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        SAR 成像技術在高分三號衛(wèi)星的應用

        2021-02-22 02:38:42王向春
        科技創(chuàng)新與應用 2021年8期
        關鍵詞:信號

        王向春

        (廈門精圖信息技術有限公司,福建 廈門361008)

        1 概述

        SAR 即合成孔徑雷達,有聚焦和非聚焦兩種,聚焦SAR 的分辨率高,適合應用在大面積和遠距離的影像采集,但是其設備結(jié)構復雜且研發(fā)難度高;非聚焦SAR 的分辨率與其波長和目標距離成正比例關系,設備結(jié)構相對簡單。自上世紀八十年代,國內(nèi)外就已經(jīng)對SAR 成像技術進行研究,2000年后隨著多個國家的SAR 衛(wèi)星升空后,國內(nèi)外涌現(xiàn)出SAR 成像的多種新型技術和方法。

        我國高分三號衛(wèi)星在2016年升空,是首顆分辨率達到1m 的SAR 衛(wèi)星。因為SAR 具備不受光照和惡劣天氣影響的優(yōu)勢,多被用作地表災害監(jiān)測用途。高分辨使得影像中可獲取的地表目標物體的結(jié)構和形狀特征數(shù)據(jù)會更多,但是對于多次散射和疊影的影像,可獲取的數(shù)據(jù)精度仍難有待提高[1-2]。國外學者提出將壓縮感知理論應用在合成孔徑雷達成像技術中,通過論證分析獲知該方法應用下影像分辨率獲得顯著提升[3]。作者團隊所在的廈門精圖信息技術有限公司,從2009年開始,就參與了多個國家發(fā)改委衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化重大專項,技術內(nèi)容涵蓋了衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導航、衛(wèi)星通信等多個方面。

        2 SAR 信號模型

        SAR 信號由距離信號和方位信號組成,在SAR 距離信號的距離脈沖為:

        式子(1)中Tr為脈沖時間,Kr為距離向調(diào)頻,f0為中心頻率,τ 為參考原點。反射波能量為地面反射系統(tǒng)δr和距離脈沖的乘積,如式子(2)所示:

        假設目標距離雷達距離為R0,空氣散射系數(shù)為σ0,幅度為A,那么式子(2)中的δr=A×(τ-(2R0÷c)),其中c為光速,(2R0÷c)為信號延遲,所以該目標的接收信號為:

        式子(3)中? 為信號相位改變,由于SAR 天線在方位上沒有加權,所以方向信號可以近似為sinc 函數(shù):

        式子(4)中θ 為測距平面與視線夾角,βbw=0.886θλ÷Lα,Lα為方位天線長度。雷達波束在發(fā)射和返回過程中,接收信號強度為式子(4)的平方獲得,方位時間η 的函數(shù)為:

        式子(5)中θ 與方位時間的關系為sinθ=-(Vη÷Rη),那么監(jiān)測目標的接收信號:

        式子(7)中復常數(shù)A0=Aexp(jθ)。

        SAR 利用天線和監(jiān)測目標之間的相對移動,將合成孔徑原理應用在雷達成像設備設計中,解決高分辨率中天線與波長之間的矛盾,在遙感影像獲取應用中具有巨大潛力。

        3 SAR 成像方法

        SAR 的成像參考坐標系分為x 軸的方位向,y 軸的地距,z 軸的高度向,另外還包括層析向s 和斜距向r,如圖1 所示。SAR 復數(shù)影像中的每個像素都是散射信號沿高程的積分[4]。

        圖1 SAR 成像坐標原理圖

        與傳感器斜距相同的多個地表監(jiān)測目標,形成像素的復數(shù)觀測值,在建筑物密集且高度相似的城市中尤為常見。因為當前SAR 的分辨率已經(jīng)達到米級,假如通過SAR 層析成像,那么高程向的分辨率即可獲得求解。利用相同軌道并且從相近位置點進行采集的影像,通過SAR層析技術將不同的散射體進行分離。

        在SAR 復數(shù)影像的數(shù)據(jù)庫中,第n個像素的復數(shù)值為:

        式子(8)中[-δmax,δmax]為信號分布范圍,ξn為空間采樣間隔,由ξn=-2bn÷(λ·r)計算獲得,經(jīng)過L 次離散采樣,那么式子(8)離散為:

        式子(9)中G 為第N個像素的復數(shù)觀測值,K 為N×L 階矩陣,γ 為離散采樣,ε 為噪聲。式子(9)的計算方法可以用頻譜估算法,將信號獲取算法應用到SAR 成像領域。

        4 SAR 成像應用

        經(jīng)過了十多年的快速發(fā)展,我國已經(jīng)形成了國產(chǎn)高分辨率觀測體系,包括高分一號、高分二號、高分三號雷達衛(wèi)星、高分四號靜止軌道衛(wèi)星、高分五號高光譜衛(wèi)星、高分六號、高分七號、環(huán)境系列衛(wèi)星、天繪衛(wèi)星、實踐九號、資源系列衛(wèi)星、高景一號衛(wèi)星等[5],其中高分三號衛(wèi)星應用了SAR 成像技術。

        高分三號衛(wèi)星的SAR 具有十二種成像模式,不僅涵蓋了條帶和掃描功能,并且在全球觀測、聚束、波浪和高低入射角等多種模式的切換,具備一星多用的效果。高分三號衛(wèi)星的空間分辨率從1米到500米,是C 頻段分辨率最高的衛(wèi)星系統(tǒng)。高分三號衛(wèi)星的SAR 幅寬從10 公里到650公里,能夠承擔大范圍普查的任務,陸地上的街道及海洋中的船艦,均能夠在影像中清晰的分辨。由于SAR 的特殊成像優(yōu)勢,高分三號衛(wèi)星在獲取影像時不受惡劣天氣的影響,成為高分專項工程中執(zhí)行全天候全天時觀測任務的核心衛(wèi)星,為防災減災和水利氣象等多個領域的工程提供基礎觀測數(shù)據(jù)。(圖2)

        圖2 SAR 影像示例圖

        5 結(jié)束語

        高分辨率和高識別能力是當前SAR 成像技術的熱點和趨勢,SAR 在地表目標監(jiān)測影像分析中的多維特征解析方面具有獨到的優(yōu)勢。建立合適的SAR 信號模型可以使影像獲得精細分析,并作為未來影像自動解析的基礎。通過SAR 成像技術在高分三號衛(wèi)星上的應用,可獲知多影重疊是SAR 影像分析的難點。構建高分辨率SAR散射模型,有利于明確SAR 目標散射特征的形成機制。未來借助多角度視向和光學遙感數(shù)據(jù),可以進一步改善SAR 成像效果,推動高分系列衛(wèi)星在目標監(jiān)測中的應用。

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