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《中国科学院研究生院(上海天文台)》 2007年
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星载SAR及InSAR技术在地球科学中的应用研究

陈艳玲  
【摘要】: 星载SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)及InSAR技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达干涉测量)是近三十年来发展起来的空间对地观测新技术,是未来三维测图与区域地形形变监测领域最具潜力的新技术之一,在农林业、海洋、地形及形变测绘、地质、生态等地球科学领域发挥着日益重要的作用。考虑到我国该领域的研究起步较晚,远远落后美国、欧洲等发达国家。2006年,我国第一颗SAR小卫星“遥感卫星一号”发射成功,更促使我国加速开展这方面的研究,以尽快赶上国际先进水平。 在这样的背景下,本文从星载SAR原始数据(Level 0)出发,阐述了星载SAR成像的机理以及成像质量评定指标,提出了InSAR对成像算法及成像产品的几点要求,紧接着系统、全面地概括了(D-)InSAR技术的基本原理及局限性。在这些理论的支撑下,本文围绕星载SAR成像以及星载SAR、InSAR技术的应用主要做了以下工作: (1)星载SAR成像处理。成像处理是SAR技术的核心部分。第三章分析了星载SAR点目标回波信号模型以及几种常用的数字成像处理算法,接着介绍了距离—多普勒算法的数据处理流程及几个关键的问题;然后在第五章采用ERS-1、Radarsat-1以及JERS-1卫星数据利用EV-APP软件做了成像实验,并对成像质量做了评价。 (2)星载SAR在海洋气象学中的应用—星载SAR图像反演海面风矢量研究。首先介绍了星载SAR估算海面风场的基本原理、算法及数据处理步骤。接着,以2002年5月7日香港地区ERS—2 SAR海洋图像为例,对经典的SWDA(SAR Wind Direction Algorithm)—谱分析方法加以改进,求得具有180°模糊度的风向,并用香港天文台气象浮标实测数据消除了风向不确定性。最后,利用CMOD4 GMF(Geophysical Model Function,地球物理模式函数)计算得到海面上10m高的风速。与浮标实测资料相比,文中两个20km×20km试验区域ROI1与ROI2风向误差分别为23.71°、7.00°,平均风速误差分别为0.18m/s、—0.12m/s,精度均较高。由此可以得出结论:如果对SAR预先进行ADC(Analog Digital Converter)改正以及精确校准,结合改进的SWDA和CMOD4,可以获得高精度的风矢量。(3)二轨差分干涉(D-InSAR)技术监测抚顺市矿山沉降。文中利用二轨差分干涉测量技术,使用ERS-1/ERS-2卫星1993年5月22日至2000年6月13日所获取的辽宁省抚顺地区6幅SAR图像以及SRTM 3×3弧秒分辨率的DEM,研究了抚顺市的沉降情况,监测精度达cm级。需要指出的是,文中采取了一种全新的干涉相位图频域滤波方法,使用这种算法使得差分干涉图的质量平均改善了28%。实验证明,D-InSAR技术可以有效地监测矿区沉降情况。 论文的创新性或特点表现在以下几个方面:(1)从公开的文献看,本文在国内首次同时对不同卫星的SAR原始数据进行成像试验,并对成像的结果进行了定量评价,为InSAR数据处理中某些问题的解决提供了参考思路;(2)其次,星载SAR在海洋学、气象学方面的应用研究是极具挑战性和发展潜力的课题,本文从星载SAR图像提取了香港地区的风向和风速,并对反演算法进行了改进,从而为海洋及气象服务提供更加可靠的资料,这是具有前瞻性的研究,;(3)我国矿区InSAR沉降监测可应用性研究并不多见。本文利用D-InSAR这种新兴的技术对国内普遍存在的矿山沉降问题进行深入研究,并在数据处理中将新的频域滤波算法用于干涉相位图,取得了相当好的结果。
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