专利名称：星载干涉合成孔径雷达系统仿真性能评估方法
技术领域：
本发明涉及微波遥感和信号处理的交叉技术领域，特别涉及一种星载干涉合成孔 径雷达系统仿真的性能评估方法。
背景技术：
星载干涉合成孑L径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，简称 hSAR)系统能够全天候、全天时地获取具有较高空间分辨率和高程精度的数字高程模型 (Digital Elevation Model，简称为DEM)数据。利用DEM数据，可监测地球陆地表面和冰 雪表面的变化情况，进行地震、火山爆发、滑坡和洪水等灾害预测，为农业、林业、渔业等生 产提供帮助，为军事活动提供信息支持。总之，利用^SAR系统获得的DEM数据具有重要的 应用价值和广泛的应用领域。在星载^iSAR系统研发阶段，首要关心的是系统层面的问题，如总体参数选取、 系统性能评估、系统误差分析与补偿等。具有高逼真度、高效率的仿真系统将为系统总体设 计提供工具，可以有效地降低系统研发风险，加快系统设计进程。对于星载MSAR系统仿真 而言，性能评估作为系统性能评价环节，其采用的评估方法是否有效、合理将直接影响系统 仿真结果的可信度。性能评估过程中，使用DEM数据的绝对水平定位精度、相对水平定位精度、绝对测 高精度、相对测高精度四项指标来度量^SAR系统的性能。目前，InSAR系统仿真性能评估 主要围绕如何计算上述四项评估指标而进行。2007年和2008年路兴强、王青松等人在德 国学者Eineder研究的基础上，提出了一种基于理想干涉量的方法来对MSAR系统进行评 估。这种评估方法虽然精度比较高，但是在实际应用中存在两个目前还没有得到有效解决 的问题一是评估所依赖的理想干涉量要全场景逐点计算，运算量非常大，计算效率低；二 是为了提高仿真逼真度，往往需要在雷达信号仿真时注入斜距测量误差、天线波束指向误 差、接收机定时误差和频率源稳定度等系统非理想因素，这些非理想因素的变化特性复杂 多样，不便于用简单数学模型描述，这使得评估所需理想干涉量无法根据解析公式得到准 确计算，性能评估的精度难以保证。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于星载^iSAR系统仿真性能评估的方 法，本方法能够克服传统评估方法存在的问题，具有精度高、计算量小和稳健的特点。为实现上述目的，本发明技术方案的基本思路是，在仿真场景中选择虚拟标志点 作为评估样本点来计算^SAR系统的四项评估指标。本发明的技术方案是，一种星载干涉合成孔径雷达系统仿真性能评估方法，其特 征在于，包括下述步骤步骤一选择虚拟标志点。在仿真输入场景的DEM网格中选择若干个离散点作为虚拟标志点，所述虚拟标 志点在场景中均勻分布，相邻两个虚拟标志点之间的距离大于100个SAR (Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)分辨单元。记录每个虚拟标志点在地心固连坐标系下的三 维坐标。步骤二 布设实际标志点。在仿真输入场景的DEM网格中距离每个虚拟标志点a ()个SAR分辨单元的位置 布设一个实际标志点，设置每个实际标志点的雷达散射截面积b ()分贝平方米()。记录每 个实际标志点在地心固连坐标系三维坐标。步骤三雷达回波信号仿真。采用经典的雷达回波仿真方法，获得仿真输入场景的hSAR回波，包括下述四组 数据主雷达天线相位中心(Antenna Phase Center，简称为APC)位置数据、辅雷达APC位 置数据、仿真输入场景的DEM含实际标志点的主雷达回波数据和仿真输入场景的DEM含实 际标志点的辅雷达回波数据。步骤四JnSAR数据处理。对步骤三仿真得到的四组数据，进行全流程MSAR数据处理，包括SAR成像处理、 图像配准、干涉相位滤波、干涉相位解缠、地面定位和地理编码，得到配准后hSAR主图像、 配准后hSAR辅图像和高斯-克吕格尔平面直角坐标系下的hSAR处理输出的DEM。步骤五计算虚拟标志点和实际标志点在配准后hSAR主图像中的相对位置。所述步骤五包括以下三个步骤
