多基线雷达形变检测方法研究

摘要

随着中国经济的发展，轨道交通作为重要的运输手段之一，对中国国民经济发展具有重大价值。如果高速铁路发生形变，将会导致线路形变等灾难性后果，轻则影响列车正常行驶，重则导致事故发生。 传统的水准测量需要大量的人力、物力和资源，并且易受天气等其他因素的干扰。在现代地形形变检测方法中，微波遥感技术是其中一种重要的测量手段。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)测量具有全天候、全时段的特点，并且利用干涉SAR测量技术可获得地面微小形变变化，但该技术需要星载或者机载平台，并且数据处理复杂、计算量大。针对上述提出的问题，本文研究了一种基于相位分析的轨道形变测量新方法，该方法直接利用布设于列车上的雷达提取回波延时和相位信息，通过求解定标点距离方程得到雷达的三维坐标信息，并计算轨道形变量，能够到达与干涉技术相似甚至更高的测量精度。对此，本文核心工作和创新如下： 1.介绍了合成孔径雷达成像中常用的脉冲压缩技术，分析了影响SAR成像的距离向分辨率和方位向分辨率的因素，描述了三种常见的SAR成像算法：距离多普勒算法、Chirp Scaling算法以及后向投影算法，并给出了后向投影算法的优势。 2.分析了基于干涉SAR形变检测。描述了干涉SAR成像基本原理，以及其常见的工作模式。介绍干涉SAR测量系统相干性基本概念，并且说明了几种利用SAR进行形变测量的基本方法。最后利用实验仿真验证了干涉SAR形变测量效果。 3.讨论了基于多基线雷达形变检测方法。首先详细介绍了的系统结构和系统模型，利用四部天线对形变进行检测。然后探讨了天线发射信号的选择，为了满足高精度测距和解决距离模糊问题，本文将联合脉冲压缩和扫频技术以提取更为精确的距离信息。接着根据系统模型对形变量进行了解算，并明确了基于多基线雷达形变检测方法的算法流程。最后对测距方法和本文研究的形变测量方法进行了仿真实验，并给出了影响测距和形变测量性能的因素。形变测量精度受到绝地距离误差和雷达基线长度的影响，测距精度受发射信号带宽影响。 4.形变测量实验结果表明，形变相对误差随绝对距离误差增加而增加，当绝对距离误差为0.02m时，形变测量相对误差的分量分别为2.04%、0.82%和2.36%(1m基线)；形变相对误差随基线长度增加而减小，当基线大于1m时，形变相对误差随基线长度变化趋于平稳，增加基线长度对改善形变相对误差的效果不大。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2.1 国外形变检测研究概况

1.2.2 国内形变检测研究概况

1.3 本论文的结构安排

第二章 雷达成像基础

2.1 引言

2.2 脉冲压缩技术

2.2.1 线性调频信号

2.2.2去调频

2.2.3 步进频率

2.3 SAR分辨率

2.3.1 距离向分辨率

2.3.2 方位向分辨率

2.4 成像算法

2.4.1 距离多普勒算法

2.4.2 Chirp Scaling算法

2.4.3 后向投影算法

2.5 本章小结

第三章 基于InSAR形变检测

3.1 InSAR测量原理

3.1.1 三维成像原理

3.1.2 InSAR工作模式

3.1.3 InSAR测量系统相关性

3.2 InSAR处理流程

3.2.1 方位向、距离向滤波

3.2.2 图像配准

3.2.3 干涉图生成

3.2.4 平地效应

3.2.5 相位滤波

3.2.6 相位解模糊

3.2.7 DEM生成

3.3 DInSAR测量原理

3.3.1两轨法

3.3.2三轨法

3.3.3四轨法

3.4 地基SAR测量原理

3.5 InSAR形变仿真与分析

3.5.1仿真参数

3.5.2仿真结果与分析

3.6 本章小结

第四章 基于多基线雷达形变检测方法

4.1 系统信号与模型

4.1.1 系统结构

4.1.2 系统模型

4.2 形变量解算

4.2.1 信号设计

4.2.2 距离方程求解

4.3 测距仿真与分析

4.3.1 测距参数

4.3.2 性能分析

4.4 形变仿真与分析

4.4.1 概况

4.4.2算法性能分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究内容总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果