阅读说明：本技术 基于多普勒中心偏移的单通道sar二维流场反演方法及系统 (Single-channel SAR two-dimensional flow field inversion method and system based on Doppler center offset ) 是由 种劲松 李岩 王宇航 赵亚威 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法及系统,该方法包括：单通道SAR接收待测区域的原始数据成像生成单视复图像；将单视复图像分割成N个子孔径单视复图像；对每个子孔径单视复图像进行空间多视处理后得到子孔径复图像；将每个子孔径复图像分成n个子图像块；根据各个子图像块的多普勒中心偏移依次计算各个子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量,得到该待测区域具有该方位向和距离向速度分量的二维流场。本发明提供的该基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法及系统,充分考虑了海表不同运动分量对多普勒中心偏移的影响,解决了现有单通道SAR多普勒中心偏移方法只能反演海洋一维流场的关键问题。(the invention discloses a single-channel SAR two-dimensional flow field inversion method and a system based on Doppler center offset, wherein the method comprises the following steps: the method comprises the steps that a single-channel SAR receives original data of a region to be detected and images to generate a single-view complex image; dividing the single-view complex image into N sub-aperture single-view complex images; performing spatial multi-view processing on each sub-aperture single-view complex image to obtain a sub-aperture complex image; dividing each sub-aperture complex image into n sub-image blocks; and sequentially calculating the direction and distance direction velocity components of the two-dimensional flow field of each sub-image block area according to the Doppler center offset of each sub-image block to obtain the two-dimensional flow field of the area to be measured with the direction and distance direction velocity components. The Doppler center offset-based single-channel SAR two-dimensional flow field inversion method and system provided by the invention fully consider the influence of different motion components of a sea surface on Doppler center offset, and solve the key problem that the conventional single-channel SAR Doppler center offset method can only invert an ocean one-dimensional flow field.)

基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法及系统

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)信号处理领域及海洋遥感应用领域，更具体地涉及一种基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法及系统。

背景技术

海洋流场是海洋动力学参数之一，具有广泛的应用需求和重要的研究意义。目前，合成孔径雷达(SAR)能够全天时、全天候、大范围、高分辨率获取流场信息，是最有效的流场探测工具。SAR探测流场的方法主要有两种：基于单通道SAR数据的多普勒中心偏移(DCA)方法和基于双通道SAR数据的顺轨干涉(ATI)测流方法。

ATI方法利用干涉相位直接反演得到流场信息，测流分辨率较高，可以到达百米以内空间分辨率，但传统ATI方法只能获取沿信号波束距离向的流场速度分量，即只能探测一维流场，因此，同样基于获取干涉相位探测二维流场的双波束干涉(DBI)方法提出并得到验证。ATI和DBI方法因为需要双通道甚至多通道数据进行干涉处理，对系统设计要求高，目前国际上获取的星载和机载有效干涉SAR数据都比较少。

DCA方法是利用雷达回波信号多普勒信息进行海洋流场测量的，测流分辨率不如ATI方法，一般是公里量级空间分辨率，可以应用于对中尺度(10-100km)及大尺度(100km以上)流场的探测。DCA方法只需要利用单通道SAR数据进行处理，可以利用目前所有SAR雷达系统获取的大量有效数据进行全球流场测量，如ERS-1/2、Envisat、TerraSAR-X等星载数据，但目前DCA方法获取的也只有海表流场距离向速度分量，而真实的海洋流场还包括方位向速度分量，是二维流场，这也是制约其应用的最大问题。

目前尚未有基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法的研究。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对利用单通道SAR数据获取二维流场信息在实际应用中具有重要意义，但目前单通道SAR还只能探测一维流场的问题，本发明目的在于提出一种基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法及系统，以至少部分解决以上技术问题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法及系统，其中：

在一方面，该基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法包括步骤如下：

单通道SAR接收待测区域的原始数据成像生成单视复图像；

将该单视复图像分割成N个子孔径单视复图像；

对每个子孔径单视复图像进行空间多视处理后得到子孔径复图像；

将每个子孔径复图像分成n个子图像块；

计算每个子图像块的多普勒中心偏移；

根据各个子图像块的多普勒中心偏移依次计算各个子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量，最终得到该待测区域具有该方位向和距离向速度分量的二维流场。

进一步的，其中：

上述N个子孔径单视复图像为单视复图像平均分割得到，其中，N是不小于3的正整数。

上述各个子孔径复图像的空间分辨率大于该待测区域的涌浪波长。

上述n个子图像块的大小相同。

上述计算每个子图像块的多普勒中心偏移包括：

计算全孔径单视复图像的固有多普勒中心频率f_d，更进一步的，该步骤包括：

其中，v_p为单通道SAR运动速度，λ为雷达信号波长，为该全孔径单视复图像对应的波束方位角；

对各个全孔径单视复图像进行多普勒中心频率估计得到f_df；

各个全孔径单视复图像的多普勒中心频率估计值f_df减去其对应的固有多普勒中心频率f_d得到全孔径多普勒中心偏移f_Δ：

f_Δ＝f_df-f_d；

对各个子图像块进行多普勒中心频率估计得到f_i，该各个子图像块的多普勒中心频率估计值f_i减去该全孔径多普勒中心偏移f_Δ得到每个子图像块的多普勒中心偏移。

上述计算各个子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量包括：

对各个子图像块建立矢量方程，进一步的，该矢量方程为：

其中，表示由N个子孔径复图像同一位置子图像块区域的多普勒中心偏移组成的向量，α＝[U_x U_y f_b]^T是该位置子图像块区域对应的二维流场方位向速度分量、距离向速度分量以及Bragg相速度引起的多普勒频移组成的未知参数向量，系数矩阵A表示为：