第(一)步，利用SAR成像处理时的多普勒中心频率和实际标志点在地心固连坐标系下 的三维坐标数据，计算第i个实际标志点在配准后hSAR主图像中的亚像素级坐标，其中i 表示实际标志点的序号，，N为实际标志点的个数，表示第i个实际标志点在配准后^iSAR主 图像中的方位向坐标，表示第i个实际标志点在配准后hSAR主图像中距离向坐标；
第(二)步，利用SAR成像处理时的多普勒中心频率和虚拟标志点在地心固连坐标系下 的三维坐标数据，计算第i个虚拟标志点在配准后hSAR主图像中的亚像素级坐标，其中i 表示虚拟标志点的序号(由于虚拟标志点和实际标志点一一对应，所以这里用同一个字母 表示其序号)，表示第i个虚拟标志点在配准后MSAR主图像中的方位向坐标，表示第i个 虚拟标志点在配准后hSAR主图像中的距离向坐标；
第(三)步，使用(公式1)计算出每一个虚拟标志点相对于其对应的实际标志点在配准 后hSAR主图像中的亚像素级相对位置坐标，其中表示方位向的相对位置坐标，表示距离 向的相对位置坐标；
(公式1)
步骤六提取实际标志点在配准后hSAR主图像中的位置。在配准后hSAR主图像中每个实际标志点所在位置周围取32X32个像素大小的 窗口，对窗口内的数据进行32倍二维sine插值，然后取幅度最大的点所在的位置，即为该 实际标志点在配准后^SAR主图像中的精确位置，其中表示第i个实际标志点在配准后 hSAR主图像中的精确方位向坐标，表示第i个实际标志点在配准后hSAR主图像中的精确 距离向坐标。
步骤七计算虚拟标志点在配准后hSAR主图像中的位置；
利用步骤五得到的虚拟标志点与实际标志点的相对位置坐标，结合步骤六得到的实际 标志点位置坐标，根据(公式2)求得虚拟标志点在配准后hSAR主图像中的精确位置坐标， 其中表示第i个虚拟标志点在配准后^SAR主图像中的精确方位向坐标，表示第i个虚拟 标志点在配准后MSAR主图像中的精确距离向坐标； (公式2)
步骤八在^SAR处理输出的DEM中提取虚拟标志点的高斯-克吕格尔平面直角坐标 系坐标。根据配准后hSAR主图像与hSAR处理输出的DEM的像素对应关系，按照步骤 七得到的虚拟标志点在配准后^SAR主图像中的精确位置坐标，采用线性插值方法提取 InSAR处理输出的DEM中虚拟标志点的高斯_克吕格尔平面直角坐标系下的三维坐标。步骤九计算四项hSAR性能评估指标。将步骤一得到的虚拟标志点在地心固连坐标系下的三维坐标进行坐标变换，得到 每个虚拟标志点在高斯-克吕格尔平面直角坐标系下三维坐标的理想值。结合步骤八得到 的虚拟标志点在hSAR处理输出的DEM中高斯-克吕格尔平面直角坐标系的三维坐标，利 用(公式3)至(公式6)即可分别得到四项^iSAR性能评估指标绝对水平定位精度、相对水 平定位精度、绝对测高精度、相对测高精度。(公式 3) (公式4) (公式5) (公式6)
本发明的有益效果是本发明实现简单、精度高、速度快，稳健性强。(1)实际标志点是 在仿真输入的场景DEM网格上均勻布设的具有较强雷达散射截面积的离散点，在SAR图像 中它们表现为亮点，易于精确提取实际标志点在图像中的位置；(2)虚拟标志点是仿真输 入的场景DEM网格点，与实际标志点一一对应且相距较近，由于虚拟标志点与实际标志点 相距较近，可以采用成像多普勒参数精确计算虚拟标志点和实际标志点的相对位置，该计 算过程对信号仿真时注入的非理想因素不敏感；(3)根据虚拟标志点与实际标志点的相对 位置以及实际标志点在图像中的位置，可得到虚拟标志点在图像中的位置，其计算精度接 近图像中的强点目标位置提取精度；(4)虚拟标志点只是仿真输入的场景DEM的一部分样 本点，与传统评估方法的全场景计算相比计算量明显降低。


