电子散斑与合成孔径雷达干涉测量中的等值线相关干涉法

论文摘要

电子散斑干涉测量技术(Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI)和合成孔径雷达干涉测量技术(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)是非常相似又互相区别的两种技术。ESPI是一种对光学粗糙表面进行无损全场测量的技术,被广泛地应用于振动、位移、应变和医学诊断等各方面的测量中。InSAR是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源获取地表的三维信息和变化信息的一项技术。它们都以干涉条纹为主要研究对象,并且通过对干涉条纹图的处理获取最后要测量的物理量。但无论是ESPI还是InSAR,其干涉条纹图中都存在比较严重的散斑噪声和去相关噪声,给它们的应用带来了很大的困难。本文分别对ESPI及InSAR干涉条纹图处理技术进行了深入研究,提出了系列等值线相关干涉(Contoured Correlation Interferometry,CCI)方法。创新点主要有以下四点:(1)提出了ESPI干涉条纹图的CCI生成方法。针对已有条纹图生成方法的主要弱点—乘性噪声严重,本文在大量实验及理论分析的基础上,提出了ESPI干涉条纹图的CCI生成方法。由于选取了最优的条纹等值线窗口,能生成高质量的干涉条纹图,几乎不含有任何散斑噪声。(2)提出了基于CCI条纹图的ESPI相位提取方法。利用CCI条纹图两个突出优点:不含有乘性散斑噪声和条纹正则性好,提出基于CCI条纹图的相位提取方法,包括条纹中心线法、从单幅条纹图提取相位场的方法、单步相移提取相位场的方法。(3)提出了三幅子图(Three Parts)的InSAR复图像对配准方法。该方法只需从复图像对的四个实虚部数据(四幅子图)里任取三个(三幅子图)就可以完成整个配准过程。由于精配准过程的相关运算窗口为条纹等值线窗口,配准精度亦得到了提高。(4)提出了InSAR干涉相位图的CCI生成方法。针对现有共轭相乘方法存在的缺陷,提出InSAR干涉相位图的CCI生成方法。该方法只需从复图像对的四个实虚部数据里任取三个就可以生成高质量的干涉条纹图。以上(3)和(4)一起构成了完整的三幅子图的InSAR数据处理方法,为InSAR干涉相位图处理提供了一种全新的途径。其主要优点有两个:①只用到InSAR复图像对四个实虚部中的任意三个。若SAR成像过程在星上完成,则只需要将3/4的数据传回地面,即可以实现InSAR后续数据处理过程,从而大量节约传输时间并减少对带宽的占用。②由于运算窗口为条纹等值线窗口,配准精度比原方法有提高,配准后复图像对的相干性增强。生成干涉相位图中的去相关噪声得到了有效的抑制,并且尽可能保持相位信息不受损害。这些都为下一步的相位解缠及数字高程的高精度提取创造了有利的条件。除了以上四个比较重要的创新点,本文的主要工作还体现在以下两个方面:(1)对条纹方向图的求取方法进行了深入的分析,详细介绍了本文中使用的两种条纹方向图的求取方法,对这两种方法的处理精度用模拟条纹做了精度分析与对比,为InSAR及ESPI条纹方向求取及计算窗口尺寸的选择提供了重要依据。(2)ESPI相位主值图滤波是相位解缠前必须进行的重要工作。中值滤波及均值滤波不宜直接用于相位主值图的去噪处理,它们会严重损害主值图的跳变信息。本文针对ESPI相位主值图解缠面临的主要困难,提出了将条纹等值线滤波方法与sine/cosine滤波方法相结合应用于ESPI相位主值图降噪处理的方法,取得了比较理想的滤波结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 电子散斑干涉测量技术
• 1.1.2 合成孔径雷达干涉测量技术
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 国内外研究进展
• 1.2.2 InSAR 研究面临的困难
• 1.3 本文的主要内容和创新点
• 1.3.1 本文的主要内容
• 1.3.2 本文的主要创新点
• 第二章 电子散斑与合成孔径雷达干涉测量的原理
• 2.1 引言
• 2.2 电子散斑干涉测量技术的基本原理
• 2.2.1 散斑干涉测量的信息记录方法
• 2.2.2 散斑干涉条纹图的生成方法
• 2.2.3 ESPI 相位测量方法
• 2.3 InSAR 干涉测量的基本原理
• 2.3.1 InSAR 干涉测量的几种模式
• 2.3.2 InSAR 干涉测量的几何原理
• 2.3.3 InSAR 干涉测量的数据处理过程
• 2.4 小结
• 第三章 条纹方向图及条纹等值线的提取方法
• 3.1 引言
• 3.2 条纹方向图的定义
• 3.2.1 ESPI 条纹方向的定义
• 3.2.2 InSAR 干涉条纹方向的定义
• 3.3 求取条纹方向图的两种方法
• 3.3.1 梯度方法
• 3.3.2 平面拟合方法
• 3.3.3 InSAR 方向图误差分析
• 3.3.4 正余弦滤波方法
• 3.3.5 窗口大小对求取条纹方向的影响分析
• 3.4 确定条纹等值线窗口
• 3.5 小结
• 第四章 生成ESPI 干涉条纹图的等值线相关干涉法
• 4.1 引言
• 4.2 散斑图像的统计特性
• 4.2.1 复平面内的无规移动
• 4.2.2 复振幅统计
• 4.2.3 强度与相位统计
• 4.3 生成ESPI 干涉条纹图的等值线相关干涉法
• 4.3.1 ESPI 条纹图的滤波方法
• 4.3.2 相关模式生成干涉条纹图
• 4.3.3 散斑干涉条纹图的CCI 生成方法
• 4.3.4 相关模式的两种新的公式推导方法
• 4.4 小结
• 第五章 基于等值线相关干涉条纹图的相位提取方法
• 5.1 引言
• 5.2 基于CCI 条纹图的中心线提取方法
• 5.3 基于单幅CCI 条纹图的相位提取方法
• 5.4 由CCI 条纹图单步相移提取相位场
• 5.4.1 基本原理
• 5.4.2 模拟与真实图像实验结果
• 5.5 ESPI 相位主值图的条纹等值线正余弦滤波方法
• 5.5.1 FCW-SCF 基本原理
• 5.5.2 FCW-SCF 应用于ESPI 相位主值图降噪的基本步骤
• 5.5.3 实验结果
• 5.6 小结
• 第六章 InSAR 复图像对的三幅子图配准方法
• 6.1 引言
• 6.2 复图像对配准的一般步骤
• 6.2.1 基于轨道参数的粗配准方法
• 6.2.2 InSAR 复图像对配准的步骤
• 6.3 配准质量评价方法
• 6.3.1 相干系数
• 6.3.2 残余点
• 6.4 三幅子图的配准方法
• 6.4.1 公式推导
• 6.4.2 InSAR 三幅子图配准方法的基本步骤
• 6.5 实验结果与分析
• 6.5.1 实验数据描述
• 6.5.2 实验结果及分析
• 6.6 小结
• 第七章 生成InSAR 干涉相位图的等值线相关干涉法
• 7.1 引言
• 7.2 算法的公式推导
• 7.3 算法的主要步骤
• 7.4 实验结果及分析
• 7.5 等值线相关干涉法的两点讨论
• 7.6 小结
• 第八章 结束语
• 8.1 本文主要研究成果及创新点
• 8.2 有待进一步研究的几个问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 缩略语表