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星载SAR及InSAR技术在地球科学中的应用研究

作　者: 陈艳玲
导　师: 黄珹；丁晓利
学　校: 中国科学院研究生院（上海天文台）
专　业: 天体测量与天体力学
关键词: SAR成像 风矢量反演 二轨差分干涉测量技术 矿山沉降
分类号: P228
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


星载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)及InSAR技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达干涉测量)是近三十年来发展起来的空间对地观测新技术，是未来三维测图与区域地形形变监测领域最具潜力的新技术之一，在农林业、海洋、地形及形变测绘、地质、生态等地球科学领域发挥着日益重要的作用。考虑到我国该领域的研究起步较晚，远远落后美国、欧洲等发达国家。2006年，我国第一颗SAR小卫星“遥感卫星一号”发射成功，更促使我国加速开展这方面的研究，以尽快赶上国际先进水平。在这样的背景下，本文从星载SAR原始数据(Level 0)出发，阐述了星载SAR成像的机理以及成像质量评定指标，提出了InSAR对成像算法及成像产品的几点要求，紧接着系统、全面地概括了(D-)InSAR技术的基本原理及局限性。在这些理论的支撑下，本文围绕星载SAR成像以及星载SAR、InSAR技术的应用主要做了以下工作：(1)星载SAR成像处理。成像处理是SAR技术的核心部分。第三章分析了星载SAR点目标回波信号模型以及几种常用的数字成像处理算法，接着介绍了距离—多普勒算法的数据处理流程及几个关键的问题；然后在第五章采用ERS-1、Radarsat-1以及JERS-1卫星数据利用EV-APP软件做了成像实验，并对成像质量做了评价。(2)星载SAR在海洋气象学中的应用—星载SAR图像反演海面风矢量研究。首先介绍了星载SAR估算海面风场的基本原理、算法及数据处理步骤。接着，以2002年5月7日香港地区ERS—2 SAR海洋图像为例，对经典的SWDA(SAR Wind Direction Algorithm)—谱分析方法加以改进，求得具有180°模糊度的风向，并用香港天文台气象浮标实测数据消除了风向不确定性。最后，利用CMOD4 GMF(Geophysical Model Function，地球物理模式函数)计算得到海面上10m高的风速。与浮标实测资料相比，文中两个20km×20km试验区域ROI1与ROI2风向误差分别为23.71°、7.00°，平均风速误差分别为0.18m／s、—0.12m／s，精度均较高。由此可以得出结论：如果对SAR预先进行ADC(Analog Digital Converter)改正以及精确校准，结合改进的SWDA和CMOD4，可以获得高精度的风矢量。(3)二轨差分干涉(D-InSAR)技术监测抚顺市矿山沉降。文中利用二轨差分干涉测量技术，使用ERS-1／ERS-2卫星1993年5月22日至2000年6月13日所获取的辽宁省抚顺地区6幅SAR图像以及SRTM 3×3弧秒分辨率的DEM，研究了抚顺市的沉降情况，监测精度达cm级。需要指出的是，文中采取了一种全新的干涉相位图频域滤波方法，使用这种算法使得差分干涉图的质量平均改善了28％。实验证明，D-InSAR技术可以有效地监测矿区沉降情况。论文的创新性或特点表现在以下几个方面：(1)从公开的文献看，本文在国内首次同时对不同卫星的SAR原始数据进行成像试验，并对成像的结果进行了定量评价，为InSAR数据处理中某些问题的解决提供了参考思路；(2)其次，星载SAR在海洋学、气象学方面的应用研究是极具挑战性和发展潜力的课题，本文从星载SAR图像提取了香港地区的风向和风速，并对反演算法进行了改进，从而为海洋及气象服务提供更加可靠的资料，这是具有前瞻性的研究，；(3)我国矿区InSAR沉降监测可应用性研究并不多见。本文利用D-InSAR这种新兴的技术对国内普遍存在的矿山沉降问题进行深入研究，并在数据处理中将新的频域滤波算法用于干涉相位图，取得了相当好的结果。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-13
插图  13-15
表格  15-16
第一章 绪论  16-30
  1.1 引言  16
  1.2 各国星载SAR系统  16-18
  1.3 星载SAR技术发展概况  18-22
    1.3.1 SAR成像理论的发展  19-20
    1.3.2 星载SAR技术应用现状  20-22
  1.4 InSAR技术研究现状  22-28
    1.4.1 InSAR理论进展  23-26
    1.4.2 InSAR应用进展  26-28
  1.5 星载SAR及InSAR技术展望  28
  1.6 论文章节安排  28-30
第二章 SAR基本原理  30-38
