基于三重步进的gb-sar形变监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及合成孔径雷达SAR成像技术。
【背景技术】
[0002] 步进频连续波（Stepped Frequency Continuous Wave，SFCW) GB-SAR(Ground-Based SAR)是一种放置在轨道上的地基合成孔径成像雷达，通过持续发射 与接收步进频连续波信号获得大的带宽和高距离向分辨率，通过雷达在导轨上的步进运动 合成大的孔径和高方位向分辨率，通过两次运动的成像作干涉处理获得目标的形变或微位 移测量值，由于雷达和导轨安装在固定位置，可进行连续高精度测量，实现对特定区域或目 标的监测，预警可能发生的自然灾害或基础设施的险情。该雷达系统具有测量精度高、监测 区域广、可接触或无接触测量、全天候工作、使用方便的优点，应用领域十分广泛。典型的应 用有：滑坡监测，如山体滑坡，滑坡滚石，矿山稳定性等；地形和地表沉降监测；大坝、桥梁 监测、大型建筑物、高塔、历史古迹的形变和沉降监测；火山、地震、冰川和雪崩监测；线性 物监测，如桥梁斜拉索、"西气东输"管道、高铁等重要的大型线状物。
[0003] GB-SAR采集的数据进行成像处理来获得SAR图像，其成像算法主要有：后向投影 算法（back-projection algorithm，BPA)和以距离多普勒算法与宽带合成信号算法相结合 的算法。通常的形变估计方法是：对两次成像的图像做干涉处理得到干涉图，经相位解缠 后对相邻时间的干涉图进行相位估计，再由估计的相位计算出监测目标或区域的形变值， 但该方法中相位解缠误差会在相位估计的过程中传播，并且不能控制；估计的相位由三部 分构成：形变对应的相位、大气相位和噪声。大气相位部分主要是由于大气的基本性质在 不同图像获取期间的变化干扰GB-SAR信号，这一部分通常称为：大气相位屏（Atmospheric Phase Screen，APS)，主要影响传感器到目标的距离。通常采用的是距离的二次函数模型， 仅用两个地面控制点（Ground Control Points，GCPs)来估计，但实际上大气相位不仅是距 离的函数，也是方位的函数。
[0004] GB-SAR形变监测雷达的难点在于：（1)受外场作业、安装和成本等因素的影响，放 置雷达的轨道不能太长，但轨道太短则合成孔进长度小，方位分辨率低，方位向的单元尺寸 较大，导致形变图粗略，不能反映具体的形变位置。降低雷达波长也能提高方位向分辨率， 但波长太短则对气象条件敏感，降低测量距离且大气相位误差增大。（2)提高距离向分辨率 需采用大的信号带宽，常规的脉冲SAR代价较大，其成像算法也不能用于步进频连续波雷 达。（3)监测范围是以雷达为中心的扇形区域，通常天线方位向波束宽度仅几度，导致监测 区域太小，只能做条带区域监测。降低天线尺寸可增加波束宽度，例如，波束宽度为1弧度 或57. 3°时，天线尺寸仅与波长相当，天线尺寸太小将导致天线增益降低，性能变差。（4) 监测单元的形变值由干涉相位计算出，相位误差将直接影响测量精度，因此，克服相位解缠 误差的传播，抑制大气相位噪声十分重要。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种测量精度更高的形变监测系统。
[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于三重步进的GB-SAR形变 监测方法，包括以下步骤：
[0007] 数据采集步骤：雷达安装在线性导轨上以停-走-停方式步进运动，雷达天线沿方 位向步进转动，雷达在进行每一次步进后停下来发射与接收一帧步进频率连续波信号；雷 达工作在Ku波段；雷达天线沿方位向完成探测区域中全部位置的步进后，拼接雷达天线各 方位向步进转动后获取的步进频率连续波信号完成一次成像数据采集；
[0008] 成像处理步骤：对每次采集的成像数据在方位向上快速傅里叶变换后进行距离徒 动校正、方位匹配与距离向聚焦，最后在方位向上进行快速傅里叶逆变换得到二维成像图 像；
