分布式衛(wèi)星干涉合成孔徑雷達(dá)信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、獲取地球表面的高精度數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),在軍事應(yīng)用以及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面都具有重要的意義。干涉合成孔徑雷達(dá)(Interfero—metric Synthetic Aperture Radar,InSAR)在生成數(shù)字高程模型方面具有巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景,以分布式衛(wèi)星為平臺,能夠快速高效、大范圍地獲取地球表面的DEM,完成全球測繪,具有其它測量手段無法比擬的優(yōu)勢。
　　 本論文

2、以分布式衛(wèi)星InSAR獲取地球表面數(shù)字高程模型為主線,重點(diǎn)研究了分布式衛(wèi)星InSAR信號處理的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。全文總體上分為兩個(gè)部分:第一部分主要研究了單基線分布式衛(wèi)星InSAR技術(shù),對于普通地形,利用傳統(tǒng)的單基線InSAR能夠有效地獲取這些區(qū)域的DEM。然而,對于復(fù)雜地形(例如坡度較大的局部區(qū)域、山谷和懸崖等),由于存在嚴(yán)重的相位欠采樣和高程層疊效應(yīng),使這些區(qū)域成為單基線InSAR測繪的“盲區(qū)”,而多基線InSAR技術(shù)是解決此問題的一項(xiàng)

3、關(guān)鍵技術(shù),因此論文第二部分主要針對多基線分布式衛(wèi)星InSAR技術(shù)展開了研究。
　　 本文的主要工作概括如下:
　　 1.提出了一種基于相同方位角的方位向預(yù)濾波方法。InSAR處理要求用于干涉的SAR圖像之間具有很高的相干性,相干性直接決定DEM的高程測量精度。針對空間基線(包括垂直航向基線和沿航向基線)引入的去相干因素,通過對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向和方位向預(yù)濾波處理,能夠有效提高SAR圖像之間的相干性。我們在對InSAR成像

4、的幾何關(guān)系和信號模型詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,揭示了雷達(dá)回波之間具有相干性的本質(zhì),針對方位向預(yù)濾波處理,提出在方位向只有具有相同方位角的空間采樣位置接收到的雷達(dá)回波才具有相干性,能夠用于后續(xù)的相干干涉處理,并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于相同方位角的方位向預(yù)濾波方法,通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了此方法的有效性。
　　 2.提出了基于粗DEM的SAR圖像配準(zhǔn)—干涉相位濾波算法。SAR圖像配準(zhǔn)和干涉相位濾波是InSAR處理中的兩大步驟。一方面,InSAR

5、處理要求SAR圖像之間的配準(zhǔn)精度很高,但實(shí)際處理中由于逐點(diǎn)精配準(zhǔn)要求的計(jì)算量巨大,傳統(tǒng)的圖像配準(zhǔn)算法都是生成少量的控制點(diǎn),利用一定準(zhǔn)則求取控制點(diǎn)的二維偏移量,再通過一定的模型擬合獲得整幅二維圖像中每個(gè)像素的偏移量。但是對于高程起伏劇烈的地形,或者大幅圖像進(jìn)行配準(zhǔn)時(shí),通過簡單的多項(xiàng)式擬合求取偏移量會引入較大的誤差。另一方面,干涉相位濾波算法總是假定濾波窗口內(nèi)的樣本點(diǎn)滿足獨(dú)立同分布的假設(shè),然而實(shí)際中受地形起伏的影響,濾波窗口內(nèi)的樣本點(diǎn)不可能

6、嚴(yán)格滿足獨(dú)立同分布的假設(shè),導(dǎo)致濾波結(jié)果偏離真實(shí)值。針對上述問題,我們的思路是充分利用已有的粗DEM來提高SAR圖像配準(zhǔn)和干涉相位濾波的性能,并大大減少運(yùn)算量。在SAR圖像配準(zhǔn)中,首先利用粗DEM完成對SAR圖像中的每一像素的定位,然后在SAR圖像中逐點(diǎn)求取每個(gè)像素的二維配準(zhǔn)偏移量,從而完成整幅SAR圖像的配準(zhǔn)。在干涉相位濾波中,為了使濾波窗口內(nèi)的樣本數(shù)盡量滿足獨(dú)立同分布,我們利用已知的粗DEM對干涉相位圖中的地形信息進(jìn)行統(tǒng)一補(bǔ)償,以獲取

7、更多的獨(dú)立同分布樣本。
　　 3.研究了聯(lián)合單航過和多航過InSAR數(shù)據(jù)的處理方法。對于坡度平緩的地形,利用單基線InSAR生成的DEM,其精度已經(jīng)足夠,但對于高復(fù)雜地形的DEM測繪,則需要利用多基線InSAR技術(shù)。在實(shí)際中,利用現(xiàn)有的單基線InSAR系統(tǒng)對同一地區(qū)進(jìn)行多次航過重復(fù)觀測,是一種現(xiàn)實(shí)可行的獲取多基線InSAR數(shù)據(jù)的途徑。針對以單基線InSAR多次航過獲取的多基線干涉數(shù)據(jù),我們研究了多次航過之間的干涉基線估計(jì)方法和基

8、于干涉相位圖的圖像配準(zhǔn)方法。在干涉基線估計(jì)方法中,首先對多次航過的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行精確的SAR成像、圖像配準(zhǔn)和干涉相位濾波處理,然后聯(lián)合兩次單航過的相位圖對局部高相干區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)健的多基線相位解纏,獲得對應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)的高程信息,最后結(jié)合多次航過問的干涉圖對多次航過的干涉基線進(jìn)行解模糊和估計(jì)。在干涉相位圖的配準(zhǔn)方法中,對單航過生成對應(yīng)的干涉相位圖進(jìn)行配準(zhǔn),而不是直接配準(zhǔn)SAR圖像,從而避免了多航過SAR圖像之間相干性較低導(dǎo)致配準(zhǔn)難度大的問題。

9、>　　 4.提出了一種利用多基線InSAR技術(shù)恢復(fù)高程層疊區(qū)域高程信息的方法。首先研究了在傳統(tǒng)窄帶陣模型假設(shè)條件下利用多基線InSAR解決高程層疊問題的方法,并指出隨著SAR圖像分辨率的提高和基線長度的增加,窄帶陣模型并不完全適用于實(shí)際的星載InSAR系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上提出了更加符合實(shí)際情況的寬帶陣模型,并針對此模型提出了兩種解決方案,即地形搜索的方法和聯(lián)合距離像素處理方法,減小甚至消除了層疊的多個(gè)地面目標(biāo)回波包絡(luò)未完全配準(zhǔn)帶來的影響,