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快速后向投影算法应用于时域月基SAR的理论可行性分析 | MDPI Applied Sciences
2022-6-30 15:30
阅读:1731

作者简介

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郭华东 院士

现任可持续发展大数据国际研究中心主任,国际数字地球学会名誉主席、UNESCO 国际自然与文化遗产空间技术中心主任、“数字丝路”国际科学计划主席、《国际数字地球学报》和《地球大数据》主编,主要从事空间地球信息科学研究,在遥感信息机理、雷达对地观测、数字地球科学等方面取得丰硕成果。


文章导读


使用月基 SAR 大规模长期监测地球科学现象备受学界关注,但是月基 SAR 对地球的观测传输时间长,且月基SAR与其地球地面目标的相对运动和月基 SAR 与星载 SAR 的相对运动有很大不同,因此传统的模型是不再适合月基 SAR 的频域成像。为了更好地匹配真实场景,中科院空天信息创新研究院数字地球科学重点实验室的科学家们提出了一种单脉冲双路分离计算方法,然后将斜距拟合到高阶多项式级数,并且在没有深入研究频域相位去相关处理的情况下,为了缩减计算成本,率先提出了快速反向投影(FBP)算法用于时域月基 SAR。相关论文发表在 Applied Sciences 期刊。


研究过程


相较于绕地轨道卫星,月球作为地球唯一的自然天体卫星,能够以长期性、整体性、稳定性、大范围等优势进行包括可见光、热红外、微波等形式的对地观测任务。特别的,对于月基雷达对地观测方式,低热噪声、近乎真空、低地质活动、广泛分布 He 元素的部分月表区域几乎可以让雷达载荷不受尺寸、功率等硬件设施的限制,这将极大的增大月基雷达对地的探测性能;同时,近乎潮汐锁定的地月空间几何关系也让月基雷达能够完全凝视地球 (如图1所示)。长时间、大范围的月基雷达 (Moon-based SAR) 对地观测必然产生海量的数据,这对传统形式的时域处理方式是极为不利的,因此有必要变更时域算法,降低计算的时间复杂度。

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图1. 月基 SAR 对地观测概念图。


为较为逼真的呈现地月系统中的月基 SAR 平台和地表目标的实际运动,本文以实际星历为准,对指定月表位置的月基 SAR 平台和每个脉冲时刻的雷达波进行距离历程的迭代计算 (如图 2 中 box1 所示),以此得到回波信号;基于此回波信号,通过整体划分的方式,将合成孔径长度和成像区域划分到更小的部分,并将像点投影至最能代表子成像区域的线段上,实现了在不明显降低分辨率的情况下以较低计算量 (相较于传统back-projection algorithm,BP) 对目标进行快速后向投影 (Fast back-projection algorithm, FBP) 式的观测 (如图 2 中 box2 所示)。

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图2. 月基SAR时域快速后向投影对地观测计算流程图。


在以月球轨道近地点、远地点、升交点、降交点为四个特征时刻的计算中,近远地点相较于升降交点有更好的成像几何参数,并仍可以在不明显损失分辨率的情况下实现将传统BP方式的N3的运算量降低大约N倍。

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图3. FBP算法下月基SAR点目标成像,(a) 远地点,(b) 近地点,(c) 升交点,(d) 降交点。


研究总结


在可以遇见的未来,以月球为雷达载荷的平台,是人类向宇宙深层空间和地球空间进行观测的星辰大海,通过对实际场景回波的距离历程进行分析,结合孔径和区域的划分,有效降低了时域计算方式的复杂度,有效补充了月基SAR处理方式。未来工作包括:对时变和空变的地球大气层和电离层对月基雷达的影响进行分析,并在分析过程中融入实际的地表高程模型。


原文出自 Applied Sciences 期刊

Chen, G.; Guo, H.; Liang, D.; Han, C.; Ding, Y.; Jiang, H.; Zhang, K. Theoretical Feasibility Analysis of Fast Back-Projection Algorithm for Moon-Based SAR in Time Domain. Appl. Sci. 2022, 12, 3850.

微信链接:https://mp.weixin.qq.com/s/YlFkx77ZxVgkX4vJjk_yDA


Applied Sciences期刊介绍

主编:Takayoshi Kobayashi, The University of Electro-Communications, Japan

期刊主题涵盖应用物理学、应用化学、工程、环境和地球科学以及应用生物学的各个方面。截止目前被 SCIE、Scopus 等多种数据库收录,JCR 分区在多学科工程以及应用物理领域都在 Q2。

2020 Impact Factor 2.676

2021 CiteScore 3.7

Time to First Decision 16 Days

Time to Publication 37 Days

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