分布式卫星干涉合成孔径雷达信号处理关键技术研究

论文摘要

获取地球表面的高精度数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）,在军事应用以及国民经济建设方面都具有重要的意义。干涉合成孔径雷达（Interfero-metric Synthetic Aperture Radar, InSAR）在生成数字高程模型方面具有巨大的潜力和广阔的应用前景,以分布式卫星为平台,能够快速高效、大范围地获取地球表面的DEM,完成全球测绘,具有其它测量手段无法比拟的优势。本论文以分布式卫星InSAR获取地球表面数字高程模型为主线,重点研究了分布式卫星InSAR信号处理的几个关键技术。全文总体上分为两个部分：第一部分主要研究了单基线分布式卫星InSAR技术,对于普通地形,利用传统的单基线InSAR能够有效地获取这些区域的DEM。然而,对于复杂地形（例如坡度较大的局部区域、山谷和悬崖等）,由于存在严重的相位欠采样和高程层叠效应,使这些区域成为单基线InSAR测绘的“盲区”,而多基线InSAR技术是解决此问题的一项关键技术,因此论文第二部分主要针对多基线分布式卫星InSAR技术展开了研究。本文的主要工作概括如下：1.提出了一种基于相同方位角的方位向预滤波方法。InSAR处理要求用于干涉的SAR图像之间具有很高的相干性,相干性直接决定DEM的高程测量精度。针对空间基线（包括垂直航向基线和沿航向基线）引入的去相干因素,通过对回波数据进行距离向和方位向预滤波处理,能够有效提高SAR图像之间的相干性。我们在对InSAR成像的几何关系和信号模型详细分析的基础上,揭示了雷达回波之间具有相干性的本质,针对方位向预滤波处理,提出在方位向只有具有相同方位角的空间采样位置接收到的雷达回波才具有相干性,能够用于后续的相干干涉处理,并在此基础上提出了一种基于相同方位角的方位向预滤波方法,通过计算机仿真验证了此方法的有效性。2.提出了基于粗DEM的SAR图像配准—干涉相位滤波算法。SAR图像配准和干涉相位滤波是InSAR处理中的两大步骤。一方面,InSAR处理要求SAR图像之间的配准精度很高,但实际处理中由于逐点精配准要求的计算量巨大,传统的图像配准算法都是生成少量的控制点,利用一定准则求取控制点的二维偏移量,再通过一定的模型拟合获得整幅二维图像中每个像素的偏移量。但是对于高程起伏剧烈的地形,或者大幅图像进行配准时,通过简单的多项式拟合求取偏移量会引入较大的误差。另一方面,干涉相位滤波算法总是假定滤波窗口内的样本点满足独立同分布的假设,然而实际中受地形起伏的影响,滤波窗口内的样本点不可能严格满足独立同分布的假设,导致滤波结果偏离真实值。针对上述问题,我们的思路是充分利用已有的粗DEM来提高SAR图像配准和干涉相位滤波的性能,并大大减少运算量。在SAR图像配准中,首先利用粗DEM完成对SAR图像中的每一像素的定位,然后在SAR图像中逐点求取每个像素的二维配准偏移量,从而完成整幅SAR图像的配准。在干涉相位滤波中,为了使滤波窗口内的样本数尽量满足独立同分布,我们利用已知的粗DEM对干涉相位图中的地形信息进行统一补偿,以获取更多的独立同分布样本。3.研究了联合单航过和多航过InSAR数据的处理方法。对于坡度平缓的地形,利用单基线InSAR生成的DEM,其精度已经足够,但对于高复杂地形的DEM测绘,则需要利用多基线InSAR技术。在实际中,利用现有的单基线InSAR系统对同一地区进行多次航过重复观测,是一种现实可行的获取多基线InSAR数据的途径。针对以单基线InSAR多次航过获取的多基线干涉数据,我们研究了多次航过之间的干涉基线估计方法和基于干涉相位图的图像配准方法。在干涉基线估计方法中,首先对多次航过的数据分别进行精确的SAR成像、图像配准和干涉相位滤波处理,然后联合两次单航过的相位图对局部高相干区域进行稳健的多基线相位解缠,获得对应目标点的高程信息,最后结合多次航过间的干涉图对多次航过的干涉基线进行解模糊和估计。在干涉相位图的配准方法中,对单航过生成对应的干涉相位图进行配准,而不是直接配准SAR图像,从而避免了多航过SAR图像之间相干性较低导致配准难度大的问题。4.提出了一种利用多基线InSAR技术恢复高程层叠区域高程信息的方法。首先研究了在传统窄带阵模型假设条件下利用多基线InSAR解决高程层叠问题的方法,并指出随着SAR图像分辨率的提高和基线长度的增加,窄带阵模型并不完全适用于实际的星载InSAR系统,在此基础上提出了更加符合实际情况的宽带阵模型,并针对此模型提出了两种解决方案,即地形搜索的方法和联合距离像素处理方法,减小甚至消除了层叠的多个地面目标回波包络未完全配准带来的影响,提高了高程估计的稳健性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 InSAR的主要应用—DEM生成
• 1.1.2 InSAR的其它应用
• §1.2 InSAR的国内外发展概况
• 1.2.1 InSAR的国外发展概况
• 1.2.2 InSAR的国内发展概况
• §1.3 分布式卫星InSAR的基本原理
• §1.4 本文工作及内容安排
• 本章参考文献
• 第二章 提高InSAR图像对相干性的预滤波方法
• §2.1 引言
• §2.2 干涉相位的统计特性
• §2.3 传统预滤波方法
• 2.3.1 距离波数谱预滤波
• 2.3.2 方位多普勒谱预滤波
• §2.4 基于相干性原理的预滤波方法
• 2.4.1 算法原理
• 2.4.2 处理步骤
• 2.4.3 仿真实验
• §2.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 基于粗DEM的图像配准—相位滤波算法
• §3.1 引言
• §3.2 SAR图像配准
• §3.3 干涉相位滤波
• §3.4 基于粗DEM信息的图像配准-相位滤波算法
• §3.5 仿真试验
• 3.5.1 基于粗DEM的图像配准法与传统配准方法的性能比较
• 3.5.2 基于粗DEM的相位滤波法与传统滤波方法的性能比较
• 3.5.3 算法效率比较
• 3.5.4 实测数据处理结果
• §3.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 联合单航过和多航过InSAR数据的处理方法
• §4.1 引言
• §4.2 多基线InSAR数据的获取方式
• §4.3 单基线InSAR系统多航过之间的基线估计方法
• 4.3.1 几何模型
• 4.3.2 算法实现原理
• 4.3.3 算法性能分析
• 4.3.4 小结
• §4.4 单基线InSAR系统多航过之间的干涉相位图配准方法
• 4.4.1 几何模型
• 4.4.2 基于相位梯度的干涉条纹图配准方法
• 4.4.3 基于局部频率的干涉条纹图配准方法
• 4.4.4 处理步骤
• 4.4.5 仿真实验
• 4.4.6 小结
• §4.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 利用多基线InSAR恢复高程层叠区域的地形信息
• §5.1 引言
• §5.2 窄带阵信号模型及处理方法
• 5.2.1 窄带阵信号模型
• 5.2.2 常规波束形成法（Beamforming）和Capon法
• 5.2.3 MUSIC法
• §5.3 宽带阵信号模型及处理方法
• 5.3.1 宽带阵信号模型
• 5.3.2 地形搜索方法
• 5.3.3 联合距离像素处理方法
• §5.4 仿真试验
• §5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 结束语
• §6.1 全文内容总结
• §6.2 工作展望
• 致谢
• 作者在读期间的研究成果