蔣智辰,楊祎綪,黃樂(lè)天

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引言

干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)是一種具有三維成像效果的雷達(dá)系統(tǒng),其在SAR 成像的基礎(chǔ)上有效結(jié)合了干涉技術(shù)的特點(diǎn),并且能夠全天候、大范圍、高精度地測(cè)量三維地形圖和地形形變,被廣泛地應(yīng)用于地形測(cè)繪、人工建筑三維重建以及火山活動(dòng)、冰川移動(dòng)、地表沉降等有關(guān)地質(zhì)學(xué)的研究。同時(shí),其在軍事方面的應(yīng)用也非常廣,已發(fā)展成為各國(guó)重要的戰(zhàn)場(chǎng)偵察系統(tǒng),先后投入使用了不少具有重要意義的機(jī)載/星載InSAR 系統(tǒng)。目前,已對(duì)地面重要軍事目標(biāo)構(gòu)成威脅。所以,對(duì)InSAR 新的干擾技術(shù)研究已經(jīng)非常迫切。

1 InSAR 成像技術(shù)

InSAR 主要通過(guò)以下2 種方式得到同一地形地面的復(fù)數(shù)圖像對(duì):(1)通過(guò)2個(gè)天線同時(shí)觀測(cè)(雙天線單航跡,主要用于機(jī)載干涉合成孔徑雷達(dá));(2)通過(guò)2次平行的異步觀測(cè)(單天線雙航跡,主要用于星載干涉合成孔徑雷達(dá))。根據(jù)成像區(qū)域的目標(biāo)點(diǎn)與天線間的幾何關(guān)系,利用余弦定理推出復(fù)圖像共軛相乘得出的相位差,得到相位差的干涉條紋圖。對(duì)干涉相位圖進(jìn)行相位濾波和相位解纏處理后,形成二維絕對(duì)相位圖,該圖包含了能夠真正反映地面目標(biāo)至兩天線之間斜距差的精確信息。最后根據(jù)雷達(dá)的各項(xiàng)已知參數(shù),包括高度、波長(zhǎng)等,能夠精確地測(cè)量出成像區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的位置,得到高分辨率、高精度的區(qū)域三維圖像,最終得到區(qū)域的高程圖。其基本工作流程如圖1所示。

圖1 InSAR 成像原理框圖

干涉合成孔徑雷達(dá)的測(cè)高原理如圖2所示。

圖2中,雷達(dá)系統(tǒng)的天線分別為和,它們分別到目標(biāo)點(diǎn)的斜距為和。是兩天線間的基線的夾角,是平臺(tái)的高度,且上述平臺(tái)參數(shù)、和均能通過(guò)平臺(tái)遙測(cè)設(shè)備獲得,因此它們?yōu)橐阎?。是天線的下視角,地面目標(biāo)點(diǎn)在距離向上的值為,()是隨距離向而變化的地面高度函數(shù),再將其推廣到方位向上,即函數(shù)(,)就為干擾合成孔徑雷達(dá)成像的高程函數(shù)。

圖2 InSAR 成像的幾何關(guān)系圖

由圖2所示的幾何關(guān)系以及三角形的余弦定理可得天線的下視角:

如果天線到目標(biāo)點(diǎn)的斜距可知,則通過(guò)測(cè)量天線接收到的目標(biāo)點(diǎn)回波的相位差φ,可以計(jì)得出:

式中:為雷達(dá)信號(hào)的波長(zhǎng)。

由式(4)可知,地面上目標(biāo)區(qū)域各點(diǎn)的高度h均能夠利用該點(diǎn)在2次SAR 成像中存在的相位差而推導(dǎo)得出。即各個(gè)點(diǎn)目標(biāo)在SAR 成像中的相位都包含了其高程信息。因?yàn)槟Ｐ椭刑炀€的傾斜關(guān)系,這為解釋重復(fù)軌道干涉雷達(dá)原理提供了依據(jù)。

2 分布式干擾

圖3 兩干擾機(jī)示意圖

對(duì)比式(16)中兩天線的復(fù)圖像可以得出:(1)目標(biāo)回波信號(hào)分布在雷達(dá)復(fù)圖像中的任意位置,其相位差是隨目標(biāo)位置變化的;(2)干擾信號(hào)如目標(biāo)回波信號(hào)一樣分布在復(fù)圖像中的任意位置,其相位差卻是方位向的緩變函數(shù);(3)當(dāng)干擾信號(hào)的幅度較大時(shí),InSAR 系統(tǒng)成像后得出的高程圖就會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)斜坡;(4)兩干擾機(jī)在方位向上的位置會(huì)造成干擾信號(hào)間的相位差變化,對(duì)最終的高程圖存在影響。

3 仿真分析

仿真參數(shù)設(shè)置:信號(hào)載頻5 GHz,脈沖重復(fù)周期2 ms,脈沖寬度10μs,信號(hào)帶寬50 MHz,系統(tǒng)采樣頻率100 MHz,天線的下視角=50°;天線的高度=20 000 m,方位向速度為1 000 m/s,其余均為0。干擾信號(hào)采用射頻噪聲,調(diào)制噪聲帶寬60 MHz。

圖4是仿真所用的模擬場(chǎng)景模型經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)形成的高程圖。

圖4 仿真場(chǎng)景InSAR 恢復(fù)后的高程圖

圖5是單部干擾機(jī)的干擾信號(hào)及仿真場(chǎng)景經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)形成的高程圖,其中干擾信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)的功率比為12 dB。

由圖5可知,單部干擾機(jī)工作時(shí),經(jīng)過(guò)InSAR成像系統(tǒng)恢復(fù)后的高程圖為一個(gè)均勻分布的斜坡。

圖5 干信比為12 dB的單部干擾機(jī)恢復(fù)高程圖

圖6(a)～(g)為2部干擾機(jī)的分布式干擾的高程圖,2 部干擾機(jī)在方位向上的距離由50 m 至1 900 m,干擾機(jī)1、2的干擾信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)的功率比均為6 dB。

如圖6所示,分布式干擾能夠?qū)nSAR 的成像效果產(chǎn)生影響,并且2部干擾機(jī)之間的距離對(duì)成像效果能夠產(chǎn)生不同的影響。如圖6(a)、(b)、(e)、(f)和圖5所示,2部干擾機(jī)的干擾效果與單部干擾機(jī)的干擾效果類似。如圖6(c)、(d)、(g)和圖4所示,在此時(shí)2部干擾機(jī)的干擾信號(hào)不能完全遮蓋目標(biāo)回波信號(hào),因此經(jīng)過(guò)InSAR 成像系統(tǒng)后,恢復(fù)的高程圖中仍能發(fā)現(xiàn)模擬成像場(chǎng)景。

圖6 干擾機(jī)1、2分布干擾的恢復(fù)高程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

干涉合成孔徑雷達(dá)具有全天候、全天時(shí)工作的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)擁有部分穿透能力,在軍事領(lǐng)域能夠發(fā)揮重要作用。本文主要研究了InSAR 成像的原理以及分布式干擾對(duì)InSAR 干擾的原理以及成像的影響。仿真了分布式干擾對(duì)InSAR 成像的影響,通過(guò)仿真可以證明,兩干擾機(jī)的干擾能夠?qū)nSAR 實(shí)施干擾,并且兩干擾機(jī)之間的距離能夠?qū)nSAR 成像產(chǎn)生不同的影響。