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干涉合成孔径雷达信号处理若干关键问题研究

李海  
【摘要】: 干涉合成孔径雷达(InSAR)是在合成孔径雷达(SAR)的基础上,雷达成像技术的新发展。传统的SAR是根据脉冲压缩和合成孔径技术实现距离向和方位向的高分辨,获得观测地面的二维信息。而干涉合成孔径雷达在SAR基础之上,通过在不同轨道或不同时间对同一地区进行多次观测来获得多幅SAR图像,再根据干涉成像几何关系和SAR图像对应像素点之间的绝对相位差所反映的距离差来重建地形高度图或地表形变图。因其在军事、国民经济建设和科学研究中,有着极其广泛的应用领域,对InSAR技术的研究,在国内外受到高度重视。 在传统的InSAR处理流程中, SAR图像配准、干涉相位噪声滤波和相位展开(即估计绝对干涉相位),这三大关键步骤是级联进行的,如果前一级的处理导致信息损失,后面的处理就无法再把损失掉的信息恢复回来。例如,如果图像配准误差较大而导致干涉信息损失,相位噪声滤波和相位解缠绕等处理再也无法恢复出损失掉的干涉信息,从而导致恢复出来的数字高程图信息损失、精度降低。本论文针对此问题,对存在配准误差时的干涉相位估计方法和相位展开等关键技术进行了重点研究。具体工作概括如下: 1.提出一种基于真实导向矢量模型的干涉相位估计方法,由于利用存在配准误差时的真实导向矢量,因此能够在存在配准误差的情况下获得准确的干涉相位估计结果。基本思想如下:首先,对SAR图像进行粗配准,进而确定存在配准误差时的真实导向矢量,用基于此导向矢量的波束形成和最优波束形成来估计干涉相位,波束形成的输出功率最大值所对应的干涉相位即为估计结果。对于一对未精确配准的SAR图像,通过本方法的处理,相当于将这对图像自适应精确配准,从而得到精确的干涉相位图。同时给出计算干涉相位的快速算法,由于在快速算法中给出了计算干涉相位的闭式解,避免了搜索运算,大大降低了运算量。该方法的有效性利用仿真和实测数据进行了验证。 2.提出一种基于MMSE(minimum mean square error)准则的干涉相位估计方法,该方法首先给出了存在配准误差时的相关矢量的具体形式,进而推导出基于MMSE准则(包含相关矢量)的代价函数,用此代价函数来估计干涉相位,因此可以在SAR图像配准精度较差的情况下得到准确的干涉相位估计结果,具有自适应图像配准和降噪滤波的功能。该方法基本思想如下:首先,对SAR图像进行粗配准,计算相关矢量,进而构造基于MMSE准则的代价函数,用包含干涉相位的代价函数进行干涉相位估计,代价函数取得最小值所对应的干涉相位即为估计结果。并且给出计算干涉相位的快速算法,由于在快速算法中给出了计算干涉相位的闭式解,避免了搜索运算,大大降低了运算量。仿真和实测数据的处理结果证明了该方法的有效性。 3.提出一种基于相关系数加权观测矢量的多基线相位解缠方法(本方法不需要确定噪声子空间维数)。该方法采用联合单像素模型,构造相关系数加权观测矢量,使得观测矢量中其它元素(非参考元素)与参考元素的相关系数几乎不受配准误差的影响(即在存在配准误差的情况下,能够大大提高观测矢量中其它元素(非参考元素)与参考元素的相关系数),能够同时完成图像配准、干涉相位噪声滤波和相位解缠,因此能在SAR图像配准精度较差的情况下得到准确的相位解缠结果。


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