基于子空间正交的阵列干涉SAR系统相位中心位置定标方法

卜运成 王宇 张福博 冀广宇 陈龙永 梁兴东

卜运成, 王宇, 张福博, 冀广宇, 陈龙永, 梁兴东. 基于子空间正交的阵列干涉SAR系统相位中心位置定标方法[J]. 雷达学报, 2018, 7(3): 335-345. doi: 10.12000/JR18007
引用本文: 卜运成, 王宇, 张福博, 冀广宇, 陈龙永, 梁兴东. 基于子空间正交的阵列干涉SAR系统相位中心位置定标方法[J]. 雷达学报, 2018, 7(3): 335-345. doi: 10.12000/JR18007
Bu Yuncheng, Wang Yu, Zhang Fubo, Ji Guangyu, Chen Longyong, Liang Xingdong. Antenna Phase Center Calibration for Array InSAR System Based on Orthogonal Subspace[J]. Journal of Radars, 2018, 7(3): 335-345. doi: 10.12000/JR18007
Citation: Bu Yuncheng, Wang Yu, Zhang Fubo, Ji Guangyu, Chen Longyong, Liang Xingdong. Antenna Phase Center Calibration for Array InSAR System Based on Orthogonal Subspace[J]. Journal of Radars, 2018, 7(3): 335-345. doi: 10.12000/JR18007

基于子空间正交的阵列干涉SAR系统相位中心位置定标方法

DOI: 10.12000/JR18007
基金项目: 国家部委基金
详细信息
    作者简介:

    卜运成(1991–),男,湖南人,电子科技大学学士,中国科学院电子学研究所博士研究生,主要研究方向为多通道合成孔径雷达3维成像、阵列干涉合成孔径雷达系统定标。E-mail: buyuncheng13@mails.ucas.ac.cn

    王宇:王   宇(1976–),男,博士,中国科学院电子学研究所副研究员,研究方向为机载合成孔径雷达定标和雷达信号处理。E-mail: wangyu@mail.ie.ac.cn

    张福博(1988–),男,河北人,博士,中国科学院电子学研究所助理研究员,研究方向为多通道合成孔径雷达3维成像。E-mail: zhangfubo8866@126.com

    冀广宇(1988–),男,辽宁人,中国科学技术大学学士,中国科学院电子学研究所博士研究生,研究方向为机载合成孔径雷达信号处理。E-mail: gyji@mail.ustc.edu.cn

    陈龙永(1979–),男,安徽人,中国科学院电子学研究所博士,研究员,研究方向为新概念雷达系统设计与实现。E-mail: lychen@mail.ie.ac.cn

    梁兴东(1973–),男,陕西人,北京理工大学博士,中国科学院电子学研究所研究员,研究方向为高分辨率合成孔径雷达系统、干涉合成孔径雷达、成像处理及应用、实时数字信号处理等。E-mail: xdliang@mail.ie.ac.cn

    通讯作者:

    梁兴东  xdliang@mail.ie.ac.cn

Antenna Phase Center Calibration for Array InSAR System Based on Orthogonal Subspace

Funds: The National Ministries Foundation
  • 摘要: 阵列干涉合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)系统采用距离脉冲压缩、方位合成孔径和高度实孔径的方式,能够获得观测场景的3维SAR图像。在实际系统中多个通道的天线相位中心位置信息通常难以精确获得,如果不进行定标而直接进行成像处理将会造成高度维成像质量降低。针对天线相位中心位置定标问题,该文分析了天线相位中心位置误差对高度维成像造成的影响,提出了一种基于子空间正交原理的相位中心位置定标方法。该方法利用2维SAR单视复图像中的定标点数据,通过特征值分解得到噪声子空间,利用子空间正交原理同时求解多个通道对应的天线相位中心位置。针对阵列干涉SAR系统应用,该文给出了相位中心位置定标处理流程,最后通过仿真和实际数据处理验证了定标方法的有效性。

     

