一種輸電線路在星載合成孔徑雷達成像中的電磁仿真方法與流程

2023-05-11 05:50:22

本發明涉及星載合成孔徑雷達遙感圖像處理領域，具體涉及一種輸電線路在星載合成孔徑雷達成像中的電磁仿真方法。

背景技術：

為了掌握線路的運行狀況和沿線的環境情況，及時發現是否存在缺陷和安全隱患，需要對線路進行定期巡檢。尤其是在氣候變化(大霧、冰雪、強風、暴雨、雷暴等)、自然災害(地震、洪水、泥石流、森林火災等)、外力破壞、異常運行和其他特殊情況時，需要及時進行特殊巡檢，發現和解決線路的異常情況。

我國輸電線路常綿延數百甚至上千公裡，多數位於人口稀少地區，跨越高山峻岭，沿線地形複雜，進行檢測及巡檢難度大且成本高。人工巡檢、機器人巡檢、直升機巡檢和基於多種傳感器的在線檢測裝置等巡檢監測技術，在極端天氣條件和大範圍自然災害條件下，難以快速、大範圍、低成本和高安全係數進行巡檢。

衛星平臺的快速發展，使得基於光學遙感、多光譜遙感、合成孔徑雷達遙感等遙感技術在電力系統的應用變成可能。基於合成孔徑雷達的衛星遙感技術具有全天時、全天候、大範圍探測能力，可以在大範圍災害下對輸電線路進行廣域監測，解決各種複雜氣象條件和複雜地形條件的巡檢檢測難題。

合成孔徑雷達觀測技術，是主動微波遙感技術，可以不受時間限制，可以穿雲透霧，能夠在各種極端環境下獲得高質量圖像，但雷達圖像與光學圖像的差異，不同地物特徵的輻射特性各不相同，鐵塔及電線的輻射特性更是難以定量分析，造成了雷達圖像解譯的困難，如何基於星載合成孔徑雷達圖像提取有效信息，進行輸電線路巡檢和檢測，分析和發現輸電線路的異常區域，具有非常重要的意義。

目前，國內外在相關領域的研究工作主要集中在雷達圖像中鐵塔位置檢測和狀態識 別，通過不同時間雷達圖像中鐵塔相關信息的變化，分析鐵塔的工作狀態，這在一定程度上可以解決目前輸電線路巡檢和監測的需求，但是輸電線路地形複雜，存在遮擋和背景幹擾，有些區域無法全面有效的監測，而且對於輸電線路導線是否存在鬆弛、斷線等相關損壞情況，是不能夠識別的。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供的一種輸電線路在星載合成孔徑雷達成像中的電磁仿真方法，該方法基於輸電導線空間位置模型和雷達後向散射模型仿真導線的高解析度SAR圖像成像特性，解決了雷達影像中輸電線路導線成像狀態分析的問題，為分析輸電線路的工作運行狀態和損壞情況提供了理論模型和仿真算法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種輸電線路在星載合成孔徑雷達成像中的電磁仿真方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1.根據衛星軌道離散採樣狀態矢量數據，計算得到星載合成孔徑雷達的衛星軌道任意時刻的軌道狀態矢量；

步驟2.構建輸電線路中的導線的斜拋物線模型；

步驟3.根據所述導線的斜拋物線模型及衛星軌道的位置坐標，求得所述導線的入射角；

步驟4.根據所述導線的入射角，構建並計算雷達輻射區域導線計算模型，得到對應的導線目標中心點位置輻射能量值；

步驟5.根據計算結果，生成仿真區域背景，併疊加和仿真導線。

優選的，所述步驟1，包括：

1-1.從衛星平臺提供的衛星雷達數據頭文件中讀取衛星軌道離散採樣狀態矢量數據；所述衛星軌道離散採樣狀態矢量數據包括離散採樣衛星位置矢量RS(ti)、離散採樣 衛星速度矢量VS(ti)及採樣對應的時刻ti(i＝1,2,…,n)；

RS(ti)＝(XS(ti),YS(ti),ZS(ti))T；

VS(ti)＝(VSX(ti),VSY(ti),VSZ(ti))T；

式中，XS(ti),YS(ti),ZS(ti)為衛星在x軸、y軸和Z軸上的離散採樣位置矢量；

VSX(ti),VSY(ti),VSZ(ti)分別為衛星在x軸、y軸和Z軸上的離散採樣速度矢量；

1-2.構建離散採樣衛星位置矢量RS(ti)的三次多項式擬合軌道方程：

構建離散採樣衛星速度矢量VS(ti)的三次多項式擬合軌道方程：

式中，(a0,a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3,c0,c1,c2,c3)為三次多項式擬合軌道方程的擬合參數；

