海面三维成像仿真高程反演与误差分析校正

【摘要】：随着经济社会的发展特别是科技水平的不断提升,占地球表面71%的海洋日益受到世界各国的重视。遥感因具有覆盖面大、观测频率高、全天时、全天候等优势,已成为海洋监测的重要手段。获取海面高程(Sea Surface Height,SSH)测量数据是海洋遥感的一个重要任务,也是掌握海洋战略环境状态和海洋灾害预警的重要信息支撑。当前海面高程测量主要采用传统雷达高度计,沿卫星运行轨迹实现一维高程测量,由于轨道间隔大,所以分辨率低、不能实现亚中尺度面积的海面高程面测量。国内外相继提出了可成像、覆盖面积大、分辨率高、实时性好、可以满足亚中尺度海洋现象观测且海陆兼容的三维成像高度计。本文以三维成像高度计为应用对象,应用计算机仿真技术,研究海面成像和高程反演算法,分析三维成像高度计高程测量的主要误差因素,并设计相应的校正方法,为提高海面高程探测精度提供算法支持。论文主要完成了以下研究工作:1.研究三维成像高度计海面成像,依据三维成像高度计的主要特征指标,提出了一种海面成像仿真算法。首先采用双尺度模型仿真海面,然后将其划分为小面元。进而基于准镜面散射机制及其基尔霍夫(Kirchhoff)近似解计算小面元的后向散射截面,通过相干叠加求得仿真区域的后向散射系数;最后根据三维成像高度计的基本原理设置系统参数,建立回波信号模型,使用距离多普勒(Range-Doppler,RD)算法和后向投影(Back-Projection,BP)算法分别进行仿真成像,得到相干复图像。在构建回波模型时,针对三维成像高度计的双天线干涉模式,进行了等效相位中心处理。成像仿真结果可为高程反演和误差分析校正提供基础图像数据。2.研究三维成像高度计图像数据处理,完成了包括图像配准、去平地效应、干涉相位滤波、相位解缠、相位-高程转换五个步骤的海面高程反演算法设计。在图像配准环节,提出了一种增强SIFT特征与相关系数相结合的算法,实现了图像的亚像素级精确配准,在配准精度和适用范围上均优于单独使用SIFT算法和相关系数法。在去平地效应环节,采用了在频域内将主频谱中心移至零频的方法。在干涉相位滤波环节,采用了中值预滤波与多方向融合线性滤波相结合的方法。在相位解缠环节,利用JVC全局最优线性分配算法生成枝切线,对经典Goldstein算法进行改进,缩短了枝切线总长度,一定程度上避免了局部无法解缠的“孤岛”问题,提升了相位解缠率和解缠精度。最后根据干涉测量原理和三维成像高度计观测几何计算海面相对高程。利用仿真海面图像进行高程反演,通过对比验证了海面成像仿真方法的可行性。3.研究影响三维成像高度计SSH测量精度的因素。设置系统参数,背景电离层、背景大气层误差以及电离层闪烁和大气湍流相位误差,进行仿真成像和高程反演,对比分析各类误差对SSH测量精度的影响,研究结果表明,具有二维空变特性的电离层闪烁和大气湍流相位误差影响最大。为校正该相位误差,提出两种校正算法:采用基于邻域像素均值自适应选点和提取波形轮廓自适应估计加窗宽度的方法改进了相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus,PGA)与图像偏移(Map Drift,MD)相结合的算法;使用果蝇全局优化算法(Fruit Fly Optimization Algorithm,FOA)在距离压缩相位历史域搜索相位误差校正量,改进了基于最小熵准则的方法。仿真验证表明,本文提出的两种相位误差校正算法都取得明显的校正效果,而基于果蝇算法和最小熵准则的方法效果更好。4.考虑系统参数误差和大气干扰对三维成像高度计海面高程测量的影响,利用以上三部分工作提出的算法,综合开展海面成像仿真、误差校正、高程反演验证。验证结果表明本文整体研究工作与提出算法的合理性和有效性。