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星载SAR影像定位和从星载InSAR影像自动提取高程信息的研究

作　者: 杨杰
导　师: 李德仁
学　校: 武汉大学
专　业: 摄影测量与遥感
关键词: 合成孔径雷达雷达成像多普勒频率多普勒调频率平地效应相位解缠数字高程模型
分类号: P627
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

对遥感图像的应用，目标位置的确定是一件非常重要的事情。目标的位置参数在空间遥感中是一个基本的信息量，它是地形测绘、灾害监测、资源普查、变化检测等一切遥感应用的基础信息。如何对遥感图像进行精确定位及从遥感图像获取地面三维信息一直是遥感研究的重点和热点。合成孔径雷达(SAR)具有全天候、大范围、有一定穿透力等优点，被选作本文空间定位研究的对象。在SAR基础上发展的干涉合成孔径雷达(InSAR)，除继承了SAR的优点外，还能提取高精度地面三维的信息，能对地面目标的慢速运动和地壳微小移动做高精度的检测，其在军事、国民经济和科学研究中，有着极广的应用领域。对InSAR技术的研究，在国内外也受到了高度的重视。 SAR影像的象素定位方法通常有两种。一种做法是：在SAR影像中找出一些位置已经确定的参考点，然后推导影像象元相对于这些点的位置，从而实现SAR影像的象素定位；另外一种是无地面控制点的SAR影像象素定位方法，它的定位模型是Curlander J．C．提出的，并且运用Seasat卫星数据进行了实验，实现了用于海洋冰面运动的监测，精度可达到200米，但没有给出该模型的任何实用的求解方法。与第一种方法相比，该方法有如下优点：(1)不需要在星载SAR的视场中使用任何位置确知的参考点，因此将真正突破现存的地-空定位理论，达到空-空定位水平(绝对定位)；(2)其定位精度将仅仅取决于星历数据的准确性、地球模型的有效性、脉冲时延所决定的目标斜距精度、以及成像中多普勒信息的估计精度。因此对于SAR卫星，必须从成像几何特性去着手来实现无控制点的SAR影像精确定位。本文通过仿真研究，找出了各参数对定位精度的影响；通过真实数据的实验，证明了从模型入手的无地面控制点直接定位能获得较好精度。 InSAR的概念由L．C．Graham于1974年首先提出。由于其对雷达技术和成像技术要求较高，加之也没有专门发射用于干涉雷达处理的卫星，很难得到好的干涉数据，故在此后的一段时间发展比较缓慢。九十年代后，尤其是ERS-2卫星发射后，得到了大量的可用干涉雷达数据，极大地推动了InSAR发展，使其成为雷达和遥感技术研究领域最活跃的热点之一。本文对SAR的研究，以星载数据为对象，对无地面控制点的数据实现直接定位，获取其定位精度，并对成像参数对定位的影响进行分析。对InSAR的研究，以最终获取数字高程图为目标。本文研究的主要内容有：成像的原理、成像算法对位置的影响、定位模型、InSAR的原理、InSAR完整的数据处理流程、流程中关键环节的理论和具体实现方法。对InSAR处理中各环节的论述，以理论为基础，力求简单准确，并给出切实可行的实现方法和准则.在对传统方法的分析基础上，对亚象素的配准，平地效应去除，相位的展开及相位到高程的转换等算法都进行了分析和改进，提出了自己的想法。最终真实数据的实验结果证明文中的分析和提出的算法是可靠的。最后对本文所做工作进行了总结，提出了下一步在SAR和InSAR数据处理所应关注的目标，文章的基本章节顺序安排如下: 第一章叙述 SAR技术的现状和发展，提出了本文研究的主要内容; 第二章介绍了合成孔径雷达的基本原理及其主要工作方式; 第三章首先对星载SAR的儿何特点进行了分析;然后分析了SAR成像的运动补偿技术，并对星载SAR成像算法进行了分析介绍，最后实现了典型RD成像算法; 第四章详细讲述了SAR定位原理，建立了雷达成像参数对定位影响的关系曲线，并对点目标进行模拟研究来验证算法，得到了有价值的结论;最后应用实际数据对算法对模型进行了检验; 第五章阐述了InSAR的基本原理，介绍了对基线估计的方法，给出了影响InsAR高程测量精度的主要因素; 第六章给出了InSAR处理实现的整个流程，对各关键处理步骤进行了详细分析，并给出了关键部分的处理算法。最后在VC++环境下开发了InsAR处理软件，并结合实际数据进行了验证，表明整个处理流程的分析和处理是正确的、有效的; 第七章介绍了Gcolmager4.0的基本功能模块，并给出了InSAR算件的整个实现流程; 最后对本文所做工作进行了总结，提出了下一步在SAR和InSAR数据处理所应关注的目标。综合本文的研究，取得的主要创新性成果概括如下: 1、分析成像算法的基础上，实现了星载SAR的R一D成像算法; 2、对5 AR的特性进行详细分析的基础上，完成了对点目标的仿真; 3、建立仿真模型，应用仿真模型对各项误差对定位精度的影响进行了理论分析。得出从成像来研究定位，多普勒中心频率对定位精度没有影响的结论: 4、运用实际数据对定位算法进行了实际验证，结果证明定位算法完全正确; 5、对inSAR数据处理进行了全面和系统的理论研究，并用VC++实现了InSAR的处理软件包; 6、在对传统方法进行分析的基础上，提出了一些新的方法和见解。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-14
引言  14-16
第一章绪论  16-26
  1.1 SAR概述  16-20
    1.1.1 SAR的发展史  16-17
    1.1.2 SAR的工作波段与极化方式  17-19
    1.1.3 SAR与其它遥感技术的比较  19-20
  1.2 SAR定位概述  20-21
    1.2.1 SAR定位意义  20
    1.2.2 SAR定位原理  20-21
  1.3 INSAR概述  21-25
    1.3.1 InSAR的发展史  21-23
    1.3.2 InSAR的应用  23
