阵列干涉SAR三维重建信号处理技术研究

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干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Apture Radar, InSAR)技术利用高相参的干涉相位获取场景高度信息,具有大面积生成地面高度模型(DigitalElevation Model,DEM)的能力,近年来获得了广泛的应用,然而干涉SAR不具有高度向分辨能力,不能实现叠掩等地形困难区域的三维重建,在山区和城市测绘中应用受限。阵列干涉SAR(Linear Array Interferometric SAR or Linear ArraySAR Interferometry)通过在交轨向依次增加多个天线,形成阵列天线结构,具有高度向分辨能力,同时提高多通道之间的相参性,保证系统相干测量精度。该系统融合了多通道的分辨能力和相干测量的高精度两项优势,可以实现叠掩等复杂场景的三维重建,弥补了常规InSAR技术的缺陷,拓展了SAR测绘技术的应用范围。  本论文立足于地形测绘,围绕阵列干涉SAR三维重建开展研究,一方面分析阵列干涉SAR系统性能指标,为系统设计提供理论基础,另一方面研究阵列干涉SAR三维重建信号处理技术,形成完善的高精度三维重建信号处理流程,为系统提供信号处理支持,并验证阵列干涉SAR系统的三维重建能力。本论文研究的主要贡献如下:  1、针对阵列干涉SAR不同于常规SAR系统的性能指标进行分析,主要分析了阵列干涉SAR三维分辨率、三维重建精度和不模糊重建高程等指标,分析了典型自然叠掩场景三维重建对阵列干涉SAR系统的基本要求,包括基线数量、基线长度和通道相干性等,并对难以进行理论分析的分布式场景进行了仿真分析,得出了有意义的结论;阵列干涉SAR指标分析为系统设计提供了理论基础,同时为系统指标评估提供了相应参照,对阵列干涉SAR技术发展和项目工作具有重要意义。  2、针对阵列干涉SAR基于POS数据的运动补偿问题进行了研究,分析了运动补偿中由于参考高度失配引入的散焦、距离徙动和扭曲问题,推导了高度失配引入的残余运动误差,并给出了一种基于FFT快速实现的一致残余运动补偿方法,解决了阵列干涉SAR多通道之间图像失配问题,为三维重建提供了相干数据保证。  3、针对常规三维重建方法重建精度差、漏检严重的问题,提出了一种基于地形驻点分割的高相参三维重建方法,首先通过层析成像获得场景散射三维分布,然后通过地形驻点分割实现叠掩区域的分辨,最后通过高相参干涉信号处理实现场景三维重建,方法融合了阵列干涉SAR的高度向分辨能力和相干信号处理的高精度,提高了三维重建精度并一定程度上克服了漏检问题,能够获得场景更精确的几何信息和更完善的纹理信息。  4、针对阵列干涉SAR基线数量少、基线长度短,测绘信息量不足的问题,提出了一种基于目标模型的三维重建方法,利用其它传感器信息或场景先验信息建立目标模型,然后通过模型求解实现场景三维重建,该方法结合了阵列干涉SAR测绘信息和其它信息共同实现三维重建,增加了三维重建有效信息量,能够获得更为精确和稳定的三维重建结果。  5、综合相关处理步骤形成完整的阵列干涉SAR三维重建信号处理流程,利用机载阵列干涉SAR数据进行三维重建,重建结果清晰显示了叠掩楼体三维构型和纹理信息,验证了阵列干涉SAR三维重建性能指标,文中给出了阵列干涉SAR三维重建纹理贴片结果,从新的角度诠释了阵列干涉SAR的三维测绘能力,对阵列干涉SAR技术发展具有重大意义。
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