一种对流层实时校正的星载超高分辨率SAR成像方法与流程

一种对流层实时校正的星载超高分辨率sar成像方法
技术领域
1.本发明属于雷达成像领域，尤其涉及一种对流层实时校正的星载超高分辨率sar成像方法。


背景技术：

2.大气层中的对流层是影响电磁波传输的主要因素，电磁波在其中传输会产生明显的折射现象，由于电磁波折射率随大气层高度变化，弯曲的折射路径会引起斜距误差，造成合成孔径时间内的斜距误差随着时间而不同，导致距离徙动校正残余误差过大，引起方位向成像散焦。在星载sar成像由低频段(l频段)向高频段(ka频段)发展的过程中，成像分辨率由十米级向到分米级不断提升，对于斜距误差控制要求越来越高(分米级)，故而，对高精度大气延迟校正方法提出了迫切需求。
3.现有星载sar大气延迟校正主要包括两类方法：一类是利用天气预报模型估算得到成像区域的大气延迟量，专利“基于ecmwf的insar大气延迟改正的方法和系统”(cn201910257685)根据成像区域的ecmwf天气预报数据和dem数据，计算得到成像区域的总天顶延迟，通过构建分层插值模型得到sar图像上每一个成像点的大气延迟相位值，提高了大气延迟校正精度，该类方法面临观测时间不一致，空间分辨率不匹配、易受云的影响等问题，降低了其自身的适用性。另一类是利用gnss层析来估算成像路径的延迟，专利“一种gnss层析技术辅助的insar大气延迟改正方法”(cn202011502257.9)利用全天候的gnss数据获取与sar影像同步的大气延迟相位图，但需要在成像区域设置有多个gnss接收机，对成像区域提出限制。


