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干涉合成孔径雷达成像技术研究

作　者: 穆冬
导　师: 张焕春；朱兆达
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 干涉合成孔径雷达 SIR-C/X-SAR 雷达成像成像算法多普勒参数估计相位滤波图像配准相位展开数字高度地图图像处理鲁棒
分类号: TN957.52
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

干涉合成孔径雷达（InSAR）是在合成孔径雷达（SAR）基础上，雷达成像技术的新发展。InSAR继承了SAR的全天候、大范围、有一定穿透能力等优点，能生成对目标地面三维地貌的高精度成像、能对目标地面的慢速动目标和地壳微小移动做高精度检测。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。 InSAR的概念由L.C.Graham于1974年首次提出。由于其对雷达技术和成像数据要求很高，在此后的十余年中发展较迟缓。九十年代后各天载SAR系统得到的大量InSAR可用数据，使其成为雷达和遥感技术中最活跃的研究领域之一。目前，InSAR成像技术仍在高速发展中。本文研究的是InSAR数字高度地图技术中，雷达数据的成像处理问题。研究以SIR-C/X-SAR的X-SAR得出的双航过原始数据为对象，以最终实现数字高度地图为目标。研究的主要内容包括：成像的原理、完整的数据处理过程、和过程的各组成环节的理论和实现的具体方法。研究和掌握理论、给出切实有效可行的实现方法，是整个文章的重心。笔者重视对原理和概念的阐述，力求简单准确。在研究中笔者提出了一些新的观点和方法，文中包含了对这些内容的阐述。它们主要有： ①、将相位差与高度直接联系在一起的一种对InSAR成像原理的描述。 ②、对极限基线的新理解和极限基线表达式的简单推导方法。 ③、一种新的基于近距边斜距估计的SAR成像的聚焦方法。 ④、以点频回波为出发点的距离向预滤波的新解释。 ⑤、一种更适合于InSAR的相干性指标。 ⑥、一种改进的高精度亚像素配准方法。 ⑦、对二维干涉相位条纹的加权圆周期均值和鲁棒化加权降噪滤波。 ⑧、用二阶差分影响相位展开的一种非线性最小二乘二维相位展开方法。 ⑨、基于入射角差别的相位值与地面高度值之间关系的推导。文章的章节顺序基本上按照成像处理的过程安排。第一章首先说明了InSAR成像的本质，成像方式和成像的分类，成像与遥感的关系，优点和应用领域。然后对InSAR技术的历史和发展做了回顾，对InSAR技术的国内外现状进行了综述，并对发展的趋势做了估计。第二章研究的是InSAR成像的数学原理、影响质量的主要因素和数据处理的实现过程。首先给出了对InSAR成像数学原理的描述。包括最初的描述、被引用最多的描述和笔者提出的一种新描述。然后对基线和相干性这两个影响InSAR质量的最主要因素进行了说明。最后给出了数据处理的完整过程，扼要穆冬于涉合成孔径雷达成像技术研究2001．2 地说明了过程中各环节的目的和作用。第三章介绍了研究所用的真实原始数据和参数。包括SIRC／X－SAR项目的情况，我们所用的数据涉及的各种参数及说明，原始数据的格式等。第四章给出的是我们在对各航过原始数据，进行SAR单视成像中所考虑的问题和使用的方法。主要有成像算法的选择，多普勒参数估计，以及我们所采用的聚焦方法，完整的成像过程及组成环节。最后给出了真实数据的单视复数 SAR成像结果。第五章研究的是预滤波问题。首先指出了问题的成因，该问题对相于性的影响，以及预滤波的目的。然后从点频的回波人手，得出了入射角与预滤波参数之间的关系，讨论了基线对相干性的影响。最后分别给出了距离向和方位向预滤波的实现方法，用实验结果证明了预滤波的有效和必要。第六章研究的是图对的配准问题。首先说明了问题的来源、目的和意义、实现配准的困难所在，简述了象素配准方法，详细介绍了一种亚象素配准的方法。然后给出了我们对原方法的改进，并对比了改进前后的处理结果。最后，对比了真实数据下亚象素配准前后相干系数的变化。此外，我们将自己提出的一种新的更适用于d AR的相干性指标也在这一章做了阐述。第七章研究了两个问题。一是从复图对中得出反映高度的相差信号。其中要用到水乎地面的相差，因此要进行参数估计。文中详细说明了估计方法，给出了估计结果。二是对相差条纹的降噪滤波。文中首先说明了问题的来源和解决的困难所在。然后分别讨论了已有的圆周期均值和中值滤波法，进而给出了我们提出的加权圆周期均值和鲁棒加权滤波法。最后对比了各种方法的结果。论文第八章研究了二维相位的展开，榔高转换，和地面位置校正问题。首先给出了相位展开问题的来源，从一维相位展开问题入手，指出二维相位展开的困难所在。简述了对二维相位展开问题的多种解决方法，并对残点对消法和