  • 图  1  阵列干涉SAR系统数据获取示意

    Figure  1.  Acquisition geometry of array 3D imaging SAR system

    图  2  正侧视零多普勒平面几何关系示意

    Figure  2.  Geometry in the zero Doppler plane

    图  3  相位中心位置定标流程图

    Figure  3.  Flow chart of APC calibration

    图  4  仿真数据的相位中心位置定标结果

    Figure  4.  Calibration results of APC position in simulation

    图  5  RMSE与信噪比的关系

    Figure  5.  RMSE as a function of SNR

    图  6  RMSE与定标点误差的关系

    Figure  6.  RMSE as a function of CR errors

    图  7  代价函数与迭代次数的关系

    Figure  7.  Cost function as a function of the number of iterations

    图  8  实验系统及定标场图像

    Figure  8.  The experiment system and calibration site

    图  9  实际数据相位中心位置定标结果

    Figure  9.  Calibration results of APC position in an airborne experiment

    图  10  实际数据验证实验

    Figure  10.  Real data experiments

    表  1  仿真实验中的系统参数

    Table  1.   System parameters of simulation data

    参数名称 参数取值
    工作频率 15 GHz (Ku-Band)
    基线长度 4.2 m
    带宽 500 MHz
    PRF 2000 Hz
    飞行相对高度 1000 m
    飞行速度 60 m/s
    方位向波束宽度
    距离向波束宽度 30°~60°
    信噪比 30 dB
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  • [1] 张红, 江凯, 王超, 等. SAR层析技术的研究与应用[J]. 遥感技术与应用, 2010, 25(2): 282–287

    Zhang Hong, Jiang Kai, Wang Chao, et al. The current status of SAR tomography[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2010, 25(2): 282–287
    [2] Zhang F B, Liang X D, Wu Y R, et al. 3D surface reconstruction of layover areas in continuous terrain for multi-baseline SAR interferometry using a curve model[J]. International Journal of Remote Sensing, 2015, 36(8): 2093–2112. DOI: 10.1080/01431161.2015.1030042
    [3] 张福博, 梁兴东, 吴一戎. 一种基于地形驻点分割的多通道SAR三维重建方法[J]. 电子与信息学报, 2015, 37(10): 2287–2293. DOI: 10.11999/JEIT150244

    Zhang Fu-bo, Liang Xing-dong, and Wu Yi-rong. 3-D reconstruction for multi-channel SAR interferometry using terrain stagnation point based division[J]. Journal of Electronics&Information Technology, 2015, 37(10): 2287–2293. DOI: 10.11999/JEIT150244
    [4] Zhu X X and Bamler R. Superresolving SAR tomography for multidimensional imaging of urban areas: Compressive sensing-based TomoSAR inversion[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2014, 31(4): 51–58. DOI: 10.1109/MSP.2014.2312098
    [5] Schmitt M, Shahzad M, and Zhu X X. Reconstruction of individual trees from multi-aspect TomoSAR data[J]. Remote Sensing of Environment, 2015, 165: 175–185. DOI: 10.1016/j.rse.2015.05.012
    [6] Tebaldini S and Ferro-Famil L. High resolution three-dimensional imaging of a snowpack from ground-based SAR data acquired at X and Ku band[C]. Proceedings of 2013 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Melbourne, VIC, Australia, 2015: 77–80.
    [7] Reigber A and Moreira A. First demonstration of airborne SAR tomography using multibaseline L-band data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2000, 38(5): 2142–2152. DOI: 10.1109/36.868873
    [8] 丁振宇, 谭维贤, 王彦平, 等. 基于波数域子孔径的机载三维SAR偏航角运动误差补偿[J]. 雷达学报, 2015, 4(4): 467–473. DOI: 10.12000/JR15016

    Ding Zhen-yu, Tan Wei-xian, Wang Yan-ping, et al. Yaw angle error compensation for airborne 3-D SAR based on wavenumber-domain subblock[J]. Journal of Radars, 2015, 4(4): 467–473. DOI: 10.12000/JR15016
    [9] Tebaldini S and Guarnieri A M. On the role of phase stability in SAR multibaseline applications[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48(7): 2953–2966. DOI: 10.1109/TGRS.2010.2043738
    [10] 朱海洋, 洪峻, 明峰. 相位中心偏差对机载阵列天线下视3D-SAR成像影响分析[J]. 电子与信息学报, 2012, 34(4): 910–916. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2011.00776

    Zhu Hai-yang, Hong Jun, and Ming Feng. Analysis of impact of phase center variations in linear array antena downward-looking 3D-SAR imaging[J]. Journal of Electronics&Information Technology, 2012, 34(4): 910–916. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2011.00776
    [11] 朱海洋. 阵列下视3D-SAR相位中心定标方法研究[D]. [硕士论文], 中国科学院大学, 2012.

