高分辨星載SAR干涉-極化處理關鍵技術研究.pdf

1、對星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）數(shù)據(jù)進行干涉處理可實現(xiàn)地面場景的高程測量和海洋、洋流運動的監(jiān)測等；對星載SAR數(shù)據(jù)進行極化處理可應用于地物分類、植被高度和土壤濕度測量等。目前，高分辨率是星載SAR系統(tǒng)的一個重要發(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，主要開展了以下研究工作：
　

2、?。?）國內外研究總結與重要概念闡述
　　總結了國內外星載SAR系統(tǒng)近年來的發(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。
　　（2）高分辨率SAR復圖像的精確配準技術
　　針對高分辨SAR復圖像配準存在的困難，主要開展了以下研究工作：
　　?分別介紹了傳統(tǒng)基于雷達幾何和復

3、圖像相關/相干的配準方法。雷達幾何法的
　　二維偏移量估計誤差隨地形變化可以忽略，隨方位和斜距的變化可用多項式模型表示；復圖像相關/相干法的偏移量估計精度嚴重依賴于數(shù)據(jù)質量，圖像對相關/相干性較高時，可達到很高的配準精度。提出一種聯(lián)合雷達幾何法和復圖像相干法的SAR復圖像配準技術，利用復圖像相干法估計格網(wǎng)點的偏移量，選擇相干性較高的格網(wǎng)點對雷達幾何法的偏移量誤差進行多項式擬合和校正，提高偏移量估計精度。
　　?提出一種基于遞

4、推公式的星載 SAR高效定位算法，并將該方法應用于 SAR圖像幾何配準中以提高處理效率。通過建立二維格網(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。對于SAR圖像幾何配準，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組遞推公式計算得到。
　　（3）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）或目標運動測量的精度，是干涉 SAR（Interferometric SAR，InSAR）處理的關鍵環(huán)節(jié)之一。為提高干涉濾波的精度，本文開展了以下研究工作：
　　?分析了干涉相位濾波的要求及性能評價指標，給出一種基于快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）估計干涉條紋頻率的方法，估計干

6、涉條紋頻率可用于補償?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)加權的最優(yōu)干涉相位濾波方法，經(jīng)過證明，最小方差意義下的最優(yōu)權值為噪聲方差的倒數(shù)，給出了通過相干系數(shù)估計最優(yōu)權值的方法。
　　?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)性假設不再滿足，導致傳統(tǒng)濾波方法難以選擇大量獨立同分布樣本。提出精改的非鄰域濾波算法，該方法利用歸一化概率密度函數(shù)測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海冰運動監(jiān)測
　　SAR干涉包括垂直航向干涉和沿航向干涉，可分別應用于場景高程測量和海冰運動監(jiān)測。針對InSAR的這兩個方向，本文開展了以下研究工作：
　　?利用InSAR定位方程組閉式解或迭代獲取目標位置的運算量較大，因此研究高效高精度的DEM生成對于垂直航向InSAR的工程應用具有重要意義。這里將前面

8、所述的遞推思想應用到DEM生成中，實驗結果表明：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。
　　?海冰運動監(jiān)測對海洋管理、艦船導航意義重大。對于混合基線InSAR數(shù)據(jù)，干涉相位由垂直航向和沿航向分量組成，對于海冰運動監(jiān)測，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)的處理結果驗證了沿航向InSAR監(jiān)測海冰的有效性。
　?。?）極化協(xié)方差矩陣的高精度估計技術
　　本文提出一種高精度的多準則聯(lián)合極化協(xié)方差矩陣估計方法，該方法聯(lián)合強點保持準則、極化散射特性保持準則、后向散射強度保持準則，并根據(jù)預設門限剔除與中心像素不一致的像素，提高了估計精度。L和X波段實測全極化SAR數(shù)據(jù)的實驗結果表明：本文方法可有效降低相干斑噪聲并且有效保持強點目標的散射特性，與精改Lee極化濾波方法相比，該方法