分布式衛(wèi)星干涉合成孔徑雷達信號處理關鍵技術研究.pdf

1、獲取地球表面的高精度數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM),在軍事應用以及國民經濟建設方面都具有重要的意義。干涉合成孔徑雷達(Interfero—metric Synthetic Aperture Radar,InSAR)在生成數字高程模型方面具有巨大的潛力和廣闊的應用前景,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獲取地球表面數字高程模型為主線,重點研究了分布式衛(wèi)星InSAR信號處理的幾個關鍵技術。全文總體上分為兩個部分:第一部分主要研究了單基線分布式衛(wèi)星InSAR技術,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),由于存在嚴重的相位欠采樣和高程層疊效應,使這些區(qū)域成為單基線InSAR測繪的“盲區(qū)”,而多基線InSAR技術是解決此問題的一項

3、關鍵技術,因此論文第二部分主要針對多基線分布式衛(wèi)星InSAR技術展開了研究。
　　 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,通過對回波數據進行距離向和方位向預濾波處理,能夠有效提高SAR圖像之間的相干性。我們在對InSAR成像

4、的幾何關系和信號模型詳細分析的基礎上,揭示了雷達回波之間具有相干性的本質,針對方位向預濾波處理,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,并在此基礎上提出了一種基于相同方位角的方位向預濾波方法,通過計算機仿真驗證了此方法的有效性。
　　 2.提出了基于粗DEM的SAR圖像配準—干涉相位濾波算法。SAR圖像配準和干涉相位濾波是InSAR處理中的兩大步驟。一方面,InSAR

5、處理要求SAR圖像之間的配準精度很高,但實際處理中由于逐點精配準要求的計算量巨大,傳統(tǒng)的圖像配準算法都是生成少量的控制點,利用一定準則求取控制點的二維偏移量,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,或者大幅圖像進行配準時,通過簡單的多項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的樣本點滿足獨立同分布的假設,然而實際中受地形起伏的影響,濾波窗口內的樣本點不可能

6、嚴格滿足獨立同分布的假設,導致濾波結果偏離真實值。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圖像配準和干涉相位濾波的性能,并大大減少運算量。在SAR圖像配準中,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圖像中逐點求取每個像素的二維配準偏移量,從而完成整幅SAR圖像的配準。在干涉相位濾波中,為了使濾波窗口內的樣本數盡量滿足獨立同分布,我們利用已知的粗DEM對干涉相位圖中的地形信息進行統(tǒng)一補償,以獲取

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

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

9、>　　 4.提出了一種利用多基線InSAR技術恢復高程層疊區(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際的星載InSAR系統(tǒng),在此基礎上提出了更加符合實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合距離像素處理方法,減小甚至消除了層疊的多個地面目標回波包絡未完全配準帶來的影響,