其中，表示各个子孔径复图像对应的波束方位角，θ表示入射角，λ表示雷达信号波长；

更进一步的：

其中，(f_i-f_Δ)为各个子图像块的多普勒中心偏移，v_p为单通道SAR运动速度，λ为雷达信号波长。

利用最小二乘法计算得到各个子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量，进一步的，该最小二乘法计算的公式为：

得到各个子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量为U_x，U_y。

另一方面，该基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演系统，包括一单通道SAR，该单通道SAR内置有上述基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法。

(三)有益效果

本发明提出的一种基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法，具有以下有益效果：

1、本发明基于单通道SAR数据进行信号处理获取二维流场，可以简化SAR系统设计要求，提高已有SAR数据利用率；

2、本发明获取的是海表二维流场信息，较传统DCA方法获取的一维流场信息具有真实性和更广泛的应用性。

附图说明

图1是单通道天线波束子孔径分割示意图；

图2是本发明一实施例提出的基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法的方法流程示意图；

图3是本发明一实施例提出的基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法的详细流程示意图；

图4是本发明一实施例提出的选取的TerraSAR-X卫星数据通过成像后的单视复图像；

图5-图8是本发明一实施例提出的四个子孔径分块多普勒频移估计结果；

图9是本发明一实施例提出的二维流场反演结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

传统DCA方法利用照射海面的全孔径数据进行处理，只能得到沿波束中心视线方向的多普勒信息，进而只能得到一个方向的运动速度分量，即只能探测一维流场。而通过对数据进行子孔径分割可以得到照射波束内多个不同方向的多普勒信息，通过对它们的联合分析可以用于估计海表二维流场的距离向和方位向速度分量。因此，本发明公开发布了一种基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法及系统，以达到所述目的。

在一方面，本发明提供了一种基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法，其包括步骤如下：

根据单通道SAR接收待测区域的原始数据成像生成并保存单视复图像；

将该单视复图像变换到距离多普勒域并进行方位向频谱分割生成N个子孔径单视复图像；

对每个子孔径单视复图像进行空间多视处理后得到子孔径复图像；

将每个子孔径复图像分成n个子图像块；

计算每个子图像块的多普勒中心偏移，对每个子图像块进行多普勒中心频率估计并减去固有多普勒中心频率得到多普勒中心偏移；

根据N个子孔径复图像对应的各个子图像块的多普勒中心偏移建立矢量方程，运用最小二乘法依次计算出每个子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量，最终得到该待测区域具有该方位向和距离向速度分量的二维流场。

首先，获取单视复图像：

一些实施例中，对上述单通道SAR接收到的待测区域的原始数据通过RD、CS等SAR成像算法处理得到单视复图像。

接下来进行数据的子孔径分割处理：

一些实施例中，上述N个子孔径单视复图像为对单视复图像平均分割得到，其中，N是不小于3的正整数。

如图1对子孔径分割的过程进行了示意，其中D₀为全孔径波束中心线，D₁到D_N表示不同方向的子孔径波束中心线，分割过程是在距离多普勒域进行带通滤波，每个子孔径分割频带宽度相同，且多普勒中心频率为f_i，对应子孔径波束方位角为：

其中，v_p为平台运动速度，λ为雷达信号波长；

在运动海面回波数据中，由(1)估计得到的方位角并不准确，需要首先估计全孔径单视复图像对应的多普勒中心频率f_df，然后与由平台运动和姿态数据得到该全孔径单视复图像对应的固有多普勒中心频率f_d作差，得到：

f_Δ＝f_df-f_d (2)

其中，估计全孔径单视复图像对应的多普勒中心频率f_df有多种实现方法，具体的，包括：利用回波信号方位向频谱估计、利用回波信号方位向能量估计、利用复图像的方位向能量估计以及利用复数子图像的方位向能量加权估计等实现；计算该全孔径单视复图像对应的固有多普勒中心频率f_d如公式(3)：

其中，为由于平台偏航、俯仰等姿态变化导致的全孔径单视复图像对应的方位向波束中心线与方位向的夹角(即波束方位角)；

每个由实际数据估计出来的子孔径数据多普勒中心频率都需要减去全孔径多普勒中心偏移后再计算波束方位角，则(1)式变为：

一些实施例中，上述各个子孔径复图像的空间分辨率大于该待测区域的涌浪波长。其中，对每个子孔径单视复图像数据进行空间多视，即是为了消除海面涌浪运动导致多普勒偏移对测流结果的影响，因为涌浪空间运动具有周期性，所以空间多视数需结合实际海面涌浪波长进行确定，使得测流分辨单元不小于一个波长大小。