  2.1 SAR工作原理  30-32
    2.1.1 合成孔径原理  30-31
    2.1.2 雷达方程及后向散射系数  31-32
    2.1.3 SAR基本组成  32
  2.2 微波与物质的相互作用  32-34
    2.2.1 微波与大气  33
    2.2.2 微波与地物  33-34
  2.3 SAR图像的特性  34-37
    2.3.1 SAR图像几何特性  35-36
    2.3.2 SAR图像色调特性  36-37
  2.5 本章小结  37-38
第三章 星载SAR成像基本原理  38-49
  3.1 引言  38
  3.2 星载SAR点目标回波信号模型  38-40
  3.3 星载SAR成像处理  40-44
    3.3.1 距离—多普勒算法  40-41
    3.3.2 匹配滤波器  41-42
    3.3.3 距离压缩  42-43
    3.3.4 方位压缩  43-44
  3.4 几个关键的问题  44-48
    3.4.1 多普勒参数估计  44-45
    3.4.2 距离徙动校正  45-47
    3.4.3 斑点噪声的去除  47-48
  3.5 本章小结  48-49
第四章 InSAR基本原理及其局限性  49-66
  4.1 引言  49
  4.2 InSAR基本原理  49-53
    4.2.1 InSAR测高原理  49-51
    4.2.2 误差传播公式  51-52
    4.2.3 InSAR数据处理流程  52-53
  4.3 干涉测量的必要条件  53-55
  4.4 D-InSAR原理  55-57
  4.5 InSAR的局限性  57-65
    4.5.1 时间失相干  58-60
    4.5.2 空间失相干  60-61
    4.5.3 硬件系统噪声以及数据处理失相干  61-62
    4.5.4 大气影响  62-64
    4.5.5 斑点噪声  64-65
  4.6 本章小结  65-66
第五章 星载SAR成像实例—以Radarsat-1,ERS-1,Jers-1卫星为例  66-76
  5.1 EV-APP软件介绍  66-67
  5.2 数据文件说明  67-68
  5.3 实验部分  68-73
    5.3.1 实验1(Radarsat-1)  68-71
    5.3.2 实验2(ERS-1)  71-72
    5.3.3 实验3(JERS-1)  72-73
  5.4 干涉测量对成像处理的基本要求  73-74
  5.5 SAR成像质量评价  74-75
  5.6 本章小结  75-76
第六章 星载SAR在海洋气象学中的应用—以香港地区SAR图像反演海面风矢量为例  76-86
  6.1 引言  76
  6.2 SAR反演风场的算法  76-79
    6.2.1 SWDA+GMF  77-78
    6.2.2 统计分析法  78
    6.2.3 其它算法  78-79
  6.3 数据处理流程  79-80
  6.4 实验  80-84
    6.4.1 数据说明  80
    6.4.2 预处理  80-82
    6.4.3 风向求解  82-84
    6.4.4 风速估算  84
  6.5 结论与展望  84-85
  6.6 本章小结  85-86
第七章 InSAR在矿山形变监测中的应用—以监测辽宁省抚顺市矿山沉降为例  86-97
  7.1 EV-InSAR软件简介  86-87
  7.2 抚顺概况  87-89
  7.3 实验数据  89-90
    7.3.1 抚顺地区ERS-1/2数据  89
    7.3.2 SRTM DEM  89-90
  7.4 数据处理  90-95
    7.4.1 图形镶嵌  91
    7.4.2 配准  91
    7.4.3 生成干涉图,去除DEM相位及平地效应  91-92
    7.4.4 相干系数估计,多视处理,干涉图滤波  92-93
    7.4.5 去除残余相位,相位解缠  93
    7.4.6 生成垂直形变图  93-94
    7.4.7 结果  94-95
  7.5 讨论  95
  7.6 结论与展望  95-96
  7.7 本章小结  96-97
第八章 总结与展望  97-99
  8.1 本论文的主要工作  97
  8.2 工作中存在的问题  97-98
  8.3 展望  98-99
附录一  99-101
参考文献  101-109
硕博期间撰写与发表的论文  109-110
个人简历  110-111
致谢  111-112

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 大地测量学 > 卫星大地测量与空间大地测量
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