高分辨星載SAR干涉-極化處理關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、對(duì)星載合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理可實(shí)現(xiàn)地面場(chǎng)景的高程測(cè)量和海洋、洋流運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)等；對(duì)星載SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行極化處理可應(yīng)用于地物分類、植被高度和土壤濕度測(cè)量等。目前，高分辨率是星載SAR系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，然而高分辨率SAR數(shù)據(jù)處理面臨數(shù)據(jù)量劇增、傳統(tǒng)算法性能下降等問(wèn)題。
　　本文旨在提高星載高分辨率SAR數(shù)據(jù)干涉和極化處理的效率和精度，主要開(kāi)展了以下研究工作：
　

2、?。?）國(guó)內(nèi)外研究總結(jié)與重要概念闡述
　　總結(jié)了國(guó)內(nèi)外星載SAR系統(tǒng)近年來(lái)的發(fā)展、高分辨率SAR干涉和極化處理的研究現(xiàn)狀。介紹了SAR干涉和極化處理基本原理并闡述了幾個(gè)重要的概念：零多普勒成像、模糊高度、相干系數(shù)、電磁波極化、散射矩陣、極化協(xié)方差矩陣和相干矩陣等。
　?。?）高分辨率SAR復(fù)圖像的精確配準(zhǔn)技術(shù)
　　針對(duì)高分辨SAR復(fù)圖像配準(zhǔn)存在的困難，主要開(kāi)展了以下研究工作：
　　?分別介紹了傳統(tǒng)基于雷達(dá)幾何和復(fù)

3、圖像相關(guān)/相干的配準(zhǔn)方法。雷達(dá)幾何法的
　　二維偏移量估計(jì)誤差隨地形變化可以忽略，隨方位和斜距的變化可用多項(xiàng)式模型表示；復(fù)圖像相關(guān)/相干法的偏移量估計(jì)精度嚴(yán)重依賴于數(shù)據(jù)質(zhì)量，圖像對(duì)相關(guān)/相干性較高時(shí)，可達(dá)到很高的配準(zhǔn)精度。提出一種聯(lián)合雷達(dá)幾何法和復(fù)圖像相干法的SAR復(fù)圖像配準(zhǔn)技術(shù)，利用復(fù)圖像相干法估計(jì)格網(wǎng)點(diǎn)的偏移量，選擇相干性較高的格網(wǎng)點(diǎn)對(duì)雷達(dá)幾何法的偏移量誤差進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和校正，提高偏移量估計(jì)精度。
　　?提出一種基于遞

4、推公式的星載 SAR高效定位算法，并將該方法應(yīng)用于 SAR圖像幾何配準(zhǔn)中以提高處理效率。通過(guò)建立二維格網(wǎng)，SAR圖像像素被劃分為格網(wǎng)像素和非格網(wǎng)像素。該方法利用3組遞推公式計(jì)算非格網(wǎng)像素與相鄰格網(wǎng)像素之間的三維位置增量，將位置增量和格網(wǎng)像素位置相加即可得到非格網(wǎng)像素位置。對(duì)于SAR圖像幾何配準(zhǔn)，非格網(wǎng)像素的二維偏移量可表示為格網(wǎng)像素偏移量與偏移增量之和，偏移增量同樣利用這3組遞推公式計(jì)算得到。
　?。?）高分辨率干涉相位圖的高精度

5、濾波方法
　　干涉相位濾波的精度將影響生成數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）或目標(biāo)運(yùn)動(dòng)測(cè)量的精度，是干涉 SAR（Interferometric SAR，InSAR）處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為提高干涉濾波的精度，本文開(kāi)展了以下研究工作：
　　?分析了干涉相位濾波的要求及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，給出一種基于快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）估計(jì)干涉條紋頻率的方法，估計(jì)干

6、涉條紋頻率可用于補(bǔ)償?shù)匦蜗辔惶荻?，提高濾波窗口中樣本的一致性；提出一種基于相干系數(shù)加權(quán)的最優(yōu)干涉相位濾波方法，經(jīng)過(guò)證明，最小方差意義下的最優(yōu)權(quán)值為噪聲方差的倒數(shù)，給出了通過(guò)相干系數(shù)估計(jì)最優(yōu)權(quán)值的方法。
　　?高分辨率干涉相位圖在森林、城市等區(qū)域呈現(xiàn)出高度的非均勻性，局部平穩(wěn)性假設(shè)不再滿足，導(dǎo)致傳統(tǒng)濾波方法難以選擇大量獨(dú)立同分布樣本。提出精改的非鄰域?yàn)V波算法，該方法利用歸一化概率密度函數(shù)測(cè)量待濾波像素與其他像素的相似性，選擇與待濾波

7、像素一致的像素參與濾波過(guò)程，提高了干涉相位濾波的精度。
　?。?）垂直航向InSAR高效DEM生成及沿航向InSAR海冰運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)
　　SAR干涉包括垂直航向干涉和沿航向干涉，可分別應(yīng)用于場(chǎng)景高程測(cè)量和海冰運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。針對(duì)InSAR的這兩個(gè)方向，本文開(kāi)展了以下研究工作：
　　?利用InSAR定位方程組閉式解或迭代獲取目標(biāo)位置的運(yùn)算量較大，因此研究高效高精度的DEM生成對(duì)于垂直航向InSAR的工程應(yīng)用具有重要意義。這里將前面

8、所述的遞推思想應(yīng)用到DEM生成中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在精度損失可以忽略的情況下，有效提高了單基/分布式InSAR定位的效率。
　　?海冰運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)海洋管理、艦船導(dǎo)航意義重大。對(duì)于混合基線InSAR數(shù)據(jù)，干涉相位由垂直航向和沿航向分量組成，對(duì)于海冰運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，要求提取出海冰干涉相位中的沿航向分量。本文提出了基于先驗(yàn)DEM輔助和SAR定位提取出海岸線的方法，在去除平地相位后，利用海岸線的相位作為海冰相位中的垂直航向成分。TanDEM-X遼東

9、半島數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗(yàn)證了沿航向InSAR監(jiān)測(cè)海冰的有效性。
　?。?）極化協(xié)方差矩陣的高精度估計(jì)技術(shù)
　　本文提出一種高精度的多準(zhǔn)則聯(lián)合極化協(xié)方差矩陣估計(jì)方法，該方法聯(lián)合強(qiáng)點(diǎn)保持準(zhǔn)則、極化散射特性保持準(zhǔn)則、后向散射強(qiáng)度保持準(zhǔn)則，并根據(jù)預(yù)設(shè)門(mén)限剔除與中心像素不一致的像素，提高了估計(jì)精度。L和X波段實(shí)測(cè)全極化SAR數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法可有效降低相干斑噪聲并且有效保持強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)的散射特性，與精改Lee極化濾波方法相比，該方法