技术实现要素：

4.鉴于星载超高分辨率sar对同程对流层延迟测量要求高，本发明提出了一种对流层实时校正的星载超高分辨率sar成像方法，在不受限于成像区域的情况下，满足高时效性、高精度sar成像处理需求。
5.卫星雷达信号穿越对流层过程中受到折射率变化的影响导致传播路径产生弯曲，实际斜距相比理论值出现延迟。为了保证超高分辨率成像，斜距精度往往达到分米量级，所以必须获取高精度的对流层延迟，对流层延迟主要包含两部分：一是水蒸气、云中液态水等导致的湿对流层延迟，二是由大气层内干燥气体引起的干对流层延迟。其中湿对流层延迟通过校正辐射计同步测量得到，干对流层延迟可以通过模型精确测量得到，精度可达0.05厘米量级。
6.具体的，本发明采用能够覆盖sar观测视场的校正辐射计，实时同程测量sar工作时间范围内，观测场景上空、不同观测角η下的大气温度t(t,η)和水汽压e(t,η)；校正辐射计测量数据与sar回波数据同时下传到地面，地面处理后得到湿对流层天顶延迟；利用总对流层延迟估计模型，得到不同成像时刻t、总的对流层天顶延迟，所述总对流层延迟估计模型为干对流层延迟与不同观测角η下湿对流层天顶延迟的平均值的和；进而，通过总的对流
层天顶延迟到视线延迟的映射，得到对流层引起的斜距延迟rtd(t)；将斜距延迟rtd(t)做为修正项对sar斜距模型进行修正；地面在超高分辨率sar成像处理中，成像算法采用对流层实时修正后的斜距，最终得到超高分辨率sar图像。
7.进一步的，校正辐射计定标的实现方法是：天线在沿交轨方向旋转一周的过程中，通过对冷空背景、黑体及地面目标的测量，完成对大气的观测和定标。
8.进一步的，地面处理时，将校正辐射计实时测量的大气温度和水汽压输入的saastamoinen模型即可得到湿对流层天顶延迟。
9.进一步的，干对流层延迟计算公式如下，
[0010][0011]
其中，p0表示海面压强，表观测场景中心的纬度。
[0012]
进一步的，在成像处理时，对sar斜距模型进行泰勒展开，根据精度要求保留泰勒展开级数。
[0013]
进一步的，二阶展开下sar斜距模型如下，
[0014][0015]
其中，rc为观测场景中心对应的斜距，λ为雷达波长，tc为sar对场景中心成像时刻，为多普勒中心频率，fr为多普勒调频斜率；
[0016]
修正后的二阶sar斜距模型如下：
[0017]
r＇(t)＝r(t)+rtd(t)。
[0018]
有益效果
[0019]
(1)本发明提出在轨校正辐射计测量sar天线在工作下视角范围内大气的液态水和水汽含量，用于高分辨率sar卫星地面处理中对流层/大气延迟的校正，保证了高频段、超高分辨率处理的精度；
[0020]
(2)本发明避免了过分依赖地面高精度天气预报信息，极大提升系统自主闭环性；
[0021]
(3)本发明将对流层延迟测量数据与载荷回波数据同步下传，进一步提升了sar数据处理的时效性。
附图说明
[0022]
图1、本发明方法流程图；
[0023]
图2、sar和校正辐射计同程观测示意图；
[0024]
图3、纬度与干对流层延迟的曲线关系；
[0025]
图4、大气压强与干对流层延迟的曲线关系。
具体实施方式
[0026]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
[0027]
本发明采用校正辐射计测量sar天线在工作下视角范围内大气的液态水和水汽含量，并长期在轨生成大气延迟数据。sar卫星开始工作时，将校正辐射器计测量的大气试验数据与sar回波数据一起打包下传到地面。地面系统中，将在轨测量大气校正数据带入到高
精度大气时延估计模型，进一步提升大气延迟校正的时空精度，将测量得到精细对流层延迟量提供给sar地面系统，用于高精度sar成像处理，有效提升现有sar成像处理精度。
[0028]
在轨对流层实时校正流程如下：
[0029]
(1)同程观测
[0030]
本发明采用一个高精度、能够覆盖sar观测视场的校正辐射计，同程测量sar工作时间范围内、观测场景上空、不同观测角η下的大气温度t(t,η)和水汽压e(t,η)，同程观测示意图如图2所示。
[0031]
校正辐射计接收机采用全功率微波辐射计方案，结构简单，易于实现，可靠性高。由于校正辐射计工作时在整个积分时间内都是对观测目标进行测量，因而也是灵敏度最高的辐射计。校正辐射计在星上采用两点定标方案，其中高温点为黑体辐射，低温点为冷空背景辐射。校正辐射计在频段选择方面，要充分论证，尽可能选择非sar成像频段，工作模式采用交轨圆周扫描方式。
[0032]
校正辐射计定标采用旋转天线的整体定标方案。具体实现方法是天线在沿交轨方向旋转一周的过程中，通过对冷空背景、黑体及地面目标的测量，完成对大气的观测和定标。
[0033]
(2)湿对流层延迟估计
[0034]
校正辐射计测量数据与sar回波数据同时下传到地面，地面处理时采用高精度的saastamoinen模型得到湿对流层天顶延迟；
[0035]
相比于干对流层的影响，湿对流层的绝对值较小，但是随时间变化却很快。利用校正辐射计可以实时测量大气温度t(t,η)和水汽压e(t,η)，将校正辐射计的实时测量值代入saastamoinen模型进而可以估计得到湿对流层天顶延迟，具体的，某个成像时刻t、校正辐射计观测角η下，湿对流层天顶延迟d
wet
(t,η)表示为
[0036][0037]
(3)干对流层延迟估计
[0038]
对于干对流层而言，当流体静力学平衡和理想气体定律成立时，距离延迟的垂直积分只是表面压强的函数，而且干燥气体产生的大气压强占总的大气压强99％以上，可以忽略两者的区别。干对流层的影响几乎是固定值。此时，干对流层延迟积分表达式可近似表示为海面压强p0和重力加速度g的关系式：
[0039][0040]
其中，重力加速度与纬度的关系式为：
[0041][0042]
g0＝980.6cm/sec2是重力加速度标准参考值。mbar(毫巴)是对气压的习惯称谓，在国际单位制中，1mbar＝1hpa(百帕)。将泰勒展开，并保留纬度相关的最大项，得到的干对流层延迟为：
[0043][0044]
p0通常在1000mb左右，修正值在-2.23～-2.35米之间，目前全球范围内的大气压
精度优于3mb，因此干对流层延迟修正后的标准差优于0.05cm。
[0045]
(4)总对流层延迟估计，进而得到对流层引起的斜距延迟rtd(t)
[0046]
某个成像时刻t，总的对流层天顶延迟为干对流层延迟与湿对流层延迟在不同角度平均值的和，如下式所示
[0047][0048]
其中，校正辐射计共采用了n个观测角。
[0049]
sar均工作在侧视，对流层引起的斜距延迟通过天顶延迟到视线延迟映射得到，具体如下
[0050][0051]
其中θ为雷达信号入射角。
[0052]
(5)斜距实时校正
[0053]
星载sar系统性延迟为sar载荷内部固有延迟，需要在成像处理过程和sar几何定标过程中，精确sar系统性延迟。
[0054]
对于高分辨率sar卫星而言，通过星地几何定标来标定sar系统性延迟，在几何定标时为了更精确测量系统性延迟，需要在定标场实测当地的大气成分和气压等参数进而估算对流层引起的时延。采用本方法后，可以利用星上辐射计同程测量几何定标时的对流层延迟，为此，实际sar系统延迟为sar地面实测系统延迟r0与对流层引起斜距延迟之差，其中对流层引起斜距延迟为在合成孔径时间内辐射计测量得到斜距延迟的时间平均值，修正的sar系统性延迟简单表示如下：
[0055][0056]
修正后的sar系统性延迟主要用于sar几何定标。简化在轨定标流程，提升星载sar系统的几何定位精度。
[0057]
sar成像时斜距为天线等效相位中心位置与地面观测点之间距离，通常在成像处理时，对sar斜距模型进行泰勒展开，可以根据实际精度要求保留不同的展开阶数，目前以保留二次项为例(此外，可以根据需要保留到三阶及其以上)，在不考虑对流层延迟的情况下，sar斜距模型如下
[0058][0059]
其中r(t)为sar成像方位向时间t时的对应斜距，rc为观测场景中心对应的斜距，λ为雷达波长，tc为sar对场景中心成像时刻，为多普勒中心频率，fr为多普勒调频斜率。
[0060]
考虑到对流层延迟后，斜距模型进一步修正为
[0061][0062]
(6)超高分辨率sar成像处理
[0063]
在超高分辨率sar成像处理中，在成像算法中采用对流层实时修正后的斜距模型
(式(9))实现超高分辨率sar成像。
[0064]
同时，在进行方位向成像处理时，利用修正后的系统性时延生成匹配滤波器(式(7))，进而保证超高分辨率sar成像处理对高精度斜距的需求。