星载视频SAR模式设计与数据处理

视频SAR可实现对重点区域持续观测并以视频方式呈现出来,其高帧率成像特性有利于对地面/海面机动目标的实时探测,视频SAR及其相关技术作为一种新颖的SAR观测模式成为近年的研究热点。从合成孔径原理出发,SAR载频越高,方位调频率绝对值越大,实现相同分辨率的合成孔径时间越短,越有利于视频的生成,因此通过合理的系统设计,Ka频段星载SAR具备视频工作的能力。然而星载SAR作用距离远,实现视频观测的几何模型、波位设计方案与机载SAR存在较大差异;此外,星载视频SAR幅宽较大,数据量和处理计算量需求巨大,如何快速实现数据处理是保证图像获取及后续应用时效性必须考虑的问题。本文基于珞珈二号(Luojia-2)SAR载荷和实测数据开展了相关研究,首先基于珞珈二号SAR卫星轨道以及平台能力设计了可实际应用的视频模式波位,其次基于时域成像算法提出了一种适合于星载视频SAR快速成像的流水线处理流程,最后基于珞珈二号实测数据完成了视频SAR成像处理。实测数据处理结果表明所提成像处理流程方法适合于星载视频SAR处理快速成像,可高效完成珞珈二号视频SAR实测数据处理。

基于变分法评估卫星海面信息对重构三维温盐及声场特性的影响

基于卫星海面观测重构水下三维温盐场并获取声场特性的研究,在军事海洋等领域具有重要的实践应用价值,但其效果不但受到重构方法的影响,而且随所利用的卫星海面观测信息的不同而改变。本研究基于美国海军最新研发的利用变分法的温盐场重构,研究了利用卫星海面高度、海面温度或二者联合数据,及考虑温盐垂向梯度对重构三维温盐及声场特性的影响。结果发现,集合了海表温度、海表高度和温盐垂直梯度3个约束项的重构方案精度最高,其重构温度场和盐度场的平均误差分别为1.08℃、0.11,该方案也能更好地捕捉温盐场的空间特征。通过分析不同方案的空间特征,海面温度主要作用于捕捉混合层以浅区域的温盐特征,这对表面声学层(Sound Layer Depth, SLD)的影响较大;海面高度和温盐场的垂直梯度对混合层以深区域的反演精度都有较高提升,能够影响整个声速剖面的准确性。根据声学特征分析,SST、SSH与温盐垂直梯度同时约束时,SLD以浅声速与HYCOM相差最小,约为1 m/s;没有梯度约束时,SLD与HYCOM相差约为1.5 m/s,未能很好地反映海表面声道特征;表明声道特征对海表温度与梯度约束均较为敏感。

一种三维森林场景极化SAR数据的快速模拟方法

该文提出了一种针对3维森林场景极化SAR数据模拟的快速模拟方法,解决了由于散射粒子数量巨大导致SAR回波模拟过程难以应用于大范围、高密度3维森林场景的问题。该方法通过将3维森林场景划分为"子场景"、"场景块"和"场景带",构造出一系列虚拟散射粒子,在斜距误差较小的前提下将多个真实散射粒子对SAR回波信号的综合贡献用单个虚拟散射粒子等效,从而达到降低散射粒子数量,提高SAR回波信号模拟效率的目的。该文推导了3维森林场景切分各控制参数之间的被约束关系,分析了各参数的误差敏感度,得到了模拟精度和效率的优化组合准则。2.5×105m2阔叶林场景的数据域相关性验证表明,该文提出的方法相比传统方法在保持较高模拟精度的前提下可以将模拟效率提高1个数量级。1.0×106m2阔叶林场景的森林高度反演结果表明了该方法进行大范围森林场景SAR遥感数据模拟的有效性。

基于起伏地形的SAR森林二次散射有效路径计算

提出了一种基于起伏地形的SAR森林二次散射有效路径计算方法.采用大尺度面元拟合来描述地表的坡度变化,通过对散射粒子与大尺度面元的二次散射进行条件遍历,充分考虑了地表具有大尺度起伏特征时森林雷达二次散射可能不存在或存在多条二次散射有效路径的情况.为了提高计算效率,一方面限定了遍历的面元范围,另一方面将森林场景划分为三维网格,用网格中心处有效路径的遍历结果作为网格内散射粒子的二次遍历条件.计算机仿真给出了在分形模拟地形和实测DEM数据下二次散射有效路径的计算实例,并与单一坡度倾斜地表模型的计算结果进行了对比,结果表明,该方法能够有效地表征地形起伏情况下森林的雷达二次散射特征.

