干涉合成孔径雷达条纹图处理技术研究

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星载干涉合成孔径雷达(Interferometric SAR或者SAR Interferometry, InSAR)技术是一项综合了合成孔径雷达(Synthetic aperture radar, SAR)成像原理和干涉测量原理的遥感技术。它能够全天时、全天候获取大面积的高精度数字高程模型及其它增值产品,已被广泛应用于地形测绘、环境监测、地质勘探、水文观测以及军事侦察等领域。本文针对星载InSAR数据处理技术中的复图像配准、干涉相位图滤波、相位解缠以及差分干涉等几个关键问题展开了深入研究,提出了一些更为有效的方法,有望提高我国InSAR数据处理的性能。论文主要工作及创新点如下:(1)研究了InSAR复图像配准问题。介绍了复图像配准的一般步骤,指出了最小二乘配准方法存在的问题,提出了全局最优化的InSAR复图像配准模型,并引入随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法对此模型进行求解。该算法采用并行随机扰动对配准性能评价函数的梯度进行估计,通过迭代使得性能评价函数收敛于全局极值,达到最终精确配准的目的。实验结果表明,相对于传统的最小二乘拟合配准算法,该方法大大降低了低相干点对最终配准精度的影响,并具有精度高和易于操作等优点。为解决大幅图像的配准问题,提出了基于SPGD算法的复图像分块配准方法,进一步提高了配准精度。(2)研究了基于条纹方向的InSAR相位滤波方法。在介绍了条纹方向和条纹密度的定义和求取方法基础上,结合InSAR条纹图的特点,提出了同时求取条纹方向和密度的累积梯度法,进而提出了InSAR相位图方向自适应滤波(Directionallyadaptive filter, DAF)方法。梯度累积法从相位分布各向异性的本质出发,针对InSAR相位图存在2π相位跳变的情形,能够给出精度较高且鲁棒性很好的方向和密度估计结果,在此基础上的方向自适应滤波算法利用了条纹方向和密度信息,滤波窗口沿条纹切线选取,且窗口尺寸随条纹密度自适应变化。模拟和实测数据实验结果表明:DAF在更好地滤除噪声的同时,更好地保持了相位信息。(3)研究了InSAR相位解缠算法。介绍了传统的相位解缠方法,并给出了实验结果对比和分析。提出了基于等值线窗口的相位解缠方法,该方法在传统的质量引导法的基础上,利用条纹方向建立等值线窗口,使解缠在等值线窗口内进行。该方法把解缠误差限制在等值线窗口内,提高了解缠可靠性。(4)研究了InSAR另一个重要应用——差分干涉测量。介绍了差分干涉测量的原理和其数据处理的基本步骤。针对差分干涉测量数据去相干较为严重的问题,发展了课题组原有的等值线相关干涉法(Contoured Correlation Interferometry, CCI)并将之应用于差分干涉数据处理中。玛尼地震地区的实测数据差分干涉实验结果表明:CCI方法改善了差分干涉相位质量,有望提高最终的形变探测精度。
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