1-3.根據RS(ti)及VS(ti)，採用最小估計二乘法求解所述三次多項式擬合軌道方程，得到擬合參數(a0,a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3,c0,c1,c2,c3)的值；

1-4.根據擬合參數(a0,a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3,c0,c1,c2,c3)的值，求得衛星軌道任意時刻星載合成孔徑雷達的衛星軌道任意時刻t的軌道位置矢量RS(t)和速度矢量VS(t)，即求得任意時刻的軌道位置坐標(xs,ys,zs)和速度坐標(Vsx,Vsy,Vsz)；

其中，RS(t)的擬合軌道方程為：

VS(t)的擬合軌道方程為：

式中，XS(t),YS(t),ZS(t)分別為衛星在x軸、y軸和Z軸上的任意時刻t的位置矢量；VSX(t),VSY(t),VSZ(t)分別為衛星在x軸、y軸和Z軸上的任意時刻t的速度矢量。

優選的，所述步驟2，包括：

2-1.構建所述輸電線路中的導線進行斜拋物線模型：

當所述輸電線路不平行於X軸時：

當所述輸電線路平行於X軸時：

式中，m、n和R為所述導線所在重力平面方程係數，r1,r2,r3為導線在以z軸為中心的旋轉拋物面方程係數，其中g和ρ0為導線相關係數參數；x，y，z為導線鐵塔空間坐標。

2-2.若所述導線不平行於x坐標軸，則r1,r2,r3的值為：

r2＝mr1+n；

r3＝zt1-A[(xt1-r1)2+(yt1-r2)2]；

其中，n＝yt1-mxt1；xt1,yt1,zt1和xt2,yt2,zt2分別為所述導線兩端鐵塔的空間坐標；

2-3.若所述導線平行於x坐標軸，則r1,r2,r3的值為：

r1＝R；

r3＝zt1-A(yt1-r2)2。

優選的，所述中的求解方法包括：

根據已知所述導線的兩端鐵塔的位置坐標(xt1,yt1,zt1)和(xt2,yt2,zt2)，求出高差角的餘弦值：

優選的，所述步驟3，包括：

3-1.任意時刻的衛星軌道位置坐標(xs,ys,zs)和目標點位置坐標(xp,yp,zp)，基於距離公式計算SAR數據中對應的斜距r：

r2＝(xs-xp)2+(ys-yp)2+(zs-zp)2；

3-2.對於所述導線上的任一點，對所述導線的斜拋物線模型方程求偏導，獲得導線的方向向量

若所述導線平行於X軸，則所述方向向量為(0,1,2A(y-r2))；

若所述導線不平行於X軸，

則所述方向向量為(1,m,2A(x-r1)+2mA(mx+n-r2))；

3-3.利用入射向量和導線方向向量基於空間幾何夾角公式計算所述導線的入射角θ：

式中，雷達電磁波的入射向量

優選的，所述步驟4，包括：

4-1.根據所述導線的入射角θ，構建雷達輻射區域點目標散射模型：

e＝σ0(cosθ)2；

式中，e為雷達輻射區域點目標散射模型，σ0為後向散射係數，θ為雷達照射目標區域入射角；

4-2.確定仿真數據星載SAR相關參數；

4-3.構建雷達輻射區域導線計算模型；

對於給定時刻t衛星平臺位置(XS(t),YS(t),ZS(t))T及正側視中心導線位置坐標(xp,yp,zp)T，確定所述雷達輻射帶寬範圍內的導線坐標為：

[(xp-,yp-,zp-)T,(xp+,yp+,zp+)T]；

4-4.計算併疊加雷達輻射帶寬區域所有導線上的點目標的輻射能量值，生成對應的導線目標中心點位置輻射能量值。

優選的，所述相關參數包括衛星飛行高度約為、輻射波長、波束寬度方位向、距離向、在方位向輻射寬度及輻射解析度。

優選的，所述步驟5，包括：

5-1.採用光學灰度圖像作為導線區域背景，對圖像疊加高斯乘性噪聲模擬SAR圖像；

5-2.基於斜距確定導線目標在背景圖像中的坐標位置，合併背景區域和導線目標仿真能量值，生成仿真圖像。

從上述的技術方案可以看出，本發明提供了一種輸電線路在星載合成孔徑雷達成像中的電磁仿真方法，該方法通過對衛星軌道多項式擬合求解和輸電線路導線三維建模解算，高精度的解出任意時刻的衛星軌道位置和其輻射中心對應的導線位置；通過SAR幾何構像和散射模型建模，計算導線點目標對應的輻射能量值，最終通過能量輻射疊加確定最終的導線目標中心點位置輻射能量值。本發明的仿真方法，各個步驟採用的模型均為成熟且嚴謹的模型，有較好的魯棒性和正確性，其計算過程準確性及可靠性高，同時便於後期的改進和維護，方便應用在後續的具體應用中；且能夠識別輸電線路導線是否存在鬆弛、斷線等相關損壞情況，保證了輸電線路的可行性運行。

