P波段全极化SAR数据处理方法研究

论文摘要

P波段极化/极化干涉SAR系统的长波低频特点使得该系统在地形拓扑、森林树高估计、地物分类等方面具有重要的应用价值,但随之而来的方位向宽波束角、高地体幅度比以及电离层传输扰动等数据特点也为P波段全极化数据处理带来了新的要求和技术挑战。本论文以P波段全极化SAR数据处理方法的研究为主线,结合中国科学院电子学研究所P波段机载极化SAR实验系统,重点研究了P波段极化SAR数据的子视分解处理以及极化干涉散射相位中心分离处理,并拓展了星载平台下受电离层效应影响的P波段极化SAR数据处理研究。具体的研究工作包括:（1）结合中国科学院电子学研究所P波段机载全极化SAR实验系统,利用实际数据分析了定标器以及地物场景的极化响应表现,并通过三面角反射器进行了极化定标处理。（2）针对P波段极化SAR系统的宽波束角特点,从子视分解的数据处理角度,分析了极化SAR数据子视散射特性的变化,并在此基础上提出了一种基于最小二乘的二元线性回归数据处理方法,以解决P波段全极化SAR单航过DEM反演的欠定问题,并结合中科院电子所采集的两景P波段全极化机载数据进行了相应实验验证。（3）通过重轨极化干涉SAR数据处理,分析了不同植被与地表区域P波段极化干涉SAR数据的地-体散射相位中心隔离度差异,在此基础上提出了一种基于地-体散射相位中心分离处理的地物分类方法。并通过中科院电子所P波段机载实验系统采集的重轨极化干涉SAR数据,对该数据处理及分类方法进行了实验验证和分析。（4）基于P波段极化全SAR数据较高的地体幅度比这一基本观察,通过“最小干涉相干性”和“地体散射相位中心分离度”的相互折中,提出了一种适用范围更广的极化干涉SAR最优基线估计方法,即“基线管”设计方法,并结合PolSARpro仿真器进行了相应的基线性能分析和实验验证。（5）针对P波段电波在穿越电离层媒介过程中对电离层效应的高敏感特性,从Appleton-Hartree方程出发,分析了电离层效应对信号脉冲相位、极化、干涉/极化干涉去相干的影响,并提出了一种联合法拉第旋转角测量与相位扰动自聚焦成像的P波段星载极化SAR数据处理方法。该方法通过引入高精度的地磁场信息,利用电离层TEC在回波法拉第旋转测量与回波相位扰动校正之间建立联系,以提高自聚焦参数的估计准确度,进而获得高分辨率的SAR成像结果。该方法可以克服基于GPS的TEC测量中时间、空间分辨率较低的问题,具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图目录
• 表格目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 P 波段极化干涉SAR 数据处理研究发展概况
• 1.2.1 P 波段全极化SAR 系统发展概况
• 1.2.2 P 波段全极化SAR 数据处理技术概况
• 1.3 论文研究思路与结构安排
• 1.4 论文主要贡献与创新点
• 第2章 极化干涉SAR 基本理论
• 2.1 SAR 成像原理
• 2.1.1 SAR 原理与成像模型
• 2.1.2 子孔径处理
• 2.2 极化SAR 原理
• 2.2.1 麦克斯韦方程和单色平面波
• 2.2.2 波的极化
• 2.2.3 极化散射矩阵及其矢量化
• 2.2.4 标准散射机制
• 2.3 极化方位角
• 2.3.1 Stokes 矢量
• 2.3.2 极化合成
• 2.3.3 极化散射响应及方位角偏移
• 2.4 极化干涉SAR 原理
• 2.4.1 干涉SAR 原理
• 2.4.2 极化干涉SAR 原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 P 波段全极化SAR 数据宽波束角效应分析及处理
• 3.1 概述
• 3.2 P 波段全极化SAR 数据的极化定标
• 3.2.1 实验数据集分析
• 3.2.2 极化SAR 定标原理
• 3.2.3 极化定标处理流程
• 3.2.4 定标结果分析
• 3.3 P 波段极化SAR 数据的宽波束角特性与极化方位角偏移
• 3.3.1 P 波段近场实测天线方向图
• 3.3.2 宽波束角下的极化方位角偏移
• 3.4 P 波段全极化SAR 数据宽波束角处理及DEM 反演
• 3.4.1 子视散射稳定性分析
• 3.4.2 回归分析
• 3.4.3 DEM 反演实验分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 P 波段PolInSAR 数据散射相位中心分离处理及分析
• 4.1 概述
• 4.2 P 波段重轨极化干涉SAR 数据集分析
• 4.2.1 数据极化干涉相干性分析
• 4.2.2 数据散射相位中心分离分析
• 4.3 P 波段极化干涉SAR 数据的分类应用
• 4.3.1 散射相位中心分离与地物分类
• 4.3.2 分类实验分析
• 4.4 基于散射相位中心分离的P 波段PolInSAR 基线分析
• 4.4.1 森林媒介中的电磁波传播
• 4.4.2 森林散射模型与散射相位中心分离
• 4.4.3 P 波段PolInSAR 相位管性能分析
• 4.4.4 “基线管”最优基线设计方法
• 4.5 本章小结
• 第5章 星载P 波段极化SAR 数据电离层效应分析及处理
• 5.1 概述
• 5.2 电离层效应模型
• 5.2.1 Appleton-Hartree 方程
• 5.2.2 电离层对脉冲相位的影响模型
• 5.2.3 电离层对信号极化的影响模型
• 5.2.4 电离层对干涉/极化干涉的影响模型
• 5.3 基于法拉第旋转角测量的全极化SAR 自聚焦处理
• 5.3.1 电离层相位扰动下的自聚焦成像分析
• 5.3.2 极化SAR 数据的法拉第旋转角测量与TEC 估计
• 5.3.3 仿真实验处理
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 后续研究展望
• 附录1 世界主要P 波段全极化SAR 系统参数
• 附录2 DEM 反演的泊松方程求解
• 附录3 电离层的一维双参数谱仿真
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
• 参考文献