高分辨率合成孔径雷达干涉测量技术及其应用研究

摘要

合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术是近二十多年发展起来的一种先进的空间观测技术，它将传统的合成孔径雷达技术与干涉测量技术结合起来，由双天线模式或单天线重复轨道模式对同一地区雷达成像生成两幅SAR复图像，利用这两幅复图像的干涉相位信息提取地表的三维信息和高程变化信息，获取全球高精度的地形信息。 它具有高分辨率、全天候全天时工作、成像范围宽和应用范围广等特点。而差分InSAR(D-InSAR)技术是在InSAR基础上发展起来的，可以监测地球陆地表面和冰雪表面的微小变化，从而获得高精度、高可靠性的地表变化信息。这项技术可用于研究过去长时间无法到达的冰川和冰缘的变化情况，也可用于一些灾害性地表形变的探测，如地震、火山爆发、滑坡、洪水等，尤其是其在军事方面的应用引起了各国的关注。因而InSAR已成为卫星遥感研究的热点。 论文系统介绍了InSAR技术的发展历程、应用现状、几何成像原理及数据处理流程；对其中的关键处理技术包括SAR图像配准、干涉图去平地效应和去噪、干涉图相位解缠的原理和算法做了深入的讨论和分析；研究了InSAR与D-InSAR技术在地球科学中的应用，并给出了应用实例。 用于干涉测量的两幅SAR复图像必须先配准。为获取高精度的测量结果，论文提出一种包括概略配准、像素级初配准和亚像素级精配准三个环节的逐级提高精度的InSAR复图像配准方法。该方法利用EnView软件提供的经度和纬度实现概略配准；采用基于多边形结构和边缘提取的像素级初匹配方法大大提高匹配速度；考虑以往的匹配算法都是基于能量图进行并且忽略了SAR复图像的整体性，采用基于整体松弛匹配和基于相位差分的最小二乘匹配相结合的亚像素级精配准算法减少误匹配率，提高匹配精度。 配准后生成的InSAR干涉图相位信息包括地形信息和平地效应信息，为获取精确地形信息，必须去除平地效应信息。针对常规去平地效应方法中参数难以获取及精度不够高的现状，提出了基于线性插值的频谱偏移去平地效应方法，该算法在体现频移去平地效应的优势的基础上，通过插值提高频移的分辨率。实验结果表明该算法容易实现，精度也大大提高。 具有各向异性特征的InSAR干涉图中含有各种噪声，常规方法往往采用矩形滤波窗口去噪，这样做的结果是在得到滤波效果的同时模糊了相位信息，损害了干涉图的条纹信息。论文提出一种基于干涉条纹中心的InSAR干涉图滤波算法，该算法采用沿干涉条纹中心线获取的等相位线滤波窗口滤波，符合干涉图的各向异向特征；考虑到获取条纹中心线的复杂性，使用CNN(细胞神经网络)的并行算法来提高获取条纹中心线的速度；鉴于干涉相位图存在2π跳变线，最后的滤波采用正弦图(或余弦图)均值滤波算法。用该方法实现了两幅实际图像的滤波，实验结果的视觉特征良好、残差点减少、边缘保持能力增强，表明该算法具有高精度的滤波效果。 常用的相位解缠算法分为两种类型：基于路径跟踪的相位解缠方法和基于最小二乘法的相位解缠方法，这两类方法面临精确性和计算速度不能兼顾的问题。对此本文提出一种基于Delaunay三角网最小费用流算法的分区域干涉图相位解缠方法。该方法采用残差点距离原则利用残差点信息将干涉相位图分为高质量相位区域和低质量相位区域；考虑到残差点分布的不规则性和最小费用流算法的成熟性，利用基于Delaunay三角剖分的最小费用流解缠算法和区域生长解缠算法的优点，分别对InSAR干涉图相位高质量区域和低质量区域解缠，同时提高解缠的精确性和速度。 利用本论文提出的算法，根据ERS-1/2提供的SAR数据，利用InSAR技术生成了新疆喀什地区的相对数字高程图；根据ENVISAT卫星提供的ASAR数据，利用D-InSAR技术生成了反映伊朗BAM地区由2003年12月26日地震引起的地表形变的差分干涉图。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 InSAR测量的研究现状