與最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下優異效果：

1、本發明所提供的技術方案中，通過對衛星軌道多項式擬合求解和輸電線路導線三維建模解算，高精度的解出任意時刻的衛星軌道位置和其輻射中心對應的導線位置；通過SAR幾何構像和散射模型建模，計算導線點目標對應的輻射能量值，最終通過能量輻射疊加確定最終的導線目標中心點位置輻射能量值。本發明的仿真方法，各個步驟採用的模型均為成熟且嚴謹的模型，有較好的魯棒性和正確性，其計算過程準確性及可靠性高，同時便於後期的改進和維護，方便應用在後續的具體應用中；且能夠識別輸電線路導線是否存在鬆弛、斷線等相關損壞情況，保證了輸電線路的可行性運行。

2、本發明所提供的技術方案，相較於大多數仿真和應用方法都是針對鐵塔等輸電線路目標進行相關分析的思路，本文方法與以往輸電線路仿真應用方法有本質不同，第一次對輸電線路導線進行分析、建模和仿真，提出了一整套的比較嚴密的理論模型和仿真方法，為基於導線對輸電線路進行分析和運行狀態景象評估提出了一種新的思路和模型

3、本發明所提供的技術方案，輸電線路導線區域的輻射模型也是嚴格基於雷達電磁輻射模型進行解算，因此，保證了計算過程的準確性和可靠性。

4、本發明所提供的技術方案，模塊化分解計算，所以便於後期的改進和維護，方便應用在後續的具體應用中。

5、本發明提供的技術方案，應用廣泛，具有顯著的社會效益和經濟效益。

附圖說明

圖1是本發明的一種輸電線路在星載合成孔徑雷達成像中的電磁仿真方法的流程圖；

圖2是本發明的電磁仿真方法中步驟1的流程圖；

圖3是本發明的電磁仿真方法中步驟2的流程圖；

圖4是本發明的電磁仿真方法中步驟3的流程圖；

圖5是本發明的電磁仿真方法中步驟4的流程圖；

圖6是本發明的電磁仿真方法中步驟5的流程圖；

圖7是本發明的仿真方法的應用例的整體流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1所示，本發明提供一種輸電線路在星載合成孔徑雷達成像中的電磁仿真方法，包括如下步驟：

步驟1.根據衛星軌道離散採樣狀態矢量數據，計算得到星載合成孔徑雷達的衛星軌道任意時刻的軌道狀態矢量；

步驟2.構建輸電線路中的導線的斜拋物線模型；

步驟3.根據導線的斜拋物線模型及衛星軌道的位置坐標，求得導線的入射角；

步驟4.根據導線的入射角，構建並計算雷達輻射區域導線計算模型，得到對應的導線目標中心點位置輻射能量值；

步驟5.根據步驟1至4的計算結果，生成仿真區域背景，併疊加和仿真導線。

如圖2所示，步驟1，包括：

1-1.從衛星平臺提供的衛星雷達數據頭文件中讀取衛星軌道離散採樣狀態矢量數據；衛星軌道離散採樣狀態矢量數據包括離散採樣衛星位置矢量RS(ti)、離散採樣衛星速度矢量VS(ti)及採樣對應的時刻ti(i＝1,2,…,n)；

RS(ti)＝(XS(ti),YS(ti),ZS(ti))T；

VS(ti)＝(VSX(ti),VSY(ti),VSZ(ti))T；

式中，XS(ti),YS(ti),ZS(ti)為衛星在x軸、y軸和Z軸上的離散採樣位置矢量；

VSX(ti),VSY(ti),VSZ(ti)分別為衛星在x軸、y軸和Z軸上的離散採樣速度矢量；

1-2.構建離散採樣衛星位置矢量RS(ti)的三次多項式擬合軌道方程：

構建離散採樣衛星速度矢量VS(ti)的三次多項式擬合軌道方程：

式中，(a0,a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3,c0,c1,c2,c3)為三次多項式擬合軌道方程的擬合參數；

