單-多基線相位解纏繞技術(shù)研究.pdf

1、相位解纏繞(Phase Unwrapping，PU)做為一種重要的圖像處理技術(shù)，在干涉合成孔徑雷達(dá)(Interferometry Synthetic Aperture Radar，InSAR)，核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)和光學(xué)干涉(Optical Interferometry)等干涉測量技術(shù)中都有著重要的應(yīng)用。本文在InSAR的背景下，結(jié)合工程應(yīng)用中存在的一些核心問題，針對相位解纏繞技術(shù)

2、展開研究。
　　 本文總體上可以分為兩大部分：第一部分主要研究了單基線相位解纏繞的相關(guān)技術(shù)，這部分首先對單基線相位解纏繞的基本概念進(jìn)行了介紹，然后針對單基線相位解纏繞現(xiàn)存的一些技術(shù)問題，提出了相應(yīng)的解決策略。單基線相位解纏繞在近幾十年中有了長足的發(fā)展，但是單基線相位解纏繞技術(shù)對于復(fù)雜地區(qū)內(nèi)絕對相位的恢復(fù)(例如：山谷，陡峭山脈等地形)存在著一定的“天然缺陷”。針對單基線相位解纏繞技術(shù)存在的不足之處，本文第二部分主要對多基線相位解纏

3、繞技術(shù)展開了研究。這部分首先分析了多基線相位解纏繞技術(shù)的基本原理，然后在此基礎(chǔ)之上提出了多基線相位解纏繞技術(shù)的一系列算法。
　　 本文的主要工作概括如下：
　　 1、提出了一種基于離群點(diǎn)檢測技術(shù)的單基線相位解纏繞方法。L0-norm相位解纏繞方法是目前人們比較公認(rèn)的一種在統(tǒng)計(jì)意義下最優(yōu)的相位解纏繞算法，其解纏繞結(jié)果也是人們在實(shí)際工程中最想獲得的。遺憾的是，Chen和Zebker證明了L0-norm是一個(gè)NP-hard問題

4、，也就是說其最優(yōu)解無法山現(xiàn)有的知識在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)獲得。為了有效的解決這個(gè)問題，本文提出了一種基于離群點(diǎn)檢測技術(shù)的單基線相位解纏繞算法。此方法首先將相位解纏繞問題抽象為一個(gè)超定方程組的求解問題，然后把方程組內(nèi)對應(yīng)于L0-norm枝切線的方程視為離群點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)挖掘中基于密度信息的離群點(diǎn)檢測技術(shù)將這類方程剔除后再進(jìn)行方程求解以獲得L0-norm的近似解纏繞結(jié)果。與其他近似方法不同的是，本文提出的這種方法不是直接獲取L0-norm枝切線的近似

5、，而是獲取L0-norm枝切線的母集，也就是說，其可以避免直接求解上述NP-hard問題來獲得L0-norm的解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。
　　 2、提出了兩種基于殘點(diǎn)聚類的纏繞相位圖分塊策略。到目前為止已經(jīng)有很多著名的相位解纏繞算法被提出。這些算法在不同的方面有著各自的優(yōu)勢，例如：解纏繞結(jié)果的精度或者算法的執(zhí)行速度。但是，絕大多數(shù)的算法在設(shè)計(jì)時(shí)并沒有考慮到計(jì)算機(jī)內(nèi)存對算法性能的限制。而隨著InSAR技術(shù)的發(fā)展，待處理的纏

6、繞相位圖的規(guī)模也越來越大。當(dāng)出現(xiàn)由于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的限制導(dǎo)致的纏繞相位圖不能一次性整體處理的情況時(shí)，分塊求解的策略將不得不被采用。在這種情況下，局部相位解纏繞結(jié)果和全局整體處理時(shí)的相位解纏繞結(jié)果是否一致就成為了相位解纏繞技術(shù)的新挑戰(zhàn)。本文根據(jù)殘點(diǎn)聚類的思想，首先提出了一種近似保證L0-norm相位解纏繞算法局部解和全局解一致性的分塊策略來輔助L0-norm相位解纏繞算法進(jìn)行大規(guī)模相位解纏繞。然后，本文在上述分塊策略的基礎(chǔ)上提出了另一種輔助L

7、1-norm相位解纏繞算法進(jìn)行大規(guī)模相位解纏繞的分塊策略。此分塊策略可以嚴(yán)格保證L1-norm的局部解纏繞結(jié)果和全局解纏繞結(jié)果的一致性。理論證明和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明這兩種纏繞相位圖分塊策略的有效性。
　　 3、提出了一種基于L1-norm的多基線相位解纏繞算法。單基線相位解纏繞屬于數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的逆問題，逆問題的最大特點(diǎn)是其解不具有唯一性。為了使得單基線相位解纏繞具有唯一解，相位解纏繞的工作者們提出了相位連續(xù)性假設(shè)來保證其解具有唯一性。

8、從本質(zhì)上說，這個(gè)假設(shè)是要求InsAR系統(tǒng)進(jìn)行測繪的地區(qū)具有空間連續(xù)性。但是，并不是所有的實(shí)際場景都服從這個(gè)假設(shè)，例如山谷、陡峭山脈以及懸崖等地形通常就難以保證地形高度的連續(xù)性。為了解決單基線相位解纏繞技術(shù)的不足，人們提出了多基線相位解纏繞技術(shù)。本文通過借助傳統(tǒng)單基線L1-norm相位解纏繞方法，同時(shí)結(jié)合不同長度的基線獲得的多幅纏繞相位圖之間的關(guān)系，提出了一種基于L1-norm的多基線相位解纏繞方法。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，該算法具有較高的解

9、纏繞精度，可以適用于復(fù)雜地形的測繪。
　　 4、提出了一種基于聚類分析的多基線相位解纏繞算法。多基線相位解纏繞技術(shù)可以擺脫相位連續(xù)性假設(shè)的限制，但是其卻存在著噪聲魯棒性差的缺點(diǎn)，并且由于多基線相位解纏繞是同時(shí)處理多幅纏繞相位圖，因此多基線相位解纏繞在運(yùn)算效率和內(nèi)存使用上都存在著一定的壓力。本文首先對多幅纏繞相位圖的聯(lián)合信息進(jìn)行研究，然后在此基礎(chǔ)上提出了一種基于聚類分析的高效多基線相位解纏繞算法。該方法首先將具有相同模糊數(shù)向量的像