图1是本发明评估方法的流程示意图； 图2是是仿真系统的主要参数；
图3是仿真输入的场景DEM图例；
图4是虚拟标志点和实际标志点在仿真输入的场景DEM中的分布示意图； 图5是hSAR处理输出的DEM图例； 图6是虚拟标志点相对于实际标志点的位置坐标； 图7是实际标志点位置坐标；图8是虚拟标志点位置坐标；
图9是虚拟标志点在高斯-克吕格尔平面直角坐标系下的测量值； 图10是虚拟标志点在高斯-克吕格尔平面直角坐标系下的理想值； 图11是MSAR性能指标评估结果。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。本实施例所用的仿真参数见表2，雷达发射信号载频为9. 65GHz，天线方位向尺寸 为4. 8m，距离向尺寸为0. 7m，系统方位向SAR分辨单元为3m，距离向SAR分辨单元为1. :3m。本实施例的仿真输入的场景DEM如图3所示，为我国河北省尚义地区一块 3kmX 3km的坡度平缓的山地，高程最小值为0. 11米，高程最大值为114. 6米，高程平均值为 99. 5米，高程标准差为56. 6米，坡度最大值为0. 8(^696，坡度平均值为0. 162504。图1为本发明星载干涉合成孔径雷达系统仿真性能评估方法的流程示意图。对本 实施例按照图1所示的流程进行下述步骤
步骤一，选择虚拟标志点；
在仿真输入的场景DEM网格中选定16个均勻分布的虚拟标志点，相邻两个虚拟标志点 的距离约500米(大于100个SAR分辨单元，即300米)。步骤二，布设实际标志点；
在仿真输入的场景DEM网格中，在距离每个虚拟标志点100米(30个SAR分辨单元为 90米，40个SAR分辨单元为120米)的位置布设一个实际标志点，每个实际标志点的雷达散 射截面积设为20分贝平方米，以保证每个标志点在SAR图像中的坐标都能够通过二维插值 精确提取。图4为本实施例中虚拟标志点和实际标志点在仿真场景中的分布示意图，其中 “ * ”表示虚拟标志点位置，“Δ”表示实际标志点位置，图中共有16个虚拟标志点和16个 实际标志点。需要指出的是本实施例中在仿真场景中只选定了 16个标志点，在本评估方法的 实际应用中，虚拟标志点的数目可以在满足相邻两个虚拟标志点距离大于100个SAR分辨 单元的前提下尽可能多的布设。步骤三，雷达回波信号仿真；
采用的雷达回波仿真方法，获得仿真输入场景的^SAR回波，参照博士学位论文《天基 分布式SAR系统多任务仿真研究》(国防科技大学，王敏，2007. 12，第65页至第90页)所述 的星载MSAR信号仿真方法，得到主雷达APC位置数据、辅雷达APC位置数据、仿真输入的 场景DEM (含实际标志点)的主雷达回波数据和仿真输入的场景DEM (含实际标志点)的辅 雷达回波数据。步骤四，InSAR数据处理；
对步骤三仿真得到的四组数据，进行全流程MSAR数据处理，包括SAR成像处理、图像 配准、干涉相位滤波、干涉相位解缠、地面定位和地理编码，这里对采用的hSAR数据处理 方法参见《星载合成孔径雷达干涉测量》(科学出版社，2002年，王超等著，第67页至第84 页)。对步骤三得到的四组数据进行全流程处理得到配准后后主图像和MSAR处理输出的 DEM。图5为高斯-克吕格尔平面直角坐标系下的hSAR处理输出的DEM数据，方位向采样点数为1089，距离向采样点数为1045，方位向和距离向的采样间隔都为:3m。。步骤五，计算虚拟标志点和实际标志点在配准后的hSAR主图像中的相对位置坐 标；