1-3.根據RS(ti)及VS(ti)，採用最小估計二乘法求解三次多項式擬合軌道方程，得到擬合參數(a0,a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3,c0,c1,c2,c3)的值；

1-4.根據擬合參數(a0,a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3,c0,c1,c2,c3)的值，求得衛星軌道任意時刻星載合成孔徑雷達的衛星軌道任意時刻t的軌道位置矢量RS(t)和速度矢量VS(t)，即求得任意時刻的軌道位置坐標(xs,ys,zs)和速度坐標(Vsx,Vsy,Vsz)；

其中，RS(t)的擬合軌道方程為：

VS(t)的擬合軌道方程為：

式中，XS(t),YS(t),ZS(t)分別為衛星在x軸、y軸和Z軸上的任意時刻t的位置矢 量；VSX(t),VSY(t),VSZ(t)分別為衛星在x軸、y軸和Z軸上的任意時刻t的速度矢量。

如圖3所示，步驟2，包括：

2-1.構建輸電線路中的導線進行斜拋物線模型：

當輸電線路不平行於X軸時：

當輸電線路平行於X軸時：

式中，m、n和R為導線所在重力平面方程係數，r1,r2,r3為導線在以z軸為中心的旋轉拋物面方程係數，其中g和ρ0為導線相關係數參數；x，y，z為導線鐵塔空間坐標。

2-2.若導線不平行於x坐標軸，則r1,r2,r3的值為：

r2＝mr1+n；

r3＝zt1-A[(xt1-r1)2+(yt1-r2)2]；

其中，n＝yt1-mxt1；xt1,yt1,zt1和xt2,yt2,zt2分別為所述導線兩端鐵塔的空間坐標；

2-3.若導線平行於x坐標軸，則r1,r2,r3的值為：

r1＝R；

r3＝zt1-A(yt1-r2)2。

中的求解方法包括：

根據已知導線的兩端鐵塔的位置坐標(xt1,yt1,zt1)和(xt2,yt2,zt2)，求出高差角的餘弦值：

如圖4所示，步驟3，包括：

3-1.任意時刻的衛星軌道位置坐標(xs,ys,zs)和目標點位置坐標(xp,yp,zp)，基於距離公式計算SAR數據中對應的斜距r：

r2＝(xs-xp)2+(ys-yp)2+(zs-zp)2；

3-2.對於導線上的任一點，對導線的斜拋物線模型方程求偏導，獲得導線的方向向量

若導線平行於X軸，則方向向量為(0,1,2A(y-r2))；

若導線不平行於X軸，

則方向向量為(1,m,2A(x-r1)+2mA(mx+n-r2))；

3-3.利用入射向量和導線方向向量基於空間幾何夾角公式計算導線的入射角θ：

式中，雷達電磁波的入射向量

如圖5所示，步驟4，包括：

4-1.根據導線的入射角θ，構建雷達輻射區域點目標散射模型：

e＝σ0(cosθ)2；

式中，e為雷達輻射區域點目標散射模型，σ0為後向散射係數，θ為雷達照射目標區域入射角；

4-2.確定仿真數據星載SAR相關參數；

4-3.構建雷達輻射區域導線計算模型；

對於給定時刻t衛星平臺位置(XS(t),YS(t),ZS(t))T及正側視中心導線位置坐標(xp,yp,zp)T，確定雷達輻射帶寬範圍內的導線坐標為：

[(xp-,yp-,zp-)T,(xp+,yp+,zp+)T]；

4-4.計算併疊加雷達輻射帶寬區域所有導線上的點目標的輻射能量值，生成對應的導線目標中心點位置輻射能量值。

其中，相關參數包括衛星飛行高度約為、輻射波長、波束寬度方位向、距離向、在方位向輻射寬度及輻射解析度。

如圖6所示，步驟5，包括：

5-1.採用光學灰度圖像作為導線區域背景，對圖像疊加高斯乘性噪聲模擬SAR圖像；

5-2.基於斜距確定導線目標在背景圖像中的坐標位置，合併背景區域和導線目標仿 真能量值，生成仿真圖像。

如圖7所示，本發明提供一種輸電線路在星載合成孔徑雷達成像中的電磁仿真方法的應用例，具體為：

(一)衛星軌道狀態矢量多項式擬合計算

1)從衛星雷達數據頭文件中讀取衛星軌道狀態矢量；

為了擬合計算目標圖像成像時刻的衛星軌道，我們需要衛星平臺提供至少5個點的衛星狀態矢量，包括位置和速度矢量以及其對應的時刻，為此我們從衛星雷達數據頭文件中讀取衛星軌道離散採樣狀態矢量，分別用衛星位置矢量