为了进行准确的多普勒中心估计，需要在实际数据的方位向和距离向都取足够的采样点，所以进一步的对每个子孔径复图像分成了n个子图像块，需要事先说明的是，该每个子孔径复图像对应的固有多普勒中心频率的值在各个子图像块区域保持一致。

一些实施例中，该n个子图像块的大小相同，进而准确估计出每个子图像块的多普勒中心频率，然后减去各个子图像块区域对应的固有多普勒中心频率后得到每个子图像块的多普勒中心偏移。

其中，具体的多普勒中心频率的估计方式在前述陈述中已有描述，且在本发明实施过程中不做为重点介绍，故在此不做赘述；同时，结合上述实施方式中公式(2)和(3)，进一步通过各个子图像块的多普勒中心频率估计值f_i减去全孔径多普勒中心偏移f_Δ得到每个子图像块的多普勒中心偏移，即f_i-f_Δ。

进一步的，由于有N个子孔径复图像数据，同一空间位置子图像块区域的多普勒中心实际对应N个斜视角下同一海表流场矢量的运动信息，所以N个子孔径复图像同一位置子图像块区域的多普勒中心偏移构成向量其中i＝1，2…n。

基于此，一些实施例中，计算各个子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量具体如下：

对各个子图像块建立矢量方程，把n个子图像块代表的海表流场方位向和距离向速度分量依次求解出来，以某一子图像块对应数据建立的所述矢量方程表示为：

其中，α＝[U_x U_y f_b]^T是某一子图像块区域空间位置处的海表二维流场方位向速度分量、距离向速度分量以及Bragg相速度引起的多普勒频移组成的未知参数向量，系数矩阵A表示为：

其中，表示各个子孔径复图像对应的方位向波束中心线与方位向的夹角，θ表示入射角，λ表示雷达信号波长。

进一步的，利用上述最小二乘法计算得到未知向量(即某一子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量)的公式为：

所得某一子图像块区域二维流场的方位向及距离向速度分量U_x，U_y表示为：

对n个空间位置都进行同样处理操作后即可得到整个SAR图像区域的二维流场信息。

本发明另一方面提供了一种基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演系统，包括一单通道SAR，该单通道SAR内置有上述基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法。

以下通过具体实施例对本发明提出的基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演方法及系统进行进一步详细描述：

如图2所示，本实施例采用所述基于多普勒中心偏移的单通道SAR二维流场反演系统，实现二维流场反演过程包括步骤如下：

步骤1、根据单通道SAR接收待测区域的原始数据成像生成并保存单视复图像；

步骤2、将该单视复图像变换到距离多普勒域并进行方位向频谱分割生成N个子孔径单视复图像，其中N为大于等于3的正整数；

步骤3、对每个子孔径单视复图像进行空间多视处理后得到子孔径复图像；

步骤4、将每个子孔径复图像分成n个相同大小的子图像块，对每个子图像块进行多普勒中心频率估计并减去固有多普勒中心频率得到多普勒中心偏移；

步骤5、根据N个子孔径复图像对应子图像块的多普勒中心偏移建立矢量方程，运用最小二乘法依次估计出每个子图像块区域二维流场的方位向和距离向速度分量，最终得到该待测区域具有该方位向和距离向速度分量的二维流场。

该方法的详细流程图如图3所示：

首先，获取SAR原始数据并成像生成单视复图像，本实施例选取TerraSAR-X卫星的数据进行海洋二维流场反演。如图4所示为一个条带SAR数据，位于越南湄公河入海口附近，根据框中的强度图像亮暗特征可以明显看到，此时海表水体流速较大，且从左向右驶向大海。

然后对框中的单视复数据进行方位向傅里叶变换后得到距离多普勒域数据，对它进行方位向等带宽滤波分割成N个孔径数据，再进行方位向傅里叶反变换得到N个子孔径的时域单视复数据。本实施例获取了四个子孔径单视复图像数据，即N等于4，并根据公式(4)得到每个子孔径实际斜视角。

对获得的四个时域子孔径单视复图像都进行空间方位向和距离向的多视平均处理，去除涌浪对多普勒频移的影响。

接着对每个多视后的子孔径复图像数据进行分块，并估计多普勒中心频率。因为卫星天线正侧视，固有多普勒中心频率为零，则估计出的多普勒中心频率即表示海面运动导致的多普勒中心偏移，四个子孔径复图像数据的多普勒中心偏移结果分别如图5-图8所示。

对四个孔径的每一子图像块数据都根据公式(5)(6)(7)(8)进行计算得到对应位置二维流场，并叠加在SAR幅度图像上进行显示，如图6所示，与强度亮暗特征较为一致，说明该方法具有有效性。

至此，完成基于多普勒中心偏移的单通道SAR实现海洋二维流场反演。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。