其中利用成像参考多普勒中心频率计算实际标志点和虚拟标志点在^SAR主图像中 的位置坐标的方法参见硕士论文《天基^SAR理想干涉量的仿真与应用研究》(国防科技大 学，2009年，王青松，第27页至第四页)3. 1. 1节。表6为评估流程步骤五计算得到的每个虚拟标志点相对于其对应的实际标志点 在配准后hSAR主图像中的相对位置坐标。其中，第一列表示虚拟标志点的序号，第二列为 方位向相对位置坐标，第三列为距离向相对位置坐标。步骤六，提取实际标志点在配准后hSAR主图像中的位置坐标；
表7为评估流程步骤六使用二维插值得到的16个实际标志点在配准后^SAR主图像 中的位置坐标，本例中插值倍数为32倍。其中，第一列为实际标志点的序号，第二列为实际 标志点方位向位置坐标，第三列为实际标志点距离向位置坐标。步骤七，计算虚拟标志点在配准后hSAR主图像中的位置坐标；
表8为评估流程步骤七计算得到的16个虚拟标志点在在配准后^SAR主图像中的精 确位置坐标。其中，第一列为虚拟标志点的序号，第二列为虚拟标志点方位向精确位置坐 标，第三列为虚拟标志点距离向位置坐标。步骤八，在hSAR处理输出的DEM中提取虚拟标志点的高斯-克吕格尔平面直角 坐标系下的三维坐标；
步骤八坐标转换得到的16个虚拟标志点在高斯-克吕格尔平面直角坐标系下的理想 值见表9，表中和代表了虚拟标志点的理想水平位置，代表虚拟标志点的理想高程。步骤八 插值提取得到的16个虚拟标志点在高斯-克吕格尔平面直角坐标系下的三维坐标测量值 见表10，表中和代表了虚拟标志点水平位置的测量值，代表虚拟标志点高程的测量值。步骤九，计算四项hSAR性能评估指标、、和。步骤九计算得到的hSAR四项性能指标的结果见表7。其中，第一列为四个hSAR 性能评估指标，第二列为相应指标的评估值。根据表2给出的系统参数，利用论文《分布式 MSAR三维定位的闭合形式解及其精度分析》(谷德峰等，电子学报，2007年，第36卷，第7 期，第10 页至第1031页)给出的方法可以计算得出相应指标的理论计算值。四个MSAR 性能评估指标的理论值在表7的第三列。从表11可以看出使用本评估方法得到的四个^SAR性能评估指标的评估值与相 应的理论值差异均小于0. 1米，说明本方法具有较高的精度。
权利要求
1. 一种星载干涉合成孔径雷达系统仿真性能评估方法，其特征在于，包括下述步骤 步骤一选择虚拟标志点；在仿真输入场景的DEM (Digital Elevation Model，数字高程模型)网格中选择若干 个离散点作为虚拟标志点，所述虚拟标志点在场景中均勻分布；记录每个虚拟标志点在地 心固连坐标系下的三维坐标； 步骤二 布设实际标志点；在仿真输入场景的DEM网格中距离每个虚拟标志点a个SAR (Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)分辨单元的位置布设一个实际标志点，其中；设置每个实际标志点的 雷达散射截面积为b分贝平方米，其中；记录每个实际标志点在地心固连坐标系三维坐标； 步骤三雷达回波信号仿真；采用雷达回波仿真方法，获得仿真输入场景的hSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar，星载干涉合成孔径雷达)回波，包括下述四组数据主雷达APC (Antenna Phase Center，天线相位中心)位置数据、辅雷达APC位置数据、含实际标志点的仿真输入场 景的DEM主雷达回波数据，含实际标志点的仿真输入场景的DEM的辅雷达回波数据； 步骤四JnSAR数据处理；对步骤三得到的四组数据，进行全流程hSAR数据处理，包括SAR成像处理、图像配 准、干涉相位滤波、干涉相位解缠、地面定位和地理编码，得到配准后hSAR主图像、配准后 InSAR辅图像和高斯-克吕格尔平面直角坐标系下的hSAR处理输出的DEM ； 步骤五计算虚拟标志点和实际标志点在配准后hSAR主图像中的相对位置； 