机载干涉SAR定标模型与算法研究

摘要

以机载干涉SAR定标为研究对象,对干涉SAR定标的三维重建模型、干涉敏感度方程模型和定标数据获取模型的建模问题展开了深入研究.在此基础上,完成了机载干涉SAR定标算法的设计,并对定标算法进行了仿真验证.推导了平面波模型在机载干涉SAR高程重建中引入的相位分析误差和高程误差,引入高程波动、相对高程波动和绝对高程波动等特性对平面波模型的适用性进行评定.结果表明,要做到高精度的高程重建,必须放弃平面波模型.针对现有三维重建算法的缺陷,从干涉SAR的基本方程入手,充分利用干涉SAR的基本测量值,在球形地球和球面电磁波的普遍模型基础上,导出干涉SAR三维重建的直接解析算法,并与Wilkison算法进行了数值计算比较.剔除视向量Madsen正交分解中的平面波模型,给出了改进的视向量正交分解算法,导出了包含载机姿态在内的三维高程重建算法.分析结果表明,基于改进正交分解的三维重建算法的三维高程重建,重建精度有了很大提高,而算法的误差传递特性没有发生显著变化.然后,对不同正交基框架下的几种视向量正交分解算法进行了深入研究,详细推导诸算法间的关系,并分析诸算法推导过程中采用的简化模型.求解目标位置方程关于干涉参数的偏导数可以得到干涉敏感度方程.通过敏感度分析,可以定量考察干涉参数变化对干涉性能的影响,同时干涉敏感度方程也是干涉SAR系统优化设计和定标的重要工具.针对现有敏感度方程的不足和缺陷,对敏感度方程进行补充和修正.分析结果表明,导出的敏感度方程弥补了现有敏感度方程的不足和缺陷.敏感度矩阵的条件数是影响干涉SAR定标性能的重要因素.在干涉SAR定标理论的基础上,给出了定标器的布放规则,导出了定标器布放的约束条件;根据敏感度矩阵的特殊构造方式,导出敏感度矩阵的列满秩性对定标器布放的约束条件.结合这些约束条件,给出定标器布放的优化算法.理论分析和计算结果表明,应用该算法进行定标器分放,可以使敏感度矩阵的条件数达到最小.如何将定标模型进行组合实现定标功能是定标算法所要解决的问题.该文完成了干涉SAR定标算法的设计,并应用平地地形仿真数据、山状地形仿真数据和以某机载干涉SAR实际数据为基础的半物理仿真数据对算法进行了验证.结果表明,设计的算法是有效、合理的.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2干涉SAR发展历史

1.3现有的机载干涉SAR系统简介

1.3.1美国JPL的TopSAR系统

1.3.2美国STAR-3I系统

1.3.3美国GeoSAR系统

1.3.4 AeS-1机载干涉SAR系统

1.4干涉SAR测量的基本原理

1.4.1干涉SAR高程测量基本原理

1.4.2干涉基线的几种分解形式

1.5机载干涉SAR定标的研究现状

1.6论文安排

1.7论文的创新点

第二章机载干涉SAR地形三维重建模型

2.1引言

2.2干涉SAR地形三维重建的几何解释

2.2.1 SAR成像几何模型

2.2.2基于雷达立体成像技术的SAR高程测量

2.2.3干涉SAR三维重建的几何解释

2.3三维重建算法的研究现状

2.3.1三维重建的间接算法

2.3.2三维重建的直接算法

2.4平面波模型对高程重建精度的影响

2.4.1平面波模型

2.4.2平面波模型引入的高程重建误差推导

2.4.3平面波模型引入的高程误差分析

2.5三维重建的直接解析算法

2.5.1算法推导

2.5.2算法性能分析

2.6视向量正交分解算法的改进

2.6.1视向量的Madsen正交分解-MOD

2.6.2 MOD的改进-MMOD

2.6.3地形重建算法

2.6.4算法性能分析

2.7几种视向量正交分解算法的比较

2.7.1几种算法回顾

2.7.2 GOD算法的另一种形式

2.7.3算法间的关系研究

2.8小结

第三章机载干涉SAR干涉敏感度方程模型

3.1引言

3.2干涉敏感度方程推导中采用的三维重建模型

3.3干涉敏感度方程研究现状及缺陷

3.3.1干涉敏感度方程的研究现状

3.3.2目前干涉敏感度方程的局限性

3.4干涉敏感度方程的向量表述

3.4.1相位敏感度

3.4.2基线敏感度

3.4.3速度敏感度

3.4.4波数敏感度

3.5干涉敏感度解析方程推导

3.5.1位置敏感度方程推导

3.5.2多普勒敏感度方程推导

3.5.3干涉敏感度方程总结

3.5.4干涉敏感度方程修正前后的比较

3.6干涉敏感度分析

3.6.1位置敏感度分析

3.6.2多普勒频率敏感度分析

3.7干涉敏感度方程的应用

3.8小结

第四章机载干涉SAR定标数据获取模型

4.1引言

4.2定标场的选择

4.2.1国外干涉定标中采用的定标场

4.2.2定标场选择的几点考虑

4.2.3地形精确重建的地形坡度要求

4.3定标器的布放

4.3.1干涉定标基本理论

4.3.2定标器布放规则

4.3.3基于地距表示的敏感度矩阵

4.3.4敏感度矩阵的列满秩性对定标器布放间隔的约束

4.3.5定标器布放算法

4.4小结

第五章机载干涉SAR定标算法

5.1引言

5.2定标算法的总体设计

5.2.1干涉SAR地面处理系统简介

5.2.2定标分系统与处理分系统的接口关系

5.2.3干涉定标算法总体结构

5.3侧滚角估计

5.3.1两视算法

5.3.2滤波算法

5.4参数偏差估计

5.4.1高程误差模型

5.4.2参数偏差估计流程

5.4.3参数估计算法

5.5小结

第六章机载干涉SAR定标算法的仿真验证

6.1引言

6.2仿真验证方案

6.2.1干涉仿真方法简介

6.2.2仿真验证的基本方案

6.2.3仿真验证的参数偏差组合方案

6.3平地地形仿真下的算法验证

6.3.1平地地形仿真

6.3.2两参数偏差组合下的算法验证

6.3.3三参数偏差组合下的算法验证

6.3.4四参数偏差组合d下的算法验证

6.4山状地形仿真下的算法验证

6.4.1山状地形仿真

6.4.2三参数偏差组合下的算法验证

6.4.3四参数偏差组合下的算法验证

6.5定标算法的半物理仿真数据验证

6.6小结

附图

第七章总结与展望

7.1论文工作总结

7.2机载干涉SAR定标研究展望

附录A机载干涉SAR目标位置敏感度方程推导

附录B多普勒频率对载机姿态的敏感度方程推导

附录C测试数据6下的山状地形仿真结果

附录D参数偏差组合c在测试数据7下的山状地形仿真结果

附录E参数偏差组合d在测试数据8下的山状地形仿真结果

附录F干涉敏感度方程在模糊分析中的应用

参考文献

攻读博士学位期间发表或撰写的论文

致谢