    1.3.3 InSAR的现状和发展趋势  23-25
  1.4 本文研究的范围及结构  25
    1.4.1 研究的目的、内容和方法  25
  本章小结  25-26
第二章 SAR的基本工作原理及典型工作模式  26-37
  2.1 SAR工作的原理  26-27
  2.2 SAR的距离分辨率  27
  2.3 线性调频信号与脉冲压缩  27-28
  2.4 方位分辨力  28-29
  2.5 脉冲重复频率(PRF)的限制  29-30
  2.6 SAR回波信号模型  30-32
  2.7 SAR成像的典型工作模式  32-35
    2.7.1 条带式模式  32-33
    2.7.2 ScanSAR模式  33-34
    2.7.3 凝视(Spotlight)模式  34-35
  2.8 现有的和计划中的星载SAR卫星计划  35-36
  本章小结  36-37
第三章 SAR几何特点及运动补偿  37-55
  3.1 SAR图像的几何特点  37-39
  3.2 SAR图像的定位  39-41
  3.3 星载SAR运动补偿技术与成像算法  41-45
    3.3.1 星载SAR运动补偿技术  42
    3.3.2 星载SAR目标的多普勒历程  42-43
    3.3.3 星载SAR目标的距离迁移(Range Migration)  43-45
  3.4 星载SAR多普勒参数估计  45-49
    3.4.1 星载SAR多普勒中心频率估计  46-47
    3.4.2 星载SAR多普勒调频率估计  47-49
  3.5 星载SAR成像算法  49-54
    3.5.1 极坐标格式(Polar Formation)算法  49
    3.5.2 波数域算法  49-50
    3.5.3 RD及二次脉冲压缩算法  50-53
    3.5.4 CS成像算法  53-54
  本章小结  54-55
第四章星载SAR的定位方法及实验结果  55-77
  4.1 SAR定位原理  55-56
  4.2 SAR图像目标定位与系统级几何校正  56
  4.3 SAR图像目标定位与系统级几何校正系统总体框架  56-58
  4.4 SAR图像像素定位技术  58-60
  4.5 SAR成像算法与定位  60-62
    4.5.1 不同成像算法对定位精度的影响  61-62
  4.6 卫星位置误差引起的定位误差  62-68
  4.7 单视复数据试验结果  68-76
  本章小结  76-77
第五章 INSAR基本原理  77-88
  5.1 INSAR基本模型概述  78-84
    5.1.1 L.C.Graham对InSAR模型的描述  78-81
    5.1.2 A.Currie和C.J.Baker等对InSAR模型的描述  81-82
    5.1.3 一种新的InSAR模型描述  82-84
  5.2 基于多普勒-距离等式的几何关系  84-85
  5.3 INSAR基线估计  85-86
  5.4 用于干涉测量的SAR数据  86
  5.5 影响INSAR高程测量精度的主要因素  86-87
  本章小结  87-88
第六章 INSAR生成DEM的算法实现  88-129
  6.1 复图像的配准  88-90
    6.1.1 相干系数法  89
    6.1.2 最大干涉频谱法  89
    6.1.3 相位差平均波动函数法的配准  89-90
  6.2 图像的重采样  90
  6.3 距离向滤波  90-91
  6.4 干涉图的生成  91-92
  6.5 干涉图质量  92-94
    6.5.1 干涉图质量评估  93-94
  6.6 平地效应的去除  94-96
    6.6.1 基于精密轨道参数平地效应的去除  95-96
  6.7 干涉图的降噪滤波  96-103
    6.7.1 干涉条纹的特点  97-98
    6.7.2 周期均值和周期中值滤波  98-99
    6.7.3 加权圆周期均值  99-103
  6.8 相位解缠  103-114
    6.8.1 路径跟踪法相位解缠  105-110
    6.8.2 基于最小二乘原理的相位解缠方法  110-114
    6.8.3 改进的最小二乘法  114
  6.9 相位到高程的转换  114-117
    6.9.1 schwabisch方法  114-115
    6.9.2 rodriguez方法  115-116
    6.9.3 模型推导法  116-117
  6.10 从干涉条纹直接生成精确的DEM  117-119
  6.11 试验结果及精度分析  119-128
  本章小结  128-129
第七章 GEOIMAGER 4.0中的INSAR处理软件  129-137
  7.1 GEOIMAGER4.0简介  129-132
    7.1.1 基础处理模块  129
    7.1.2 几何处理模块  129-130
    7.1.3 多光谱／高光谱处理模块  130
    7.1.4 象素级影像融合  130-131
    7.1.5 雷达数据处理模块  131
    7.1.6 基于卫星影像的DEM生成模块  131
    7.1.7 三维可视化模块  131
    7.1.8 专题制图模块  131
    7.1.9　系统运行环境、安装与联机帮助  131-132
  7.2 INSAR提取地面DEM软件  132-134
  7.3 开发完成的软件界面  134-136
  本章小结  136-137
第八章总结与展望  137-139
参考文献  139-146
附录  146-147
致谢  147

星载SAR影像定位和从星载InSAR影像自动提取高程信息的研究

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