星载SAR非沿迹成像新模式:机遇与挑战

星载合成孔径雷达(SAR)通过采用不同成像模式,实现分辨率与成像带宽度的不同性能组合。常规星载SAR模式的成像带沿着卫星航迹方向,走向单一;但实际目标场景的地理走向多种多样,与沿卫星航迹方向的成像带地理走向不匹配的情况普遍出现,导致数采周期长或方位分辨低、存储与计算资源浪费。星载SAR非沿迹成像模式是解决该问题的新思路,其通过生成与卫星航迹不同向的直线型或曲线型的成像带,匹配于目标场景的实际地理走向,对目标场景进行“地理定制化”成像。该文主要从信息获取、成像处理等方面,讨论了星载SAR非沿迹成像新模式的主要机遇与挑战,并通过计算机仿真实现了星载SAR非沿迹成像模式的原理性验证。

Ka频段合成孔径雷达高度计机载数据处理

雷达高度计是一种重要的海洋微波遥感器,利用雷达高度计观测海面动力高度是进行全球尺度海洋监测的有效手段。近年来,雷达高度计逐渐从实孔径模式向合成孔径模式发展,从Ku频段向Ka频段发展,观测的精度和分辨率得到了较大提升。首先研究了Ka频段合成孔径雷达高度计的全链路数据处理方法,包括回波预处理、改进的回波模型、回波重跟踪,然后基于国内首次Ka频段海面机载试验数据进行参数反演,并采用平均海面高模型数据进行验证。数据处理结果证明了数据处理方法的正确性。

一种用于月面着陆的知识辅助单脉冲前视成像方法

针对月面着陆过程中可能存在的着陆器倾斜而导致的结构损坏甚至颠覆等问题,提出了一种用于月面着陆的基于知识辅助的单脉冲前视成像方法。首先结合月面着陆器平台搭载的双通道雷达进行了理想情况下的单脉冲成像分析,然后分析了影响单脉冲成像性能的内在机理,并对雷达接收通道的不一致性进行了建模。在此基础上,将单脉冲成像问题转化为通道相位误差估计问题;结合天线方向图的先验信息,通过对实际天线方向图与理想方向图数据信息的对比,利用最小二乘方法估计出两者之间的相位差异,并求得改进的单脉冲测角曲线。最后对接收到的回波数据进行相位补偿,就可以获得高分辨的月面着陆区域单脉冲成像结果。地球机载实测数据处理结果表明此方法可以获得高分辨的前视成像结果,可应用在月面着陆过程中。

面向顺飞双站小卫星条带SAR的电扫多普勒中心导引方法

多普勒导引是保证星载条带SAR正常工作的重要手段。传统星载双站SAR通过分别对主、辅星进行偏航控制实现多普勒导引,该方法对天线安装、波束宽度、基线长度等因素有较高的依赖性。高频段小卫星条带SAR波束较窄,对主、辅星分别进行多普勒导引会引入较大的增益损失;且对于天线指向星下点的小卫星,调整偏航角不再改变信号的多普勒中心,传统方法失效。为解决上述问题,本文提出了一种面向顺飞双站小卫星条带SAR的电扫多普勒中心导引方法。该方法采用电扫描的方式对主、辅星波束指向进行联合调整,并通过多普勒方程的联立保证调整后多普勒中心为零,因此实现了在不降低回波增益的条件下抑制多普勒中心的变化,从而大幅放宽了顺飞双站小卫星SAR受天线安装指向、雷达波段、基线长度的限制。本文使用Ka波段双站小卫星的参数进行了仿真实验,实验结果符合预期,验证了本文方法的有效性。

SAR残余相位误差对森林高度反演影响的全链路模拟与分析

利用合成孔径雷达(SAR)遥感数据可以有效地估测平均树高、生物量、蓄积量等森林生物学参数。但是遥感数据精度易受SAR系统不确定性因素的影响,造成森林参数反演精度降低甚至异常。遥感系统的全链路模拟可以将遥感过程的各类影响因素解耦,获取大量具有指定参数特征的遥感数据,有利于对不确定性因素单独或联合分析。建立了SAR三维森林场景全链路模拟模型,基于E-SAR样地参数及数据验证了模型的有效性,并以森林高度反演这一典型的林业应用为对象,定量分析了运动补偿残余相位误差这一典型的SAR系统不确定性因素对反演精度的影响程度,得到了残余相位误差与高度反演RMSE测量结果之间的关系曲线。

极化相干层析反演森林垂直结构原理与方法研究

层析技术对于垂直结构信息提取具有独特的优势,已被广泛应用于森林垂直结构参数提取、混合环境分离等。极化相干层析(Polarization Coherence Tomography,PCT)是一种依靠先验知识基于干涉复相干通过傅立叶—勒让德展开式重建目标垂直结构的层析技术。单基线或双基线PCT技术依然可以获取森林垂直结构剖面,由于基线数量过少,很多学者对这一方法存在质疑。研究目的是分析单基线PCT技术提取森林垂直结构剖面的原理、方法与目前存在的问题。具体方法如下:①应用森林模拟数据提取不同森林场景平均后向散射能量垂直分布;②采用PCT技术获取模拟场景尺度森林垂直结构剖面(相对反射率垂直分布);③分析平均后向散射能量垂直分布与森林垂直结构剖面的异同;④总结森林垂直结构剖面含义及物理意义。结果表明:PCT技术重建的森林垂直结构剖面能够近似表征平均后向散射能量垂直分布轮廓;不同极化方式其森林垂直结构剖面与平均后向散射能量垂直分布也不同;平均后向散射能量垂直分布包含更多的细节信息。