RS(ti)＝(XS(ti),YS(ti),ZS(ti))T和速度矢量VS(ti)＝(VSX(ti),VSY(ti),VSZ(ti))T表示,

其中ti(i＝1,2,…,n)為離散採樣點對應的時間；

2)多項式擬合參數確定

構建三次多項式擬合軌道方程，其表達式為：

其中，(a0,a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3,c0,c1,c2,c3)為軌道多項式擬合參數，利用離散衛星軌道離散採樣狀態矢量RS(ti)和VS(ti)，採用最小二乘法估計解算這些待定參數；

3)衛星軌道任意時刻t軌道狀態矢量計算

通過步驟2)中計算的(a0,a1,a2,a3,b0,b1,b2,b3,c0,c1,c2,c3)，精確擬合t時刻的衛星狀態矢量RS(t)和VS(t)，其中

(二)導線三維建模及精確計算

1)基於斜拋物線模型的導線位置矢量精確計算

在保證計算精度的前提下，用斜拋物線模型簡化計算導線空間位置。其建模方程為，

(如果導線不平行x軸)

特殊情況下，

(如果導線平行x軸)

式中，m，n和R為導線所在重力平面方程係數，r1,r2,r3為導線在以z軸為中心的旋轉拋物面方程係數，其中g和ρ0為導線相關係數參數，不同輸電線路都有先驗值或者可以實時測量。那麼，已知導線兩端鐵塔的位置坐標(xt1,yt1,zt1)和(xt2,yt2,zt2)，則可以求出高差角的餘弦值。

當導線不平行於x坐標軸的時候；n＝yt1-mxt1，

r2＝mr1+n，r3＝zt1-A[(xt1-r1)2+(yt1-r2)2]

當導線平行於x坐標軸的時候；

(三)SAR幾何構像和散射模型建模計算

1)斜距計算

成孔徑雷達雷達成像方式與光學成像不一樣，SAR成像為等斜距成像，解析度反應在斜距上，只能區分不同距離目標的回波信號。

其簡化距離公式為：

r2＝(xs-xp)2+(ys-yp)2+(zs-zp)2

式中(xs,ys,zs)為衛星軌道位置坐標，(xp,yp,zp)為目標點位置坐標。

2)對於導線任一點，基於導線三維建模，對導線建模方程求偏導，獲得導線的方向向量：(0,1,2A(y-r2))(導線平行x軸)或者(1,m,2A(x-r1)+2mA(mx+n-r2))(導線不平行x軸)

3)計算導線入射角θ

關於入射角θ的計算，我們引入空間幾何計算方法，在三維空間中兩條直線的夾角可以用公式：

式中為雷達電磁波入射向量，為對應導線點的方向向量， 或者

(四)導線點目標雷達輻射建模計算

1)雷達輻射區域點目標散射模型為e＝σ0(cosθ)2，式中σ0為後向散射係數，θ為雷達照射目標區域入射角；

2)仿真數據星載SAR相關參數確定

以經典星載SAR條帶模式為例分析，參考德國TerraSAR-X衛星相關參數，飛行高度約為514km，輻射波長為3.2cm，波束寬度方位向0.33°和距離向2.3°，在方位向輻射寬度為2000-3000m，輻射解析度1-3m；所以本仿真算法選取與TerraSAR-X相同參數，方位向輻射寬度為2000m，輻射解析度1m；

3)雷達輻射區域導線計算模型

對於給定時刻t衛星平臺位置(XS(t),YS(t),ZS(t))T，及正側視中心導線位置坐標(xp,yp,zp)T，確定其輻射帶寬範圍內的導線坐標[(xp-,yp-,zp-)T,(xp+,yp+,zp+)T]，分別計算1m間隔採樣點集所有點的入射角和後向散射係數，基於入射角大於等於89°的採樣點進行輻射能量疊加，生成該時刻對應的導線目標位置輻射能量值；

(五)仿真區域背景生成

1)採用光學灰度圖像作為導線區域背景，對圖像疊加高斯乘性噪聲模擬SAR圖像；

2)基於斜距確定導線目標在背景圖像中的坐標位置，合併背景區域和導線目標仿真能量值，生成仿真圖像；

至此輸電線路導線區域電磁輻射能量值計算完畢，獲得了較為理想的導線區域仿真SAR圖像，完成了本發明技術的所有步驟。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，而這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均 在申請待批的本發明的權利要求保護範圍之內。