分布式干扰对InSAR 成像的影响

蒋智辰,杨祎綪,黄乐天

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225101)

0 引言

干涉合成孔径雷达(InSAR)是一种具有三维成像效果的雷达系统,其在SAR 成像的基础上有效结合了干涉技术的特点,并且能够全天候、大范围、高精度地测量三维地形图和地形形变,被广泛地应用于地形测绘、人工建筑三维重建以及火山活动、冰川移动、地表沉降等有关地质学的研究。同时,其在军事方面的应用也非常广,已发展成为各国重要的战场侦察系统,先后投入使用了不少具有重要意义的机载/星载InSAR 系统。目前,已对地面重要军事目标构成威胁。所以,对InSAR 新的干扰技术研究已经非常迫切。

1 InSAR 成像技术

InSAR 主要通过以下2 种方式得到同一地形地面的复数图像对:(1)通过2个天线同时观测(双天线单航迹,主要用于机载干涉合成孔径雷达);(2)通过2次平行的异步观测(单天线双航迹,主要用于星载干涉合成孔径雷达)。根据成像区域的目标点与天线间的几何关系,利用余弦定理推出复图像共轭相乘得出的相位差,得到相位差的干涉条纹图。对干涉相位图进行相位滤波和相位解缠处理后,形成二维绝对相位图,该图包含了能够真正反映地面目标至两天线之间斜距差的精确信息。最后根据雷达的各项已知参数,包括高度、波长等,能够精确地测量出成像区域内每一点的位置,得到高分辨率、高精度的区域三维图像,最终得到区域的高程图。其基本工作流程如图1所示。

图1 InSAR 成像原理框图

干涉合成孔径雷达的测高原理如图2所示。

图2中,雷达系统的天线分别为和,它们分别到目标点的斜距为和。是两天线间的基线的夹角,是平台的高度,且上述平台参数、和均能通过平台遥测设备获得,因此它们为已知量。是天线的下视角,地面目标点在距离向上的值为,()是随距离向而变化的地面高度函数,再将其推广到方位向上,即函数(,)就为干扰合成孔径雷达成像的高程函数。

图2 InSAR 成像的几何关系图

由图2所示的几何关系以及三角形的余弦定理可得天线的下视角:

如果天线到目标点的斜距可知,则通过测量天线接收到的目标点回波的相位差φ,可以计得出:

式中:为雷达信号的波长。

由式(4)可知,地面上目标区域各点的高度h均能够利用该点在2次SAR 成像中存在的相位差而推导得出。即各个点目标在SAR 成像中的相位都包含了其高程信息。因为模型中天线的倾斜关系,这为解释重复轨道干涉雷达原理提供了依据。

2 分布式干扰

图3 两干扰机示意图

对比式(16)中两天线的复图像可以得出:(1)目标回波信号分布在雷达复图像中的任意位置,其相位差是随目标位置变化的;(2)干扰信号如目标回波信号一样分布在复图像中的任意位置,其相位差却是方位向的缓变函数;(3)当干扰信号的幅度较大时,InSAR 系统成像后得出的高程图就会呈现出一个斜坡;(4)两干扰机在方位向上的位置会造成干扰信号间的相位差变化,对最终的高程图存在影响。

3 仿真分析

仿真参数设置:信号载频5 GHz,脉冲重复周期2 ms,脉冲宽度10μs,信号带宽50 MHz,系统采样频率100 MHz,天线的下视角=50°;天线的高度=20 000 m,方位向速度为1 000 m/s,其余均为0。干扰信号采用射频噪声,调制噪声带宽60 MHz。

图4是仿真所用的模拟场景模型经过成像系统形成的高程图。

图4 仿真场景InSAR 恢复后的高程图

图5是单部干扰机的干扰信号及仿真场景经过成像系统形成的高程图,其中干扰信号和目标回波信号的功率比为12 dB。

由图5可知,单部干扰机工作时,经过InSAR成像系统恢复后的高程图为一个均匀分布的斜坡。

图5 干信比为12 dB的单部干扰机恢复高程图

图6(a)～(g)为2部干扰机的分布式干扰的高程图,2 部干扰机在方位向上的距离由50 m 至1 900 m,干扰机1、2的干扰信号和目标回波信号的功率比均为6 dB。

如图6所示,分布式干扰能够对InSAR 的成像效果产生影响,并且2部干扰机之间的距离对成像效果能够产生不同的影响。如图6(a)、(b)、(e)、(f)和图5所示,2部干扰机的干扰效果与单部干扰机的干扰效果类似。如图6(c)、(d)、(g)和图4所示,在此时2部干扰机的干扰信号不能完全遮盖目标回波信号,因此经过InSAR 成像系统后,恢复的高程图中仍能发现模拟成像场景。

图6 干扰机1、2分布干扰的恢复高程图

4 结束语

干涉合成孔径雷达具有全天候、全天时工作的优点,同时拥有部分穿透能力,在军事领域能够发挥重要作用。本文主要研究了InSAR 成像的原理以及分布式干扰对InSAR 干扰的原理以及成像的影响。仿真了分布式干扰对InSAR 成像的影响,通过仿真可以证明,两干扰机的干扰能够对InSAR 实施干扰,并且两干扰机之间的距离能够对InSAR 成像产生不同的影响。