射频干扰对InSAR干涉处理的影响分析_丁斌.pdf
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1、第 33 卷 第 9 期2012 年 9 月宇航学报Journal of AstronauticsVol 33SeptemberNo 92012射频干扰对 InSAR 干涉处理的影响分析丁斌1,2,向茂生1,梁兴东1(1 中国科学院电子学研究所,北京 100190;2 中国科学院研究生院,北京 100049)摘要:窄带干扰是低频段 InSAR 系统面临的主要射频干扰之一,它的存在会对干涉相位产生严重影响,进而导致高程反演误差。本文推导了窄带干扰影响下的 InSAR 干涉相位的解析表达式,给出了干涉相位对窄带干扰各参数的敏感度方程,仿真分析了窄带干扰对 P 波段 InSAR 系统干涉处理的影响。
2、结果表明,窄带干扰经过成像后其幅度调制函数近似为方位时间的 sinc 函数,在 SAR 图像中表现为沿距离向的干扰条带。干涉相位对窄带干扰信号的功率较敏感,对其频率较不敏感,干涉相位和高程反演误差随着干信比的增加而增加。关键词:干涉合成孔径雷达;射频干扰;干涉相位;P 波段;窄带干扰;灵敏度方程中图分类号:TN957文献标识码:A文章编号:1000-1328(2012)09-1279-10DOI:10 3873/j issn 1000-1328 2012 09 013Analysis of the Effect of Radio Frequency Interference Signal on
3、Interferometric Processing of InSARDING Bin1,2,XIANG Mao-sheng1,LIANG Xing-dong1(1 Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:Narrow band interference(NBI)is one of the main radio freque
4、ncy interferences The presence of NBI hasserious influence on interferometric phase And it can lead to digital elevation model(DEM)reconstruction error Theinterferometric phase interfered by NBI is deduced,and the sensitivity of interferometric phase to the parameters of NBI isalso given in this pap
5、er By simulation,effects of NBI on P band InSAR interferometric phase and DEM reconstruction areanalyzed The conclusions are that the amplitude of NBI after imaged is approximately sinc function of azimuth time,andNBI brings bright strap in the range direction in SAR image In addition,interferometri
6、c phase is not sensitive to thefrequency of NBI but sensitive to the power of NBI And with the increase of the interference to signal ratio(ISR),bothinterferometric phase error and DEM error increaseKey words:InSAR;Radio frequency interference;Interferometric phase;P band;Narrow band interference;Se
7、nsitivity equation收稿日期:2012-01-11;修回日期:2012-05-02基金项目:国家“863 计划”(2007AA120303);国家“973”项目(2009CB724003)0引言合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息获取目标高程信息的一项技术。对于植被覆盖茂密的地区,短波不能穿透植被到达地表。从严格意义上说,使用 C 或 X波段机载双天线 InSAR 系统测得的是数字地表模型(Digital Surface Model,DSM),该模型附加了植被的高度信息。因此,若要测量这些地区的高精度数字地形模型(Digital Terra
