星载干涉合成孔径雷达信号处理研究

【摘要】： 星载干涉合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar Interferometry，INSAR)综合了合成孔径雷达(SAR)成像原理和干涉测量技术，利用传感器的系统参数、姿态参数和轨道之间的几何关系等精确测量地表某一点的三维空间位置。星载INSAR是近年来合成孔径雷达(SAR)领域中研究的热点之一，目前，高效、精确的星载INSAR数据处理和仿真研究依然是该领域所面临的主要问题。本文一方面力图深入研究并改进星载INSAR信号处理过程的核心技术，提高处理效率，减小处理误差，使之更加实用化；另一方面，通过深入研究星载INSAR仿真技术，进一步加深对干涉SAR成像技术的实质理解。 本文首先对星载SAR成像的基本原理和算法，星载INSAR成像几何模型进行了阐述和分析，其次结合实际的星载INSAR数据(ERS1／2数据)和仿真的星载干涉SAR数据，对星载INSAR信号处理过程的图像配准、相位展开等处理流程进行了深入研究和实验验证。并基于多种算法，提出了改进的方法，提高了星载INSAR的处理效率。最后对编队小卫星的基线设计和测高精度分配进行了研究，根据ERS-1／2参数，提出了实际的基线设计和测高精度分配方法。 本文系统地研究了星载INSAR信号处理的相关内容，主要的工作和创新总结如下： (1)系统地研究了星载SAR的多种成像算法，对距离—多普勒算法、Chirp Scaling和ω-k算法分别进行了详细讨论和分析，通过点目标和实际ERS-1／2数据成像，比较了它们的优缺点。对ERS-1／ERS-2进行实际数据成像，得到了分辨率为25m×25m的罗马和格陵兰岛的星载图像。 (2)根据星载INSAR几何关系，得到了一种星载INSAR数学几何模型投影近似模型，该几何模型真实反映了INSAR地理模型和回波信号特性，基于该模型，较深入地分析了星载INSAR系统的相位信息以及系统的相关性。 (3)围绕星载INSAR数据处理各关键步骤展开深入的分析研究。首先，简要回顾三种典型的干涉SAR图像配准算法，根据现有算法在图像数据量较大的情况下配准效率不高的现状，本文改进了现有的配准算法，提出了分级配准方法，该方法采用分级处理的思想，自上而下并行处理，提高了粗配准阶段的精度和配准处理速度；其次，相位展开是INSAR处理中一个非常重要的环节，影响了最终高程的实现，本文讨论了目前的多种相位展开算法，针对网络流相位展开算法进行了改进，提出了一种并行网络流相位展开方法，该方法有效地提高了相位展开效率，适用于数据量较大的图像。通过对实际的ERS-1／2罗马和格陵兰岛数据进行配准和相位展开，验证了本章提出的HR和PNF方法；最后，依据展开相位反演出实际的绝对数字高程图。 (4)对星载INSAR自然场景目标仿真方法进行了深入分析，采用Kirchhoff近似理论和Franceschetti的地面场景仿真模型，实现了根据小平面单元与星载SAR之间的几何关系计算小平面单元后向散射系数的算法，实现了星载分布目标原始数据的模拟方法，以及卫星轨道的仿真方法。根据ERS-1／2的轨道参数和DEM进行原始信号级的仿真，成功地仿真了地面三维几何体分布目标的星载SAR图像，通过干涉处理，成功地得到了干涉图对和干涉条纹图，验证了本章的星载INSAR自然场景分布目标的仿真方法。实验证明，该方法的确能够正确、有效模拟干涉SAR成像固有的基线去相关效应。 (5)编队小卫星干涉是星载INSAR的发展方向，本文对现有的编队小卫星系统进行了总结，详细介绍目前较具代表性的研究方案并深入分析，提出了一种编队小卫星基线设计方法，采用双星编队方式实现了该基线设计方法，并对测高精度进行了分析，给出了测高精度的分配方法。