    Zhu Hai-yang. Study on phase center calibration methods of linear array downward-looking 3D-SAR[D]. [Master dissertation], University of Chinese Acedamy of Science, 2012.
    [12] 韩阔业. 基于稀疏线阵的机载合成孔径雷达成像模型、方法与实验研究[D]. [博士论文], 中国科学院大学, 2015.

    Han Kuo-ye. Study on model, algorithm and experiment for airborne synthetic aperture radar imaging based on sparse linear array antennas[D]. [Ph.D. dissertation], University of Chinese Academy of Sciences, 2015.
    [13] Pardini M, Papathanassiou K, Bianco V, et al.. Phase calibration of multibaseline SAR data based on a minimum entropy criterion[C]. Proceedings of 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Munich, Germany, 2012: 5198–5201. DOI: 10.1109/IGARSS.2012.6352438.
    [14] Tebaldini S, Rocca F, d’Alessandro M M, et al. Phase calibration of airborne tomographic SAR data via phase center double localization[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2016, 54(3): 1775–1792. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2488358
    [15] Fornaro G, Lombardini F, and Serafino F. Three-dimensional multipass SAR focusing: Experiments with long-term spaceborne data[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2005, 43(4): 702–714. DOI: 10.1109/TGRS.2005.843567
    [16] Urasawa F, Yamada H, Yamaguchi Y, et al.. Fundamental study on multi-baseline SAR tomography by Pi-SAR-L2[C]. Proceedings of the URSI Asia-Pacific Radio Science Conference, Seoul, South Korea, 2016: 514–515. DOI: 10.1109/URSIAP-RASC.2016.7601342.
    [17] 柳祥乐. 多基线层析成像合成孔径雷达研究[D]. [博士论文], 中国科学院电子学研究所, 2007.

    Liu Xiang-le. Study on multibaseline tomography synthetic aperture radar[D]. [Ph.D. dissertation], Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, 2007.
    [18] 赵逸超, 朱宇涛, 粟毅, 等. 用于线阵三维SAR成像的二维快速ESPRIT算法[J]. 雷达学报, 2015, 4(5): 591–599. DOI: 10.12000/JR15065

    Zhao Yi-chao, Zhu Yu-tao, Su Yi, et al. Two-dimensional fast ESPRIT algorithm for linear array SAR imaging[J]. Journal of Radars, 2015, 4(5): 591–599. DOI: 10.12000/JR15065
    [19] Zhu X X and Bamler R. Superresolving SAR tomography for multidimensional imaging of urban areas: Compressive sensing-based TomoSAR inversion[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2014, 31(4): 51–58. DOI: 10.1109/MSP.2014.2312098
    [20] Schmitt M and Stilla U. Compressive sensing based layover separation in airborne single-pass multi-baseline InSAR data[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2013, 10(2): 313–317. DOI: 10.1109/LGRS.2012.2204230
    [21] 李杭, 梁兴东, 张福博, 等. 基于高斯混合聚类的阵列干涉SAR三维成像[J]. 雷达学报, 2017, 6(6): 630–639. DOI: 10.12000/JR17020

    Li Hang, Liang Xing-dong, Zhang Fu-bo, et al. 3D imaging for array InSAR based on Gaussian mixture model clustering[J]. Journal of Radars, 2017, 6(6): 630–639. DOI: 10.12000/JR17020
    [22] Stoica P and Nehorai A. MUSIC, maximum likelihood, and Cramer-Rao bound[J]. IEEE Transactions on Acoustics,Speech,and Signal Processing, 1989, 37(5): 720–741. DOI: 10.1109/29.17564
    [23] 张福博. 阵列干涉SAR三维重建信号处理技术研究[D]. [博士论文], 中国科学院大学, 2015.

    Zhang Fu-bo. Research on signal processing of 3-D reconstruction in linear array Synthetic Aperture Radar interferometry[D]. [Ph.D. dissertation], University of Chinese Acedamy of Science, 2015.
    [24] Freeman A. SAR calibration: An overview[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1992, 30(6): 1107–1121. DOI: 10.1109/36.193786
    [25] 焦培南, 张忠治. 雷达环境与电波传播特性[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

    Jiao Pei-nan and Zhang Zhong-zhi. Radio Environment and Radio Wave Propagation Characteristics[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2007.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-25
  • 修回日期:  2018-05-18
  • 网络出版日期:  2018-06-28

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