1.2.1机载系统

1.2.2星载系统

1.3 InSAR测量技术的应用领域

1.3.1测绘应用

1.3.2地学应用

1.3.3生态应用

1.3.4海洋研究

1.3.5军事应用

1.4 InSAR的发展前景

1.5论文的主要研究内容及结构安排

第2章 InSAR测量技术的工作原理

2.1 InSAR测量模式

2.1.1双天线单航过模式

2.1.2单天线双航过模式

2.2 InSAR测量技术工作原理

2.2.1 InSAR成像几何原理

2.2.2合成孔径雷达干涉测量系统模型

2.2.3 InSAR数据处理流程

2.2.4影响干涉数据相干性的各种因素

2.3 D-InSAR差分干涉测量技术

2.3.1二轨法

2.3.2三轨法

2.3.3 D-InSAR技术获取地表形变量

2.3.4 D-InSAR的技术特点

2.4 InSAR数据的预处理

2.4.1 InSAR数据

2.4.2 SLC数据处理与显示

2.4.3多视处理

2.5干涉复图像的预滤波

2.6干涉相位相干性分析

2.6.1干涉相位统计特性

2.6.2干涉相位估计

2.6.3干涉图相位质量评价

2.7基线估计

2.7.1基线对InSAR系统性能的影响

2.7.2几种典型基线估计方法

2.7.3对ENVISAT干涉配对图像的基线估计

2.8小结

第3章 InSAR干涉复图像的高精度多级配准方法

3.1干涉复图像对配准的实现过程

3.1.1粗配准

3.1.2精配准

3.1.3选择控制点，拟合图像坐标和偏移量之间的变化关系

3.2干涉图的生成

3.2.1 SAR图像重采样

3.2.2干涉条纹的计算和干涉图的生成

3.3干涉图像对配准常用方法

3.3.1最大相关函数法

3.3.2波动函数法

3.3.3最大谱配准法

3.4基于整体概率松弛匹配和相位差分的高精度多级配准算法

3.4.1概略配准

3.4.2基于边缘提取和纹理结构的粗匹配

3.4.3基于整体概率松弛匹配和相位差分的亚像素级精配准

3.4.4实验结果与分析

3.5小结

第4章 干涉图的去平地效应分析

4.1平地效应产生的原理

4.2去平地效应的一般方法

4.2.1基于轨道参数的平地效应消除

4.2.2基于粗精度的DEM数据的平地效应消除

4.2.3频移法去除平地效应

4.3一种基于频移的高精度去除平地效应方法

4.3.1算法原理

4.3.2算法实现步骤

4.3.3实验结果与分析

4.4小结

第5章 干涉图滤波方法的研究

5.1干涉图的滤波原理

5.1.1干涉相位噪声分布模型

5.1.2干涉条纹的特点

5.1.3干涉相位图中的残差点及其与噪声之间的关系

5.2干涉图滤波的常用方法

5.2.1均值滤波和圆周期均值滤波方法

5.2.2中值滤波和圆周期中值滤波方法

5.2.3自适应滤波方法

5.3基于干涉条纹中心线的干涉图滤波算法

5.3.1算法思想

5.3.2利用细胞神经网络提取条纹中心线

5.3.3求取条纹方向

5.3.4基于条纹中心线的等相位线滤波窗口

5.3.5基于等相位线滤波窗口的正余弦滤波算法

5.3.6实验结果与分析

5.4小结

第6章 干涉图相位解缠方法的研究

6.1相位解缠的思想

6.2相位解缠的基本方法

6.2.1路径跟踪相位解缠法

6.2.2最小二乘相位解缠法

6.3基于Delaunay三角网最小费用流算法的分区域相位解缠方法

6.3.1算法思想

6.3.2基于残差点密度的区域分割

6.3.3基于最小费用流算法的相位解缠

6.3.4 Delaunay三角剖分

6.3.5基于Delaunay三角网最小费用流算法的高质量相位区域解缠

6.3.6基于区域增长策略的低质量相位区域解缠

6.3.7实验结果与分析

6.4小结

第7章 InSAR和D-InSAR技术在地球科学中的应用

7.1 InSAR技术在生成数字高程图中的应用

7.1.1重建数字高程模型

7.1.2 ERS-1/2成像参数和数据格式

7.1.3用InSAR技术生成喀什地区的相对数字高程图

7.2 D-InSAR技术在研究地震引起的地表同震形变中的应用

7.2.1 ENVISAT成像参数介绍

7.2.2 ENVISAT ASAR数据产品

7.2.3用D-InSAR技术揭示伊朗BAM地区地震同震形变场

7.3小结

结束语

参考文献

致谢

附录