联合多方位角调频率估计的星载SAR三维成像方法

周超伟 李真芳 王跃锟 解金卫

周超伟, 李真芳, 王跃锟, 解金卫. 联合多方位角调频率估计的星载SAR三维成像方法[J]. 雷达学报, 2018, 7(6): 696-704. doi: 10.12000/JR18094
引用本文: 周超伟, 李真芳, 王跃锟, 解金卫. 联合多方位角调频率估计的星载SAR三维成像方法[J]. 雷达学报, 2018, 7(6): 696-704. doi: 10.12000/JR18094
Zhou Chaowei, Li Zhenfang, Wang Yuekun, Xie Jinwei. Space-borne SAR Three-dimensional Imaging by Joint Multiple Azimuth Angle Doppler Frequency Rate Estimation[J]. Journal of Radars, 2018, 7(6): 696-704. doi: 10.12000/JR18094
Citation: Zhou Chaowei, Li Zhenfang, Wang Yuekun, Xie Jinwei. Space-borne SAR Three-dimensional Imaging by Joint Multiple Azimuth Angle Doppler Frequency Rate Estimation[J]. Journal of Radars, 2018, 7(6): 696-704. doi: 10.12000/JR18094

联合多方位角调频率估计的星载SAR三维成像方法

doi: 10.12000/JR18094
基金项目: 国家自然科学基金(60890072, 60725103)
详细信息
    作者简介:

    周超伟(1993–),男,江西抚州人,博士生。2015年于西安电子科技大学获电子信息工程专业学士学位,现攻读西安电子科技大学信号与信息处理专业博士学位。主要研究方向为星载SAR系统设计与星载SAR多方位角信号处理等。E-mail: zcwlzyz@163.com

    李真芳(1977–),男,山东寿光人,教授,博士生导师。2006年获得西安电子科技大学信号与信息处理博士学位,现为西安电子科技大学电子工程学院教授,主要研究方向为机载/星载合成孔径雷达信号处理、InSAR系统设计。E-mail: lzf@xidian.edu.cn

    王跃锟(1992–),男,山东青岛人,博士生。2014年于哈尔滨工业大学获电子信息工程专业学士学位,现攻读西安电子科技大学信号与信息处理专业博士学位。主要研究方向为星载SAR系统设计与信号处理等。E-mail: wangyk92@163.com

    解金卫(1990–),男,山西朔州人,博士生。2014年于西安电子科技大学获遥感科学与技术专业学士学位,现攻读西安电子科技大学遥感信息科学与技术专业博士学位。主要研究方向为3维层析成像、极化干涉SAR方向等。E-mail: jwxie2012@163.com

    通讯作者:

    李真芳   lzf@xidian.edu.cn

  • 中图分类号: TN957.52

Space-borne SAR Three-dimensional Imaging by Joint Multiple Azimuth Angle Doppler Frequency Rate Estimation

Funds: The National Natural Science Foundation of China (60890072, 60725103)
  • 摘要: 星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)通过波束的方位向扫描可以实现单次航过的多方位观测。在多方位角观测过程中,卫星弯曲轨道可等效为长3维曲线阵列,从而具备了3维成像能力。由于多方位角观测在高度维采样的稀疏性,无法直接通过3维FFT实现无模糊成像,且目标在不同方位角SAR图像的投影与高程间的传递相对复杂。针对该问题,该文提出了联合多方位角调频率估计的星载SAR3维成像方法。该方法首先给出了不同观测方位角下多普勒调频率误差与目标高程误差间的关系,利用视错位法(Map Drift, MD)估计多普勒调频率误差。然后,联合多方位角高程估计结果提升高程估计精度。最后,利用高程估计结果恢复目标3维几何信息,从而实现3维成像。仿真实验验证了该方法的高程估计精度可达米级。

     

  • 图  1  星载SAR多方位角观测几何示意图

    Figure  1.  Space-borne SAR multiple azimuth angle observation geometry

    图  2  高度误差与下视角误差关系几何示意图

    Figure  2.  The geometry of height error and nadir angle error

    图  4  多方位角观测星载SAR的3维成像方法流程图

    Figure  4.  The schematic diagram of space-borne SAR 3-D imaging method by multiple azimuth angle observation

    图  3  不同下视角对应的多普勒调频率误差与高程误差

    Figure  3.  The relationship between Doppler frequency error and height in different nadir angles

    图  5  不同信噪比下的高程估计均方根误差

    Figure  5.  Height estimation RMSE in various signal noise ratio

    图  6  杂波仿真结果

    Figure  6.  Simulation result of clutter

    图  7  不同信杂比下的蒙特卡洛高程估计结果记录

    Figure  7.  Monte Carlo height estimation record in various signal clutter ratio

    图  8  不同信杂比下的高程估计均方根误差

    Figure  8.  Height estimation RMSE in various signal clutter ratio

    图  9  圆柱点阵仿真模型

    Figure  9.  The model of cylider scatter array

    表  1  仿真参数

    Table  1.   Simulation parameters

    参数 数值
    轨道高度(km) 514
    轨道倾角(°) 97.4
    雷达载频(GHz) 9.70
    雷达带宽(MHz) 600
    雷达波束中心下视角(°) 35
    数据方位角跨度(°) [–16, +16]
    观测场景纬度(°N) 0
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨汝良, 李海英, 李世强, 等. 高分辨率微波成像[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013: VII–IX.

