极化干涉合成孔径雷达应用的关键技术研究

论文摘要

极化干涉合成孔径雷达(PolInSAR)是一种先进的SAR系统。由于引入了电磁波的极化方式,极化SAR干涉测量比起传统的干涉测量具有更加广泛的应用。虽然自从11年前第一篇关于极化SAR干涉测量的文章发表以来,国际上很多研究人员在这方面做了大量的工作,但仍存在一些理论与实际问题需要我们去解决。为了推动极化干涉SAR技术的发展,本文专注于其中的一些关键技术,包括图像配准、数据降噪、相位解缠以及树高反演。本文的主要创新点如下。1)提出了基于相似性参数的极化干涉图像配准方法,利用相干的极化散射矢量的相关系数定义了新的匹配度量,并从理论上分析了方法的性能。实验表明,与仅利用干涉信息的方法相比,新方法提高了像素级和亚像素级配准的稳健性和准确性,减小了误匹配造成的噪声,为获取准确的干涉信息奠定了基础。2)在利用极化信息对干涉数据进行降噪的问题中,提出了一种基于幅度最优化的方法,通过寻找最优极化通道来优化干涉信号的幅度,从而改善相位质量。建立数学模型并推导出解析解,利用相似性参数做出了合理的物理解释。并讨论了输入为多视数据的情况,扩展为基于强度最优化的方法。实验表明新方法较传统方法在性能上有明显提高,特别在弱信号区域尤为显著。3)对于干涉数据滤波问题,提出了模糊干涉滤波器和基于幅度最优化的干涉滤波器。两者均考虑了复信号幅度与相位的关系。前者利用邻域信息对弱信号插值增强,并利用加权中值滤波器进行相位滤波。后者则直接将幅度最优化的模型引入,求取最优的滤波器系数。实验表明,两个滤波器在降噪性能上较传统方法均有提高,后者可以利用较小的邻域信息获取更好的输出相位。4)针对地形起伏剧烈时相位难以精确解缠的问题,提出了基于相位分割和基于参考面的变相位技术。前者将相位解缠视为图像分割问题,将相位合理的分割和拼接,后者则将其视为“去地形效应”,构造参考面来降低解缠的难度。实验表明,两种技术相结合,能够更为准确的恢复复杂地形对应的相位面。5)对于树高反演问题,提出了一种体相干估计的方法,通过求解干涉复相干的辐角范围,得到了体相干最优估计的近似解析解,提高了树高反演的准确程度。实验验证了该方法较传统估计方法的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究意义与背景
• 1.2 极化干涉SAR 的研究现状
• 1.3 本文内容及章节安排
• 第2章 极化雷达干涉测量基本理论
• 2.1 极化基本理论
• 2.1.1 电磁波极化状态的表征
• 2.1.2 极化电磁波的接收
• 2.1.3 目标的变极化效应
• 2.2 合成孔径雷达干涉测量
• 2.2.1 干涉测量模式
• 2.2.2 干涉测量基本原理
• 2.2.3 干涉系统模型
• 2.3 极化干涉理论
• 2.3.1 矢量干涉测量
• 2.3.2 相干最优化与相干散射分解
• 2.3.3 植被高度反演
• 2.4 极化干涉SAR 信号处理主要步骤
• 第3章 极化干涉图像配准问题的研究
• 3.1 引言
• 3.2 配准步骤
• 3.2.1 粗配准
• 3.2.2 像素级配准
• 3.2.3 亚像素级配准
• 3.3 相似性参数法
• 3.4 配准实验和结果
• 3.5 小结
• 第4章 极化干涉数据融合降噪问题的研究
• 4.1 引言
• 4.2 双矢量相干最优化方法
• 4.3 复信号幅度与相位之间的关系
• 4.4 幅度最优化方法
• 4.4.1 模型
• 4.4.2 模型的解
• 4.5 物理解释
• 4.5.1 相似性参数方法
• 4.5.2 基于相似性参数方法的物理解释
• 4.6 强度最优化方法
• 4.7 实验与结果
• 4.7.1 实验数据
• 4.7.2 幅度与相位的关系
• 4.7.3 植被和裸地
• 4.7.4 山地
• 4.8 小结
• 第5章 干涉数据滤波问题的研究
• 5.1 引言
• 5.2 干涉相位及噪声特性
• 5.3 模糊干涉滤波器
• 5.4 基于幅度最大化的干涉滤波器
• 5.5 干涉滤波实验结果
• 5.5.1 模糊干涉滤波器
• 5.5.2 基于幅度最大化的干涉滤波器
• 5.6 小结
• 第6章 干涉相位解缠问题的研究
• 6.1 引言
• 6.2 基本原理
• 6.3 基于变相位技术的相位解缠方法
• 6.3.1 变相位技术之一：相位分割
• 6.3.2 变相位技术之二：构造参考面
• 6.3.3 相位解缠方法
• 6.4 实验与计算结果
• 6.4.1 相位分割技术用于相位解缠
• 6.4.2 参考面对解缠难度的影响
• 6.4.3 两者结合的解缠算法性能
• 6.5 小结
• 第7章 树高反演问题的研究
• 7.1 引言
• 7.2 Treuhaft 三种模型
• 7.2.1 随机方向性散射模型
• 7.2.2 包含地面散射成分的随机方向性散射模型
• 7.2.3 方向性散射模型
• 7.3 极化干涉模型
• 7.4 树高反演三步法
• 7.5 体相干估计
• 7.5.1 双极化情况
• 7.5.2 全极化情况
• 7.5.3 体相干和地面相位估计
• 7.6 体相干估计实验与结果
• 7.7 小结
• 第8章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果