垂直航迹/沿航迹干涉合成孔径雷达信号处理技术研究

论文摘要

合成孔径雷达干涉测量是雷达遥感测量的研究热点,根据其工作方式可分为垂直航迹干涉合成孔径雷达（Cross-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar,XTI）和沿航迹干涉合成孔径雷达（Along-Track Interferometric Synthetic Aperture Radar, ATI）两类,它利用两幅或两幅以上具有相干性的SAR复图像进行联合处理,相比于传统的单幅合成孔径雷达（SAR）图像能够获得更多的信息,利用垂直航向基线可以获得地面高精度的数字高程图,利用沿航向的基线可以进行地面运动目标检测以及洋流监测等,因而在军事、国民经济建设和科学研究中,有着极其广泛的应用领域。SAR图像的分辨率越来越高,体散射、多径传播等会影响干涉SAR的相位质量,而且雷达平台的系统测量设备的位置精度通常不能满足要求,因而必须通过各种手段来提高参数估计精度和数据处理速度,同时尽可能使一个系统能够具有多种功能,做到一个设备多种用途。本文结合实际数据处理中遇到的问题,对垂直航迹和沿航迹干涉的数据处理方法进行了一些探索。本文的主要工作概括如下:1.提出了一种利用全局最小二乘拟合的局部梯度估计方法,用于获取相位滤波的独立同分布样本,提高了相位滤波质量。该方法联合高质量区域的相位信息来拟合低质量区域的干涉相位梯度,相对于传统的局部频率（坡度）估计方法,不但在降低相位噪声方面性能优越,而且还能够在很大程度上保持干涉相位条纹的连续性。2.提出了一种阴影区域干涉相位的填补方法。雷达下视角较大时,在地形复杂区域容易引起大面积的阴影区域,严重影响了相位解缠绕的精度和速度。定义了一种伪相干系数来锐化高相干区域和低相干区域的边界,并利用斜面模型来近似阴影区域的干涉相位,有利于相位解缠绕的进行,同时提高了相位解缠绕的精度。3.提出了一种利用先验知识进行基线估计的方法。基线是XT-InSAR中解缠绕相位向数字高程图进行转换时所需的关键参数,其精度直接决定转换的高程精度。利用地面先验知识和成像系统的参数,可以降低基线估计所需要的条件数。4.提出了一种联合像素多基线处理时利用Lanczos迭代进行降维处理的方法。联合像素处理能够在存在配准误差的情况下,获得较好的相位和高程估计结果,但随着图像数目的增多,其运算量急剧增加。分析了联合像素处理协方差矩阵的构造特点,并根据信号子空间的特性,进行子空间拟合来获取高程估计信息,有效降低了处理时间。5.提出了一种混合基线InSAR构形下进行地面动目标检测的方法。该方法首先利用局部坡度补偿技术使杂波样本满足局部独立同分布;进而利用联合像素处理进行杂波抑制,联合像素处理方法利用当前检测像素和周围像素的信息进行联合处理,使存在配准误差时杂波信息能够得到最大限度的利用,具有良好的杂波抑制性能;利用杂波抑制后的结果,再进行局部相位解缠绕来拟合动目标所在区域的地形高程干涉相位;最后使用幅度和相位双门限恒虚警来降低动目标检测的虚警概率。根据合成孔径雷达干涉测量不同的工作方式,本文由两部分构成:第一部分（第二章第四章）:主要讨论垂直航迹干涉测量的数据处理方法。内容主要包括提高干涉相位图质量的方法,基线估计方法,以及多基线XT-InSAR的降维处理方法。第二部分（第五章）:主要讨论利用沿航迹基线进行地面动目标检测的数据处理方法。内容主要包括沿航向动目标检测方法以及混合基线InSAR构型下SAR-GMTI方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 合成孔径雷达干涉测量的发展概况
• 1.1.1 垂直航迹干涉（XTI）测量的发展概况
• 1.1.2 沿航迹干涉（ATI）测量的发展概况
• 1.2 合成孔径雷达干涉测量的原理及应用
• 1.2.1 垂直航迹干涉测量的基本原理
• 1.2.2 沿航迹干涉测量的基本原理
• 1.2.3 合成孔径雷达干涉测量的应用
• 1.3 本文的主要工作及内容安排
• 本章参考文献
• 第二章 提高 XT-InSAR 干涉相位图质量的技术
• 2.1 引言
• 2.2 干涉相位的统计特性
• 2.3 利用坡度补偿进行干涉相位滤波
• 2.3.1 最大似然局部频率估计方法
• 2.3.2 MUSIC 超分辨局部频率估计方法
• 2.3.3 分维局部频率估计方法
• 2.3.4 利用全局最小二乘拟合的局部梯度估计方法
• 2.3.5 仿真数据和实测数据处理
• 2.4 XTI 图像对幅度非统计滤波
• 2.5 阴影区域干涉相位补偿方法
• 2.5.1 伪相干系数的定义
• 2.5.2 阴影区域的识别
• 2.5.3 干涉相位图中阴影区域的检测及补偿
• 2.5.4 实际数据试验验证
• 2.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 基线误差对 XT-InSAR 性能的影响分析及基线估计方法
• 3.1 引言
• 3.2 基线误差对干涉性能的影响分析
• 3.2.1 非平行航迹对干涉的影响分析
• 3.2.2 基线误差对干涉测高的影响分析
• 3.3 XT-InSAR 基线估计方法
• 3.3.1 XT-InSAR 基线估计几何关系分析
• 3.3.2 XT-InSAR 基线估计方法
• 3.3.3 仿真实验
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 联合像素多基线 XT-InSAR 的降维处理方法
• 4.1 引言
• 4.2 联合像素处理信号子空间维数分析
• 4.3 利用Lanczos 迭代逼近信号子空间
• 4.4 联合像素多基线XT-InSAR 降维方法处理步骤
• 4.5 降维处理的性能分析
• 4.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 AT-InSAR 的地面运动目标检测方法
• 5.1 引言
• 5.2 ATI 动目标检测
• 5.3 混合基线InSAR 构形下的地面动目标检测方法
• 5.3.1 混合基线InSAR 动目标信号模型
• 5.3.2 联合像素杂波抑制模型
• 5.3.3 混合基线SAR-GMTI 处理步骤
• 5.3.4 关于混合基线InSAR 构形下动目标检测问题的讨论
• 5.4 仿真试验
• 5.4.1 沿航向仿真数据处理
• 5.4.2 混合基线仿真数据处理
• 5.5 实测数据处理
• 5.5.1 沿航向实测数据处理
• 5.5.2 混合基线实测数据处理
• 5.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文内容总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 作者在读期间的研究成果