多發(fā)多收干涉合成孔徑雷達(dá)高程測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、干涉合成孔徑雷達(dá)(InSAR)是一種全天時(shí)、全天候的微波遙感技術(shù)，能夠提供高分辨率、高精度的地表數(shù)字高程圖。在地質(zhì)、地理和地球物理等許多學(xué)科有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的單基線InSAR只能提供一個(gè)干涉相位，其相位展開的精度和可靠性較低，且難以應(yīng)對(duì)大坡度、非連續(xù)以及高程重疊(Layover)等復(fù)雜地形。而多頻和多基線InSAR這一類具有多個(gè)觀測(cè)通道的模式由于能夠提供多個(gè)獨(dú)立干涉相位，大大提高了相位展開的可靠性和精度，并能夠解決復(fù)雜地形條件下的高

2、程測(cè)量問題。因此，多通道InSAR已成為目前國內(nèi)、外的研究熱點(diǎn)。近年來興起的MIMO雷達(dá)技術(shù)能夠在不增加真實(shí)觀測(cè)通道的條件下通過多發(fā)多收形成更多的虛擬觀測(cè)通道，為進(jìn)一步提高多通道InSAR模式的高程測(cè)量性能提供了一條新的技術(shù)途徑。本論文的研究工作將圍繞多發(fā)多收干涉合成孔徑雷達(dá)高程測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)展開，主要的研究工作包括以下幾個(gè)方面：
　　 1)分析了多基線InSAR聯(lián)合像素矢量的協(xié)方差矩陣特征譜隨回波相干性和SAR圖像配準(zhǔn)誤差的變

3、化情況。分析結(jié)果指出：在去相關(guān)效應(yīng)不可忽略和各SAR圖像間的配準(zhǔn)誤差各不相等且不為整數(shù)的時(shí)候，聯(lián)合像素矢量協(xié)方差矩陣的信號(hào)子空間將占據(jù)整個(gè)特征空間。此時(shí)，基于信號(hào)子空間向噪聲子空間投影的聯(lián)合子空間投影方法將會(huì)出現(xiàn)干涉信息損失，從而導(dǎo)致高程估計(jì)的穩(wěn)健性和精度下降。針對(duì)這一問題，提出了一種基于聯(lián)合像素矢量協(xié)方差矩陣擬合的多基線InSAR回波數(shù)據(jù)聯(lián)合處理方法。該方法能夠避免由于信號(hào)子空間占據(jù)整個(gè)特征空間而引起的干涉信息損失，具有更好的高程估計(jì)

4、精度和穩(wěn)健性。同時(shí)，該方法通過相關(guān)系數(shù)加權(quán)的方法抑制了采樣協(xié)方差矩陣各元素中的誤差項(xiàng)對(duì)高程估計(jì)的影響，保證了其在有限樣本數(shù)條件下的可靠性。
　　 2)根據(jù)常規(guī)多發(fā)多收(MIMO)雷達(dá)中常用的兩種信號(hào)分集方式，提出了基于頻率編碼和波形編碼的兩種MIMO InSAR高程測(cè)量模式，能以較小的代價(jià)換取高程測(cè)量性能的大幅提高。首先，由于MIMO技術(shù)帶來了更多的獨(dú)立觀測(cè)通道，因此MIMO InSAR模式的高程估計(jì)精度將高于傳統(tǒng)的多頻或多基線

5、InSAR模式。本論文分別推導(dǎo)了上述兩種MIMO InSAR模式下的高程估計(jì)的克拉美羅界，證明了MIMO InSAR模式對(duì)高程估計(jì)精度的改善。同時(shí)，獨(dú)立觀測(cè)通道數(shù)量的增加也提高了系統(tǒng)的高程估計(jì)穩(wěn)健性。通過組合不同的工作頻率和觀測(cè)基線，頻率編碼MIMO InSAR模式能夠有效的擴(kuò)展系統(tǒng)的高程估計(jì)模糊間隔，在系統(tǒng)各工作頻率和各基線之間均不具有互質(zhì)關(guān)系的條件下，該模式仍然能夠得到穩(wěn)健的高程估計(jì)結(jié)果；而通過虛擬陣列擴(kuò)展，波形編碼MIMO InS

6、AR模式能夠辨識(shí)數(shù)量多于真實(shí)觀測(cè)陣元的Layover單元，極大地提高了InSAR系統(tǒng)在復(fù)雜地形條件下的高程測(cè)量能力。
　　 3)針對(duì)波形編碼MIMO InSAR模式存在的調(diào)制波形正交性不足、缺乏高精度和大場(chǎng)景成像的算法等問題，提出了基于時(shí)間編碼和空間編碼的兩種MIMOInSAR模式。時(shí)間編碼模式通過各觀測(cè)陣元交替發(fā)射信號(hào)的方式，等效形成多發(fā)多收的各觀測(cè)通道，并且通過引入波束掃描技術(shù)，以犧牲方位向分辨率為代價(jià)實(shí)現(xiàn)寬域觀測(cè)。而空間編

7、碼模式則通過將各觀測(cè)陣元發(fā)射波束主瓣腳印在地面同一觀測(cè)條帶中彼此分離的方式等效形成了多發(fā)多收的各觀測(cè)通道，并通過在接收端使用子天線陣空域?yàn)V波來實(shí)現(xiàn)無多普勒模糊的寬域觀測(cè)。在以上兩種模式下，各觀測(cè)陣元發(fā)射信號(hào)回波間的可分離性不再依賴各發(fā)射信號(hào)間的正交性，可以利用線性調(diào)頻信號(hào)作為各陣元的發(fā)射信號(hào)，從而可以利用各種基于線性調(diào)頻信號(hào)的成熟算法完成高精度、大場(chǎng)景成像處理。
　　 4)針對(duì)MIMO雷達(dá)中由于回波數(shù)據(jù)維數(shù)的大幅增加而引起傳統(tǒng)參

8、數(shù)估計(jì)算法的運(yùn)算量也隨之大幅增加的問題，提出了一種基于ESPRIT算法和Kalman濾波的高精度、低復(fù)雜度的MIMO雷達(dá)波達(dá)方向估計(jì)方法。該方法將MIMO雷達(dá)經(jīng)匹配濾波后形成的虛擬陣列分解為多個(gè)構(gòu)形相同但空間位置不同的虛擬子陣，利用這些虛擬子陣間的旋轉(zhuǎn)不變性得到了同一目標(biāo)波達(dá)方向的多個(gè)估計(jì)值，并利用Kalman濾波對(duì)同一目標(biāo)波達(dá)方向的多個(gè)估計(jì)值進(jìn)行融合處理進(jìn)一步提高了估計(jì)的高精度。該方法只需要對(duì)若干個(gè)維數(shù)較小的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解且不

9、需要進(jìn)行譜峰搜索，故其運(yùn)算量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)算法。同時(shí)，該方法對(duì)陣列構(gòu)形沒有要求，能夠適用于MIMO模式下非均勻線陣以及二維陣列的波達(dá)方向估計(jì)問題。由于陣列波達(dá)方向估計(jì)與InSAR高程估計(jì)之間的相似性，本論文將該方法的基本思想應(yīng)用于MIMO InSAR的高程估計(jì)問題，提出了一種低復(fù)雜度的MIMOInSAR高程估計(jì)算法，并且解決了由于MIMO InSAR虛擬觀測(cè)陣元空間超稀疏分布而帶來的近場(chǎng)陣列問題。不過，受到InSAR回波信號(hào)特有的