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InSAR成像算法研究

郭春生  
【摘要】: 本文在国家自然基金资助下,对干涉合成孔径雷达(InSAR)成像处理进行了研究,提出了一些新的实用算法。对于成像处理中的各环节,从多角度多方面给予阐述。文中几乎所有的算法都给出了真实数据或仿真数据的处理结果,以比较各种处理算法的优缺点。 本文中各章节基本上是按照InSAR成像处理的完整流程顺序进行安排。 在第一章中,阐述了InSAR成像技术的特点以及一些成功的应用,回顾了InSAR技术的发展历史,分析了目前的现状,展望了未来的发展方向,并对本文的主要研究内容加以概述。 在第二章中,首先对合成孔径雷达(SAR)成像的基本原理和实际问题作概括性的叙述。然后分析了InSAR成像的几何关系,将干涉相位值分成固定项、线性项和与高度值的对应项三部分,建立了干涉相位值与地形高度之间的近似转换关系。最后针对一个具体的SAR处理系统,分析了由其构成的InSAR系统的成像能力。计算了系统基线、雷达天线高度和干涉相位等的测量精度对数字地形高度图(DEM)精度的影响,给出了地面距离分辨单元与干涉距离差分辨单元,以及地面距离分辨单元与地形高度分辨单元之间的制约关系对InSAR成像区的限定。 在第三章中,首先解释了空间解相关的概念。针对目前使用的空间解相关系数表达式并未考虑InSAR图像对的距离向频谱加权(以下简称信号加权),分析了空间解相关系数与信号加权的相互关系,推导出了空间解相关系数与信号加权函数之间的关系式。据此讨论了在距离向预滤波处理中,不同信号加权函数对滤波效果的影响。提出了采用InSAR图像对干涉图的距离向频谱的等效带宽,来判断是否需要对InSAR图像对作固定带宽的距离向预滤波处理。然后对各种空间解相关滤波算法(包括固定带宽预滤波、自适应移频滤波、重采样预滤波、分区域预滤波和空变维纳预滤波)的原理进行了分析和比较,并给出了真实数据的处理结果。最后重点介绍了InSAR图像对的精配准方法(包括最大谱配准法和基于信号对谱差异配准法),并结合基于图像对谱差异的配准法和基于尺度变换的配准法,提出了一种机载双天线InSAR系统的快速配准算法。 在第四章中,主要讨论了干涉相位图的滤波问题,包括基于相位差分(PD)算子的滤波算法、基于各向异性的滤波算法、分层形态学滤波算法和小波皱缩滤波算法等。其中提出的基于PD算子的滤波算法,使用PD算子估计干涉图大数据块的相位多项式模型系数,来提高算法对低信噪比数据的处理能力,并对滤波后的干涉图作加权处理来削弱马赛克效应。提出的分层形态学干涉相位图滤波算法,与Candeias形态学干涉相位图滤波算法相比较,不仅具有Candeias形态学滤波算法的特点,且处理速度 郭春生:InSAR成像算法研究 更快,并能够在一定程度上实现相位信号的重构。将基于各向异性扩散方程的滤波算 法引入到干涉相位图滤波处理中时,发现当选用指数型的调整函数,且参数在 D.2,0.3]范围内时,算法的滤波效果最好。直接使用小波皱缩去噪算法对干涉相 位图进行处理,效果并不明显,通过对一类小波皱缩去噪算法进行修改后,取得了非 常满意的效果。 在第五章中,主要研究了干涉相位图的相位展开问题。首先讨论分支阻断相位展 开法的原理以及基于Hungarian算法的具体实现,分析了不加权、加权和基于各向异 性扩散方程的最小二乘相位展开法。然后阐述了最小成本网络流相位展开法的基本原 理,针对最小成本网络流相位展开法对大数据块处理困难的问题,讨论了两种分块处 理的算法(启发式块合并法和最小成本网络流块合并法),并介绍了基于相位残差发 生概率来确定最小成本网络流权系数的方法。最后提出了一种结合边沿提取和贝叶斯 网推理的区域增长相位展开法,其计算量较小,与区域增长相位展开法的计算量相当, 而展开结果的质量很高,与最小成本网络流相位展开法的展开结果相当。 在第六章中,首先对DEM生成算法的发展进行了回顾;然后介绍了四种典型的实 用DEM生成算法:线性近似的DEM生成法、基于高度到相位逆变换的DEM生成法、基于 最小二乘基线调整的迭代DEM生成法和闭式解的迭代DEM生成法。其中线性近似的DEM 生成法,建立在第二章中干涉相位值与地形高度之间的近似关系之上,能够简单快速 的生成DEM,特别在机载 InSAR成像中,由于地表面可以看作是水平面,该算法是十分 有用的。 最后在本文的结束语中,对文中独创性的工作和重要的结论进行了总结,并指出 了本文研究工作的一些不足之处。


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