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全极化SAR地形高度测量技术研究

梁淮宁  
【摘要】: 极化合成孔径雷达(SAR)能够通过照射场景,对场景进行二维(方位向和距离向)高分辨力成像,同时测量出每个分辨单元的复散射矩阵。由于极化合成孔径雷达具行全天候和全气候工作的能力,使得极化合成孔径雷达在采集地表及其覆盖物的物理(电结构)细节信息方面起着越来越重要的作用。自从八十年代中期人们能够获取真实的机载极化SAR数据以来,极化SAR信息的使用已经证明能够人人改进信号处理的质量和拓展新的应用功能。由于极化SAR遥感有着极其重要的军用和民用价值,因而受到世界各国科学家的普遍重视。 九十年代以来,干涉SAR(INSAR)三维成像的研究取得令人满意的成果。国内外学者发表了许多精彩的学术论文,这些研究文章从理论上解决了INSAR三维成像的技术难点,使INSAR三维成像具有完备的理论。同时,在此基础上实现了INSAR三维成像。 三维SAR成像中的一种最新发展动态是利用极化合成孔径雷达的二维图像数据,提取地形方位向坡度信息,从而在极化SAR二维成像的基础上,形成极化SAR三维成像。这种方法不同于重复轨道和双通道INSAR系统,不是利用干涉法提取高度信息,而是利用极化SAR二维图像各分辨单元的Stokes矩阵,通过极化综合估计每个分辨单元的共极化散射特性和交叉极化散射特性(极化指纹),以及共极化散射特性最大值时对应的极化椭圆度x利极化椭圆方向角ψ,求解地形的高度轮廓。Schuler已经证明,对于一个均匀分布场景,SAR图像上两个相邻分辨单元的极化椭圆方向角偏移量Δψ,与地形方位向坡度δ的对应关系是线性唯一的,地形方位向的倾斜度可以通过解Δψ唯一地被测定。地形方位向坡度一旦被测定,经过数字高度校正,各距离门上,相应的方位高度轮廓的数值便被确定。1994年,Schuler应用极化SAR地形测量技术,成功地对Tiefort山的表面高度轮廓进行极化SAR三维成像。美国海军实验室成功地将这种方法应用于森林植被覆盖的地表高度的估计。试验结果表明极化SAR三维成像的高度测量误差与INSAR三维成像的高度测量误差的统计值基本相同。 本文的主要贡献可归纳为以下五点: 山厂村拈人学博十论义2001 (l)4十日标的共极化和交义极化敞射理论,详细分析了典型11杯的共极 化和交义极化敞射特性,】网明倾斜的均匀分布场景(粗糙表而)的共极化敞射特 性4i利十提取地形方位向高度轮廓的机Jrp。 门)在理解Sc;u7e;司的快速搜索算法基础上,提出对算法的改进意见,使改 进后的快速搜索算法能够稳定地踉踪在目标共极化散射特性最大值的位署,大 大提高了运算的可靠性;并对改进后的快速搜索算法进行了计算机模拟验证, 得山了肖定的答案。 CD对于一个均匀分仆场景,地势的姿态信息调制在极化椭圆力下0角的变 化量中。人了求解小确的极化椭圆力血角,论文阐明了极化椭圆力丫l]解模糊算 法,并验证算沧的m确性。 (4)极化 SAR雷达具仑丫啊+极化接收机信道,四极化接收信迫要求严格的 相位个衡和增益平衡。论义分析了山于接收信道的相位不平衡和增益个平衡带 来的*标敝射特性的估计误差,仆给出不平衡误差的允计他围。 (5)最后,利用国外的极化 nR图像数据,对岛屿和海面进行了极化 SAR 二维成像实验,获得较理想的三维成像结果。 合成孔径宙达的应川研究在找国正置兴起阶段,全极化合成孔径宙达的b)I’ 制己经进入日程。作者札信在不久的将来我国将拥有自己的极化合成孔 径击达设备,并提供大景的可供研究的极化雷达图像数据。作者相信 本文所从事的研究工作和所取得的研究成果对发展我国的极化肋尸事业有着重 要参考价值,对促进我中极化SAR三维成像,极化信息综合利用以及极化合成 孔径雷达的研究起着积极的推动作川。


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