8、in Model,DTM),就需要InSAR 工作在较长的波段范围内,如 P 波段,使得电磁波能够穿透植被到达地表1。然而 P 波段 InSAR 系统容易受到同一波段的电视网、通信网等其它民用无线电设备的电磁信号干扰。这些干扰相对于 SAR 信号是窄带信号2,称之为窄带干扰(Narrow Band Interference,NBI)。NBI的存在降低了 SAR 图像的信干比,影响了 SAR 图像的质量,在干扰功率较大的情况下,在图像中会出现沿距离向的亮线和图像模糊,增加了 SAR 目标识别和后处理的难度。当然 NBI 也会对 P 波段 InSAR系统的干涉处理产生影响3,如何影响?影响到什么程
9、度?目前公开文献对此问题的分析和研究较少。本文针对上述问题,分析了 NBI 对 InSAR 系统干涉处理的影响。首先建立了 SAR 接收 NBI 的基带回波模型,基于该模型推导了 NBI 经过成像后的数学解析表达式,并进一步推导了受到干扰的干涉相位及其对 NBI 功率和频率等参数的敏感度。其次,以 P 波段 InSAR 系统为例,通过仿真分析了 NBI功率和频率变化对干涉相位的影响。最后,通过仿真表明了理论分析的正确性,并分析了 NBI 参数变化对 InSAR 成像、干涉条纹和高程反演的影响。1NBI 基带回波信号建模窄带干扰可以视为一种基于时变单频信号叠加的模型 2,设 NBI 有 M个干扰
10、分量,则 NBI 可表示为I(t)=Mi=1Aiexp(j(2fit+i)(1)其中 Ai、fi和i分别为第 i 个干扰分量的幅度、频率和初相。以场景中心为坐标原点,设机载 SAR 沿航线 y 匀速飞行,速度为 V,斜视角为,场景中 NBI 信号源在波束中心照射时刻的斜距为 R0,以航线位置和斜距大小来表示该目标,则目标可记为 P(R0,yi)。需要说明的是,与目标回波不同,NBI 从信号源发射到 SAR 天线接收距离上是单程的,SAR 接收的NBI 信号可写为I(,)=Mi=1Aiexp j(2fi(R()c)+i()(2)其中 为距离快时间,为方位慢时间,干扰源到SAR 的距离为:R()=
11、R02+V2槡2(3)SAR 接收的 NBI 信号经过解调(下变频)至基带后,变为:I(,)=Mi=1Aiexp j2(fi f0)2fiR()c+()()i(4)为了便于说明窄带干扰信号和 SAR 目标回波信号的区别,设点目标也位于点 P(R0,yi),解调后单点目标的基带回波信号可表示为:s0(,)=0wr 2R()()cwa(c)exp j4f0R()()cexp jKr 2R()()c()2(5)其中 wr()为距离向窗函数,wa()为方位向窗函数,Kr为调频率,0为点目标的散射系数。由于NBI、目标回波信号和系统热噪声是加性关系,SAR接收的回波信号可表示为:e(,)=s0(,)+I
12、(,)+n(,)=0wr 2R()()cwa(c)exp j4f0R()()cexp jKr 2R()()c()2+Mi=1Aiexp j2(fi f0)2fiR()c+()()i+n(,)(6)其中 n(,)为系统噪声。2NBI 对 InSAR 系统干涉处理的影响分析InSAR 通过两幅天线同时观测(单轨模式),或两次近似平行地观测(重轨模式),获取同一目标的复图像对。由于目标与两天线的几何关系不同,在复图像上产生了相位差,形成干涉纹图。干涉纹图中包含了斜距上目标与两天线位置之差的精确信息。因此,利用雷达高度、雷达波长、波束视向及天线基线距之间的几何关系,可以精确地测量出图像上每一点的三维位
13、置和变化信息。综上可见,分析NBI 对 InSAR 系统干涉影响的关键在于分析 NBI 对成像的影响。下面对 NBI 经过成像后的数学解析表达进行推导,在推导过程中,设 NBI 由一个单频分量表示。为了满足 P 波段 SAR 大处理角的成像0821宇航学报第 33 卷处理要求,采用 k 算法进行成像4。首先对回波信号 e(,)作距离向傅里叶变换,此时应注意窄带干扰信号和点目标回波信号的傅里叶变换积分限有所不同,点目标回波在距离向快时间的积分限由距离向脉冲包络 wr()决定,而窄带干扰信号在方位向的积分限由天线指向和飞机的运动决定,这里假设积分限为 tmin到 tmax,即E(f,)=01Wr(
14、f)wa(c)exp j4(f0+f)R()()cexp jf2K()r+C2sinc(C3(fi f0 f)exp(jC4(fi f0 f)exp j2fiR()()c(7)其中 1为常数,C3=tmin+tmax,C4=tmax tmin,C2=AiC4exp(ji)。点目标回波信号距离频谱的包络为 Wr(f)=wrfK()r。使用驻定相位原理(Principle of Stationary Phase,POSP)对式(7)作方位向傅里叶变换E(f,f)=012Wr(f)Wa(f fc)expjf2K()rexp j4R0(f0+f)c1 c2f24V2(f0+f)槡()2+cR0Vf2i