[0009] 形变估计步骤：对二维成像图像顺序进行配准，再顺序冗余选择配准后的图像两 两组成图像对；一组图像对包括一幅主图像与一幅副图像，一组图像对应生成一幅干涉图； 对选择的干涉图的低噪声相位进行解缠，再对解缠后的干涉图进行相位估计，通过对所有 解缠后干涉图的相位估计得到配准后的相对于第1幅图像的每幅二维成像图像的相位估 计值；根据原始相位估计值是监测对象形变相位值与大气相位屏之和，在相位估计值上移 除估计的大气相位屏得到监测对象形变相位值。
[0010] 本发明雷达系统设计将一种基于三重步进的GB-SAR用于形变测量：第一重步进 指采用步进频连续波信号，合成大的信号带宽，收发天线分离提高隔离度；第二重步进指将 雷达安装在线性导轨上，以"停-走-停"方式步进运动，合成较大孔径提高方位分辨率，雷 达在停止期发射和接收信号，避免运动期间收发信号带来的相位误差；第三重步进指雷达 天线沿方位向依次步进转动，覆盖较宽的监测区域，不同天线位置的数据拼接后用做成像 处理。对采集的数据的成像处理是基于GB-SAR系统的回波信号特点进行的，不需要补偿脉 冲间的瞬时斜距差，计算量相对较低，可以满足GB-SAR系统实时性要求。
[0011] 进一步的，本发明提出一种形变值估计过程中相位解缠后的相位估计采用基于奇 异值分解的最小二乘法的相位估计算法，与现有直接相位估计相比，可以检测和校正相位 解缠误差，避免误差的传播。
[0012] 本发明的有益效果是，三重步进实现形变监测能提高距离分辨率与方位分辨率， 增加监测的范围。
【附图说明】
[0013] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0014] 图1是本发明的GB-SAR监测示意图。
[0015] 图2是本发明的天线转动步进示意图。
[0016] 图3是GB-SAR发射SFCW信号示意图。
[0017] 图4是本发明的GB-SAR的成像处理流程图。
[0018] 图5是本发明的形变监测流程图。
[0019] 图6 (a)是从幅图像中顺序选择两幅图像进行配准的简单网络；(b)从幅配准后图 像选择两幅图像的冗余网络。
[0020] 图7是基于奇异值分解的最小二乘法的相位估计算法。
【具体实施方式】
[0021] 雷达工作方式和设计约束：
[0022] 雷达为步进频连续波体制，采用独立的发射天线和接收天线，天线沿方位向可步 进转动，整个雷达安装在长度为L的线性导轨上，如图1所示。监测区域为以雷达为中心点， 半径为Rniax(雷达最大作用距离）的扇形区域，雷达沿距离向和方位向将监测区域划分为若 干个分辨单元。雷达在导轨上按"停-走-停"模式步进运动，每次移动距离A L，然后停下 来发送和接收一帧SFCW信号，步进频率数目为N，如图3所示。每帧信号的第一个脉冲的 载频为f。，频率步进值为Af，子单脉冲的载频为fn= fjOi-l) Af。雷达在导轨上走完单 程后返回起点，将收发天线转动角度A φ，重复上述步进运动和信号收发过程，当天线方位 向各位置步进结束后，将各方位向步进转动后获取的数据拼接在一起，完成一次成像数据 的采集。共采集P幅图像的数据，分别做合成孔径成像处理，获得P幅SAR图像。对P幅图 像做配准后，生成干涉图和相干图，在相位解缠绕后做相位估计，然后去除大气相位噪声， 由此计算各监测单元的形变值，所有监测单元的形变值构成监测区域的沿雷达视距的形变 图。
[0023] 雷达系统的设计约束如下。
[0024] 工作频段：Ku波段；
[0025] 带宽：
其中Ar为距离分辨率，c为光速；
[0026] 步进频率间隔：
其中Run为最大不模糊距离；
[0027] 步进频率数目：
[0028] 轨道长度：
*其中Δ Θ为方位向分辨率，f。为载波中心频率；
[0029] 雷达在轨道上的步进运动间隔：
其中θ B为天线波束宽度， 其中D为天线实孔径；
[0030] 雷达在轨道上的步进运动数目：
[0031] 雷达步