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机载重轨干涉SAR三维定位方法研究

董小桐  
【摘要】:合成孔径雷达(SAR)不同于传统的光学观测系统,可以全天候、全天时观测,是具有高穿透、高分辨特性的主动对地观测技术。机载SAR相对于星载SAR具有容易实现、灵活性高和实时成像的优势,并可为星载SAR提供测试验证。干涉合成孔径雷达(InSAR)技术在具备SAR成像技术优点的同时,可以利用两幅复图像的干涉相位差生成目标地面的高精度三维地貌图像。机载重轨干涉合成孔径雷达(RP-InSAR),突破了双天线系统受载机平台尺寸的限制,在针对局部地区实施的地形测绘和形变监测中,具有无可替代的作用。特别的,地表微量形变监测和地表活动监测受限于必须不同时间观测的要求,必须使用RP-InSAR进行干涉测量。为了获得精确的地面高程信息,机载重轨干涉SAR测量的两次飞行轨迹必须保持在一个特定的空间基线的附近。目前,国内的机载重轨干涉SAR系统的导航系统精度有限,载机飞行轨迹往往偏离理想航迹。在实际重轨测量中,载机飞行高度和姿态往往不能够长时间保持稳定,因而载机飞行过程中会产生位置偏移和姿态变化;受到载机位置与姿态测量系统的精度限制,雷达天线相位中心位置和波束指向等参数的测量结果仍然存在误差。由于机载重轨干涉SAR影像对两次观测时的载机飞行航迹不完全重合,所以即使在运动补偿后,两幅干涉复图像之间仍然会存在明显的不规则的相对形变。表现为同名像元对应的地面分辨单元大小不一致,特别的在长基线条件下,从SAR影像近距端到远距端,地距大小不一致程序逐渐加大,干涉复图像失配逐渐严重,相干性大大降低,造成后期干涉处理困难,无法获取高精度DEM,难以进行三维定位。为了实现重轨机载干涉SAR的三维定位,本文通过对重轨机载干涉SAR影像对存在的几何形变和其形成原因进行分析,研究与SAR影像相关的坐标系统及各坐标系统之间的转换关系,推导了机载重轨InSAR解析构像模型和三维定位模型,提出了基于RD构像模型的干涉处理方法和高精度定位方法。该方法从精准的SAR成像几何关系出发,利用POS数据和少量地面控制点信息,通过RD构像模型解算每景影像航高和初始斜距改正值,实现干涉SAR影像对同名像元的高精度相对定位,实现干涉SAR影像对配准,从而获取高精度DEM,最终实现主影像像元的三维定位。本文实验数据为2014年10月于海南省陵水地区进行机载重轨测量获取的干涉SAR影像对。影响机载重轨InSAR影像配准精度的重要原因是飞行轨迹不完全重合和POS数据精度过低,同时造成同名像元难以精准定位。实验结果表明,引入地面控制点信息,通过RD构像模型解算误差方程修正成像参数,获取高精度DEM和影像像元的三维定位结果。该方法可以有效解决传统方法在处理大区域影像时无法满足精度要求的问题,良好的解决了机载重轨干涉SAR的三维定位问题。


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