15、C2ej44(V2f2i c2f2)()32sinc(C3(fi f0 f)exp j2R0cVf2iV2+c2f2V2f2i c2f2槡()()exp(jC4(fi f0 f)(8)随后在二维频域对式(8)进行参考函数相乘:ERFM(f,f)=012Wr(f)Wa(f fc)exp j4(R0 Rref)c(f0+f)2c2f24V槡()2+cR0Vf2iC84(V2f2i c2f2)()32sinc(C3(fi f0 f)exp j4Rrefc(f0+f)2c2f24V槡2+f2K()()rexp j2R0cVf2iV2+c2f2V2f2i c2f2槡()()exp(jC4(fi f0 f
16、)(9)其中 C8=C2ej/4,在距离频域,对式(9)进行 Stolt 插值操作:ERFM(f,f)=012Wr(f0+f)2+c2f24V槡2 f()0Wa(f fc)exp j4(R0 Rref)(f0+f)()c+cR0Vf2iC84(V2f2i c2f2)()32sincC3(fi(f0+f)2+c2f24V槡2()expjC4(fi(f0+f)2+c2f24V槡2()expjKr(f0+f)2+c2f24V槡2 f()0()2exp j2R0cVV2f2i+c2f2V2f2i c2f2槡()()expj4Rref(f0+f)()c(10)如式中第二项所示,窄带干扰信号经过 Stol
17、t 插值后,其相位是方位频率和新的距离频率的函数,而且与新的距离频率是非线性关系。再次使用 POSP 对式(10)作距离向傅里叶逆变换,这里要说明的是,直接使用 POSP 会导致出现 f的四次方程,虽然四次方程的闭合解是存在的56,但代数求解过程冗1821第 9 期丁斌等:射频干扰对 InSAR 干涉处理的影响分析长,为了避免繁琐的代数求解过程,将式(10)中的相位作近似,即将根式(f0+f)2+c2f24V槡2(11)展开成 f0+f的幂级数,并保留至(f0+f)2项。通过做上述近似后,可以很方便地使用 POSP 计算式(10)的距离向傅里叶逆变换:E(,f)=3Wa(f fc)pr 2R0
18、()cexp j4f0R0()c+C74(f2iV2 c2f2)()32 Krcf4(cf 2f0V VC4Kr()sincC3(fi Krf(c+2Rref)(cf 2f0V VC4Kr()2+c2f24V槡2()exp jC4cf2V+Vcf Krf(c+2Rref)(cf 2f0V VC4Kr()()()2exp jKr1 2f0Vcf()Krf(c+2Rref)(cf 2f0V VC4Kr()()2exp j C4fi+4Rreff0c2R0cV(f2iV2+c2f2)f2iV2 c2f2槡()()exp j4Rrefc Krf(c+2Rref)(cf 2f0V VC4Kr)f()()
19、0exp j2 Krf(c+2Rref)(cf 2f0V VC4Kr)f()()0exp jKrc2f24V2+f20cff0()()V(12)其中 C7=cVR0C8f2i,第一项为点目标回波信号的距离多普勒谱,pr()为窗函数 Wr(f)的傅里叶逆变换;第二项为窄带干扰信号的距离多普勒谱。同理再次使用 POSP 对式(12)作方位向傅里叶逆变换,并对式(12)中的相位作近似,将(f2iV2+c2f2)f2iV2 c2f2槡和 Krcf(cf 2f0V VC4Kr)展开成 f的幂级数,并保留至f2项。最终式(12)经过方位向傅里叶变换可得:g(,)=4pr 2R0()cpa()exp j4f
20、0R0()cexp(j2fc)+KrA4(A B()sinc(C3(fi)exp jfi(2c+(4KrV2 c)24KrV2(4c2fi+(c2fi 12cKrR0)2()exp j2fiR0()cexp(ji)(13)其中 4为一个常数,=(2f0V+VC4Kr),=K2rV2+2Rref()c2,=AicR0V(tmax tmin)(fi f0)24 f2iV2A(2f0V+VC4Kr)()B()232(14)=KrA+2Rref()cA B2+A(2f0V+VC4Kr)2()VB槡2(15)A=fi(c(2f0V+VC4Kr)4KrV2)(2f0V+VC4Kr)2cfiK2rV2+2R
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- 射频 干扰 InSAR 干涉 处理 影响 分析 丁斌
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