星載合成孔徑雷達(dá)相位萃取算法及應(yīng)用研究.pdf

1、地表形變是由人為因素(例如地下水抽汲、地下礦產(chǎn)資源以及油氣開采等)或自然因素(例如火山活動、地殼運(yùn)動、冰川漂流等)導(dǎo)致的，可能會引起地裂縫、海水倒灌、建筑物倒塌等一些列嚴(yán)重問題，破壞橋梁、道路、油氣管道、水壩和測量標(biāo)志等公共設(shè)施，對人類生產(chǎn)生活的正常進(jìn)行構(gòu)成巨大威脅。
　　合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，簡稱SAR)干涉圖像堆棧技術(shù)是從本世紀(jì)初發(fā)展起來的一類新型遙感技術(shù)。它克服了傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)差分

2、干涉測量(differential interferometric synthetic aperture radar，簡稱DInSAR)技術(shù)易受大氣延遲等因素干擾的缺點(diǎn)，可提取毫米級精度的大面積地表形變場，在各類地表形變應(yīng)用中已顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿?。該類技術(shù)的基本思想是通過使用多景合成孔徑雷達(dá)圖像，生成具有不同時間基線和空間基線的多幅差分干涉圖，利用各種相位成分的不同時/空特性，在具有較高相位穩(wěn)定性的點(diǎn)目標(biāo)上精確地分離出地表形變所貢獻(xiàn)

3、的相位。由于散射體去相關(guān)的影響，一般只有具有良好反射特性的永久散射體才能在各差分干涉圖中均表現(xiàn)出較高的相位穩(wěn)定性。然而，在自然條件下永久散射體的密度通常較低，這極大地限制了干涉圖像堆棧技術(shù)的應(yīng)用范圍。2008年，為了最小化SAR圖像間散射體去相關(guān)噪聲，Guarneri和Tebaldini提出了相位萃取技術(shù)。該技術(shù)以關(guān)于多視像元的相干矩陣為基礎(chǔ)，利用最大似然估計對 SAR觀測相位進(jìn)行重構(gòu)，可在中等相干區(qū)域有效提升干涉相位的信噪比。2011

4、年， Ferretti對相位萃取技術(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，利用統(tǒng)計一致性點(diǎn)(statistically homogeneous points，簡稱 SHP點(diǎn))對分布散射體進(jìn)行識別，構(gòu)建相干矩陣，避免了永久散射體的丟失。此后，相位萃取技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，已成為干涉圖像堆棧技術(shù)未來發(fā)展的主要方向。
　　本文首先對合成孔徑雷達(dá)基礎(chǔ)理論進(jìn)行了較為深入的分析，詳細(xì)探討了分布散射體的識別方法，并在此基礎(chǔ)上對相位萃取技術(shù)的基本原理進(jìn)行了深入研究

5、。接下來，在數(shù)學(xué)層面對相位萃取目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了討論，并詳細(xì)推導(dǎo)了其一階導(dǎo)形式，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了常用的相位萃取算法。相位萃取目標(biāo)函數(shù)是在關(guān)于相干矩陣中的各個元素定義的，而相干矩陣中的各個元素實(shí)際上表現(xiàn)的是與之對應(yīng)的干涉組合在相應(yīng)點(diǎn)目標(biāo)上的相干統(tǒng)計特性。因此，整個相位萃取過程有可能受到嚴(yán)重去相關(guān)組合的影響，使得萃取結(jié)果的質(zhì)量下降，導(dǎo)致潛在的相位穩(wěn)定點(diǎn)丟失。針對這一問題，本文對現(xiàn)有的相位萃取算法進(jìn)行了改進(jìn)，基于簡單相干網(wǎng)絡(luò)完成相位萃取操作。該

6、方法將相位萃取技術(shù)中的最大似然估計問題轉(zhuǎn)換為一個定義在相干網(wǎng)絡(luò)上的優(yōu)化問題。然后在保證網(wǎng)絡(luò)可行性和冗余度的前提下，通過刪除網(wǎng)絡(luò)中的邊以盡量對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡化，并通過這種方式降低相干矩陣中低質(zhì)量觀測值對相位萃取過程的影響。此外，本文在相位鏈接技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一個有針對性的迭代算法以求解定義在簡單相干網(wǎng)絡(luò)上的相位萃取問題。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)相位萃取算法，該算法具有相當(dāng)高的效率，而且在計算精度上也有一定程度的提高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該算法以及