平台的抖动总会导致斜视角的出现，同由于波束中心近似，点P实际补偿的运动误差时也没有考虑对相干性的影响。另外，与只重视SAR为图像的系统相比，需要精确相位信息的干涉SAR对Ar(X，r)运动补偿精度的要求更高。=lⅣP0l-IAP0l针对上述问题，本文针对斜视条件下波束中心近似时的运动补偿残余误差建立数学模型，得到其r形式类似于斜距误差。随后详细推导了斜视条件下COS二次斜距误差对干涉SAR的影响，通过仿真验证了引入点的运动误差作为中间变量：理论推导的正确性。最后在此基础上详细讨论了不Art(，X，r)同波段、斜视角、轨迹偏移、地形变化和斜距情况=II—IA下残余误差对干涉SAR图像质量和相干性的影响，r为机载重轨干涉SAR数据处理中运动补偿精度的估COS南rsi计提供了技术支持。则汲柬甲心近似导敏明功补偿残余误爱为2运动补偿残余误差的数学模型6e(z，，r)=AR—Ar图1是波束中心斜视角为的机载SAR系统的=(AR一△)+(△—Ar)运动补偿几何关系图，其中A(，1点为IMU／GPS测=5el+5e￡(4)量的飞行航迹(假设其为实际航迹)，N)点为由飞其中行航迹拟合的理想航迹。运动轨迹偏移d位于与理6et=Art—Ar≈dcosfl[sin(0—)一sin(0o—n)]想航迹垂直的平面内，大小为d，与水平面的夹角≈dcosflcos(0o—1△为Oz。对于波束照射范围内的点P0)，波束中心上与其具有相同最近斜距和高度的点为_dc。s(一)cos(X+，r，0)，而Po(X+，r，Oo)是波束中心上根据实际DEM计算出来的与具有相同最近斜距的：虹c。(5)rsin00点，有：Xd=rtan，cos0=(H一)／r，COS00=5el。：AR一△≈一dsin(0一)fH—ho)／~，其中日为载机高度，r为点P的最近斜距，0和为点P和Pn的下视角，h和为点P．1堕(¨一)的真实高度及运动补偿时用的高度。在成像处理运一sX-X!-X动补偿时，点P的理论运动误差为2rd)zIlljXr+Xd-x)一。。璺2r(、，+“一)zl。(6)其中d=dCOS(00一)和j=dsin(0一OL)分别为轨迹偏移垂直和平行于视线向(LineOfSight，LOS)的分量。由式f41可知，波束中心近似时运动补偿残余误差可以看成由6e和两部分构成。其中&是图1中点和点Pn的残余误差，称之为地形变化残余误差，其主要由d．和地形起伏变化导致；5e是图1中点P和点的残余误差，称之为LOS近似图1斜视条件下机载SAR系统的运动补偿几何关系图残余误差，其主要由d．导致。\n第2期李银伟等：波束中心近似对机载干涉SAR运动补偿的影响分析4173斜距误差对干涉SAR的影响1暇设万位I司处_埋带宽足够大，对2维频域信号进行距离徙动校正fRangeCellMigration假设雷达系统天线发射的是脉冲持续时间为T，调频斜率为的线性调频信号。理想点目标的回波Correction，RCMC)$H方位向压缩可得其2维频域表达式为信号经过混频解调后可表示为-rectectcz，，r=rectf二-1rect[][]·exp{-j(ro~+∈))exp{一号Rc，，z。，r0，·exp{-j(OAr+)}．exp(一刮)『}假设Ib(x0)-j如2l<1，则lab(x。)。／4丌Ilab(x0)．J-2／4丌l小于等于距离向采样间隔，对式(11)进行2兵甲Xdo=rotan为大线的汲束甲心万I司与零多晋维IFFT可得勒位置的间隔，R(x，，r0)为雷达运动过程中天线与点目标的斜距，为天线的合成孔径长度。把斜)exp(ro+)距R(，，ro)在波束中心处展开得R(xl~x0r0)=+e。(，)nc((+△r))19(z，)(12)≈—COS—』)+sinfl(x+o一)其中exp1)+f)(、，+zd。一)，。+e。(、，)(、8)·exp{j(，-X0一△)_z对(13)假设波束中心处的斜距误差6eo(X)为二次斜距其中6e=6~"oX／8为合成孔径边缘处的二次残误差余误差。假设exp{jb(x0)∈)≈1+6()，则5eo()≈6e。()+(X0)(+。一)(z，=，r，=)~exp{一j-~(ro+Ar))+蜗()(x~~Xdo-Xo)(9)则对式(7)进行距离压缩，并且对其进行方位向唧}(14)FFT，得到距离压缩后的2维频域信号因此，由式(12)可得，当斜距误差存在二次项时，码⋯ect[警]图像会产生散焦，散焦程度可根据式(13)进行计算；图像还产生距离偏移Ar~6eo-r~-．expH而]}·exp{-j(OAr+))和方位偏移△≈二-Ar．tan；同C0S·exp{jbm~(一时，目标峰值位置处的相位误差包含两部分：一部分是由APC和目标的路径差6e。产生的几何相位误唧∈。l(10)差4zC6eo／A，另一部分是由常数项以外的斜距误差与成像友h理过稗耦合产牛的人浩相付误荠其中，、=，()47r一r0(6+2sinfl·)6(z0)：rnX2COS03Ax=-。8,8+rUota—4(+2sin。)12COSCOS__!I-tol2cos。3lAro瞩=KrT／c，bm=8丌COS3(+cos。)接下来，忽略基线去相干、噪声去相干等因素，分析双通道间相对的斜距误差对相干系数的影响。=(r0曦+cos。)，岛=T(o+sin~)。假设主通道没有受到运动误差的影响，副通道受到\n418电子与信息学报第36卷二次斜距误差的影响，则相干系数的幅度为性误差6=1X10和二次误差嘛=4．55X10-7进行仿真，验证其对图像定位及散焦的影响。表2给斗nc[]siIlc[]+sinc[]出了线性误差情况下点目标定位误差的仿真和理论分析的结果，二者比较吻合。表2中距离向近似值·去ex)(。)d∈I(15)是指存在斜视角时，省略掉线性误差的二次项，这说明斜视角存在时距离向定位误差增大主要是由于由式(15)可知，相干系数主要由两部分构成：两者耦合导致的。一部分是由线性项弓}起图像偏移而导致的去相干，图2给出了方位向理想脉冲响应函数(Impulse另一部分是由二次项引起图像方位向散焦而导致的ResponseFunction，IRF)~D存在运动误差情况下的去相干。散焦IRF。由图2理想IRF和散焦IRF的3dB分4仿真结果和分析讨论辨率得到其脉冲响应宽度(ImpulseResponsewidth4．1仿真结果IRW)展宽大约为9．8％，而根据理论计算得到其仿真系统为机载X波段SAR系统，仿真参数IRW展宽为8％，两者结果比较吻合。同时二次误如表1所示。对位于参考斜距的点目标分别加入线差对PSLR和ISLR也都有影响。表1仿真系统参数4．2地形变化残余误差嚼≠0时，图像方位向由于调频率失配，聚焦结果假设在整个合成孔径里h—ho=hr(z，+。一X)将会受到影响。特别地，对高聚焦精度(IRW小于和d=di。+(+Xd0一)，则式(5)写成式(9)2％)SAR来说，要求(47r／)~)Se<7r／4，即5e

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