    Yang Ru-liang, Li Hai-ying, Li Shi-qiang, et al.. High Resolution Microwave Imaging[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2013: VII–IX.
    [2] 侯建国, 张勤, 杨成生. InSAR技术及其在地质灾害中的应用[J]. 测绘与空间地理信息, 2007, 30(6): 28–30, 35. DOI: 10.3969/j.issn.1672-5867.2007.06.008

    Hou Jian-guo, Zhang Qin, and Yang Cheng-sheng. Introduction to InSAR and its applications in geohazards[J]. Geomatics&Spatial Information Technology, 2007, 30(6): 28–30, 35. DOI: 10.3969/j.issn.1672-5867.2007.06.008
    [3] Krieger G, Hajnsek I, Younis M, et al. Interferometric synthetic aperture radar (SAR) missions employing formation flying[J]. Proceedings of the IEEE, 2010, 98(5): 816–843. DOI: 10.1109/JPROC.2009.2038948
    [4] 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
    [5] Poncos V. On the use of TerraSAR-X and Radarsat-2 spotlight data for persistent scatterers and tomographic analysis[C]. Proceedings of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Munich, Germany, 2012.
    [6] 周汉飞, 李禹, 粟毅. 利用多角度SAR数据实现三维成像[J]. 电子与信息学报, 2013, 35(10): 2467–2474. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.01534

    Zhou Han-fei, Li Yu, and Su Yi. Three-dimensional imaging with multi-aspect SAR data[J]. Journal of Electronics&Information Technology, 2013, 35(10): 2467–2474. DOI: 10.3724/SP.J.1146.2012.01534
    [7] 周汉飞, 李禹, 粟毅. 基于压缩感知的多角度SAR特征提取[J]. 电子学报, 2013, 41(3): 543–548. DOI: 10.3969/j.issn.0372-2112.2013.03.021

    Zhou Han-fei, Li Yu, and Su Yi. Multi-aspect SAR feature extraction based on compressive sensing[J]. Acta Electronica Sinica, 2013, 41(3): 543–548. DOI: 10.3969/j.issn.0372-2112.2013.03.021
    [8] 洪文. 圆迹SAR成像技术研究进展[J]. 雷达学报, 2012, 1(2): 124–135. DOI: 10.3724/SP.J.1300.2012.20046

    Hong Wen. Progress in circular SAR imaging technique[J]. Journal of Radars, 2012, 1(2): 124–135. DOI: 10.3724/SP.J.1300.2012.20046
    [9] Ertin E, Austin C D, Sharma S, et al.. GOTCHA experience report: Three-dimensional SAR imaging with complete circular apertures[C]. Proceedings of SPIE 6568, Algorithms for Synthetic Aperture Radar Imagery XIV, Orlando, United States, 2007: 656802. DOI: 10.1117/12.723245.
    [10] Knaell K. Three-dimensional SAR from curvilinear apertures[C]. Proceedings of the 1996 IEEE National Radar Conference, Ann Arbor, USA, 1996: 220–225. DOI: 10.1109/NRC.1996.510684.
    [11] 何峰, 杨阳, 董臻, 等. 曲线合成孔径雷达三维成像研究进展与展望[J]. 雷达学报, 2015, 4(2): 130–135. DOI: 10.12000/JR14119

    He Feng, Yang Yang, Dong Zhen, et al. Progress and prospects of curvilinear SAR 3-D imaging[J]. Journal of Radars, 2015, 4(2): 130–135. DOI: 10.12000/JR14119
    [12] Ferrara M, Jackson J A, and Austin C. Enhancement of multi-pass 3D circular SAR images using sparse reconstruction techniques[C]. Proceedings of SPIE 7337, Algorithms for Synthetic Aperture Radar Imagery XVI, Orlando, Florida, United States, 2009: 733702. DOI: 10.1117/12.820256.
    [13] Zhang J Q, Suo Z Y, Li Z F, et al. DEM Generation using circular SAR data based on low-rank and sparse matrix decomposition[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2018, 15(5): 724–728. DOI: 10.1109/LGRS.2018.2809905
    [14] Chen L P, An D X, Huang X T, et al. A 3D reconstruction strategy of vehicle outline based on single-pass single-polarization CSAR data[J]. IEEE Transactions on Image Processing, 2017, 26(11): 5545–5554. DOI: 10.1109/TIP.2017.2738566
    [15] Dungan K E and Potter L C. 3-D imaging of vehicles using wide aperture radar[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2011, 47(1): 187–200. DOI: 10.1109/TAES.2011.5705669
    [16] Duque S, Breit H, Balss U, et al. Absolute height estimation using a single TerraSAR-X staring spotlight acquisition[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2015, 12(8): 1735–1739. DOI: 10.1109/LGRS.2015.2422893
    [17] Curlander J C. Location of spaceborne SAR imagery[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1982, GE-20(3): 359–364. DOI: 10.1109/TGRS.1982.350455
    [18] Ferretti A, Monti-Guarnieri A, Prati C, et al.. InSAR Principles - Guidelines for SAR Interferometry Processing and Interpretation[M]. The Netherlands: ESA Publications, 2007.
    [19] Cumming I G, Wong F H, 洪文, 胡东辉. 合成孔径雷达成像: 算法与实现[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012: 385–389.

    Cumming I G, Wong F H, Hong Wen, Hu Dong-hui. Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2012: 385–389.
    [20] Menon K R, Balakrishnan N, Janakiraman M, et al. Characterization of fluctuation statistics of radar clutter for Indian terrain[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1995, 33(2): 317–324. DOI: 10.1109/36.377931
  • 加载中
图(10) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  2604
  • HTML全文浏览量:  619
  • PDF下载量:  206
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-12
  • 修回日期:  2018-12-15
  • 网络出版日期:  2018-12-28

目录

    /

    返回文章
    返回