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基于路径跟踪的相位解缠理论与算法研究

刘怡  
【摘要】:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)作为一种主动式微波传感器,以全天时、全天候、多波段、多极化、多视角、多操作模式、大面积采样以及较高分辨率等独特成像特点,成为对地观测技术领域中重要的复数影像获取工具。 合成孔径雷达干涉技术(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)与合成孔径雷达差分干涉技术(Differential InSAR, D-InSAR)利用SAR复数影像中的相位信息,对影像进行干涉处理,可提取米级精度的地表高程信息或毫米级精度地表微小形变量。 相位解缠作为InSAR和D-InSAR干涉数据处理中的关键步骤,直接影响其提取的高程量及微小形变量的精确度。目前,研究学者们已提出众多的相位解缠算法,大致可分为两类:(1)基于路径跟踪的相位解缠算法,通过选择合适的积分路径,以积分相邻像元上的缠绕相位梯度的方式来进行相位解缠;(2)基于最小二乘的相位解缠算法,则通过使缠绕相位梯度与真实相位的梯度差的平方最小来实现相位解缠。 大量实验证明基于路径跟踪的相位解缠算法比基于最小二乘法的相位解缠算法更加稳健、可靠。为提取高精度解缠相位,本论文将首先研究基于路径跟踪的相位解缠算法的基本原理,然后设计解缠相位修正算法,并开发相应的相位解缠系统。最后,结合模拟缠绕相位和上海局部地区的一次差分干涉相位,执行相位解缠实验以及解缠相位精度评定,并得到以下结论: (1)基于路径跟踪的相位解缠系统所提供的Goldstein“枝切”算法适用于无噪声或噪声均匀分布的缠绕相位数据,当存在有效质量图时,选择质量图路径引导算法或“掩膜枝切”算法将会生成精度更高的解缠结果,若以上三种相位解缠算法均以失败告终时,则可使用执行效率较低但解缠效果较好的Flynn最小不连续算法; (2)基于路径跟踪的相位解缠系统具有较高的执行效率,在引入掩膜文件以后,使用“掩膜枝切”算法执行上海局部地区一次差分干涉相位图的解缠操作仅消耗24秒,而SNAPHU网络流算法却消耗了20分钟,是“掩膜枝切”算法的50倍; (3)结合解缠相位修正算法的“掩膜枝切”算法具有较高的解缠精度,它在顾及局部解缠精度的同时,也达到了兼顾全局解缠精度的SNAPHU网络流算法的解缠效果,两种解缠相位的差异均值为3.718rad,标准偏差为0.342e-4rad,同时,两种解缠相位所生成的数字高程模型差异均值为0.274e-5m,标准偏差为0.318e-3m。


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