全文目录

第一章绪论  10-23
  1．1 干涉合成孔径雷达概述  10-13
    1．1．1 引言  10
    1．1．2 InSAR成像的分类  10-12
    1．1．3 InSAR成像与遥感  12-13
    1．1．4 InSAR成像的应用  13
  1．2 干涉合成孔径雷达的发展历史  13-17
    1．2．1 InSAR理论的提出和早期发展  13-14
    1．2．2 八十年代的发展情况  14-15
    1．2．3 九十年代的发展情况  15-17
  1．3 干涉合成孔径雷达成像技术的现状和发展趋势  17-20
  1．4 本文的主要研究内容  20-23
第二章干涉合成孔径雷达成像的原理  23-36
  2．1 引言  23
  2．2 InSAR成像的数学原理  23-28
    2．2．1 L．C．Graham对成像原理的描述  23-26
    2．2．2 A．Currie和C．J．Baker等对成像原理的描述  26-27
    2．2．3 一种新的InSAR成像原理描述  27-28
  2．3 影响InSAR成像质量的主要因素  28-32
    2．3．1 极限基线  29-31
    2．3．2 图对之间的相干性  31-32
  2．4 InSAR成像数据处理的步骤  32-36
第三章 SIR-C/X-SAR、原始数据和参数介绍  36-41
  3．1 引言  36
  3．2 SIR-C/X-SAR介绍  36-37
  3．3 研究所用的数据  37-38
  3．4 X-SAR的成像参数  38-41
第四章单视复数SAR成像  41-57
  4．1 引言  41
  4．2 成像算法选择  41-45
    4．2．1 原理简介  41-44
    4．2．2 成像算法选择  44-45
  4．3 多普勒参数估计  45-52
    4．3．1 多普勒中心频率f_（dc）的估计  46-48
    4．3．2 多普勒频率变化率K_d的估计  48-50
    4．3．3 本研究所用的方位聚焦方法  50-52
  4．4 单视复数SAR成像的实现步骤和真实数据的成像结果  52-55
    4．4．1 成像的实现步骤  52
    4．4．2 真实数据的成像结果  52-55
  4．5 本章小结  55-57
第五章单视复数图的预滤波  57-67
  5．1 引言  57
  5．2 SAR距离向回波与目标地面特性之间的关系  57-60
  5．3 基线导致的相干性下降  60-61
  5．4 复图对的预滤波处理  61-65
    5．4．1 距离预滤波  61-63
    5．4．2 方位预滤波  63-64
    5．4．3 预滤波处理的实现  64-65
  5．5 真实数据的处理结果  65
  5．6 本章小结  65-67
第六章单视复数图对的配准  67-77
  6．1 引言  67-68
  6．2 象素配准  68-69
    6．2．1 位移矢量的求出  68
    6．2．2 实现步骤  68-69
  6．3 亚象素配准  69-71
    6．3．1 位移矢量的求出  69-70
    6．3．2 亚象素配准的实现  70-71
  6．4 改进的亚象素配准  71-74
    6．4．1 原有相干系数及其缺陷  71-72
    6．4．2 InSAR图对的相干性分析与新的相干系数  72-74
    6．4．3 一种新的亚象素配准方法  74
  6．5 真实数据的配准结果与讨论  74-75
  6．6 本章小结  75-77
第七章高度相差条纹的得出和降噪滤波  77-88
  7．1 引言  77
  7．2 高度相差条纹的得出  77-79
  7．3 相差条纹的降噪滤波  79-84
    7．3．1 相差条纹的特点  80-81
    7．3．2 圆周期均值滤波和圆周期中值滤波  81-82
    7．3．3 加权圆周期均值滤波和鲁棒加权圆周期滤波  82-84
  7．4 真实数据的处理结果  84-86
  7．5 本章小结  86-88
第八章二维相位展开、相位值到地面高度值的转换与地面位置校正  88-102
  8．1 引言  88
  8．2 二维相位展开问题  88-93
    8．2．1 从一维相位展开到二维相位展开  89-90
    8．2．2 一些二维相位展开方法  90-93
  8．3 改进的最小二乘二维相位展开法  93-96
    8．3．1 最小二乘二维相位展开法  93-95
    8．3．2 改进的最小二乘二维相位展开法  95-96
  8．4 相位值到地面高度值的变换  96-97
  8．5 地面位置校正  97-98
  8．6 真实数据的处理结果  98-100
  8．7 本章小结  100-102
结束语  102-104
附录一（2．17）式的推导  104-105
附录二（5．11）式的推导  105-107
附录三（8．18）式的推导  107-108
主要参考文献  108-112
攻读博士期间发表的论文  112-113
致谢  113

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