所述步骤五包括以下三个步骤第(一)步，利用SAR成像处理时的多普勒中心频率和实际标志点在地心固连坐标系下 的三维坐标数据，计算第i个实际标志点在配准后hSAR主图像中的亚像素级坐标，其中i 表示实际标志点的序号，，N为实际标志点的个数，表示第i个实际标志点在配准后^iSAR主 图像中的方位向坐标，表示第i个实际标志点在配准后hSAR主图像中距离向坐标；第(二)步，利用SAR成像处理时的多普勒中心频率和虚拟标志点在地心固连坐标系下 的三维坐标数据，计算第i个虚拟标志点在配准后hSAR主图像中的亚像素级坐标，其中i 表示虚拟标志点的序号，表示第i个虚拟标志点在配准后^iSAR主图像中的方位向坐标，表 示第i个虚拟标志点在配准后hSAR主图像中的距离向坐标；第(三)步，使用公式1计算出每一个虚拟标志点相对于其对应的实际标志点在配准后 hSAR主图像中的亚像素级相对位置坐标，其中表示方位向的相对位置坐标，表示距离向的 相对位置坐标；(公式1)步骤六提取实际标志点在配准后hSAR主图像中的位置；在配准后MSAR主图像中每个实际标志点所在位置周围取32X32个像素大小的窗口， 对窗口内的数据进行32倍二维sine插值，然后取幅度最大的点所在的位置，即为该实际标 志点在配准后MSAR主图像中的精确位置，其中表示第i个实际标志点在配准后hSAR主 图像中的精确方位向坐标，表示第i个实际标志点在配准后^SAR主图像中的精确距离向 坐标；步骤七计算虚拟标志点在配准后MSAR主图像中的位置；根据公式2求虚拟标志点在配准后MSAR主图像中的精确位置坐标，其中表示第i个 虚拟标志点在配准后^SAR主图像中的精确方位向坐标，表示第i个虚拟标志点在配准后 hSAR主图像中的精确距离向坐标；(公式2)步骤八在^SAR处理输出的DEM中提取虚拟标志点的高斯-克吕格尔平面直角坐标 系坐标；根据配准后hSAR主图像与hSAR处理输出的DEM的像素对应关系，以及按照步骤 七得到的虚拟标志点在配准后^SAR主图像中的精确位置坐标，采用线性插值方法提取 InSAR处理输出的DEM中虚拟标志点的高斯-克吕格尔平面直角坐标系下的三维坐标；步骤九计算四项^SAR性能评估指标；将步骤一得到的虚拟标志点在地心固连坐标系下的三维坐标进行坐标变换，得到每个 虚拟标志点在高斯-克吕格尔平面直角坐标系下三维坐标的理想值；利用公式3至公式6 得到四项^SAR性能评估指标绝对水平定位精度、相对水平定位精度、绝对测高精度、相 对测高精度；(公式3)(公式4)(公式5)(公式6)
2.根据权利要求1所述的星载干涉合成孔径雷达系统仿真性能评估方法，其特征在 于，相邻两个虚拟标志点之间的距离大于100个SAR分辨单元。
全文摘要
本发明提供一种用于星载InSAR系统仿真性能评估的方法，技术方案包括下述步骤步骤一选择虚拟标志点；步骤二布设实际标志点；步骤三雷达回波信号仿真；步骤四InSAR数据处理；步骤五计算虚拟标志点和实际标志点在配准后InSAR主图像中的相对位置；步骤六提取实际标志点在配准后InSAR主图像中的位置；步骤七计算虚拟标志点在配准后InSAR主图像中的位置；步骤八在InSAR处理输出的DEM中提取虚拟标志点的高斯-克吕格尔平面直角坐标系坐标；步骤九计算四项InSAR性能评估指标。本发明具有精度高、计算量小和稳健的特点。
文档编号G01S7/40GK102073035SQ201010585968
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者何峰, 何志华, 余安喜, 孙造宇, 孟智勇, 张永俊, 张永胜, 徐华平, 李力, 李春升, 杜湘瑜, 王青松, 董臻, 金光虎, 陈祺, 黄海风 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学, 北京航空航天大学