合成孔徑雷達(dá)自聚焦算法研究及其在機(jī)載干涉技術(shù)中的應(yīng)用.pdf

1、合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,簡(jiǎn)稱SAR)具有對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行全天候、全天時(shí)、遠(yuǎn)距離觀測(cè)的能力，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，SAR成像技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟。由于SAR是相干成像系統(tǒng)，SAR圖像和接收信號(hào)相位之間存在緊密的聯(lián)系。為了獲得高分辨率，高質(zhì)量的SAR圖像，必須利用自聚焦算法對(duì)SAR圖像作進(jìn)一步處理，估計(jì)其相位誤差函數(shù)并進(jìn)行補(bǔ)償。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，干涉合成孔徑雷達(dá)(Interferometric Syn

2、thetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱InSAR)被廣泛應(yīng)用于對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景中目標(biāo)高度信息的測(cè)量，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)場(chǎng)景的三維成像。利用自聚焦算法獲得高質(zhì)量的SAR圖像可以保證InSAR后續(xù)干涉處理的準(zhǔn)確性。
　　本文第一章緒論分別回顧了SAR和InSAR的發(fā)展歷史，詳細(xì)描述了自聚焦算法與InSAR技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，最后概括了本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章研究了基于多子孔徑處理的SAR自聚焦算法。在傳統(tǒng)基于多

3、子孔徑處理的SAR自聚焦算法中，基于二階導(dǎo)數(shù)的子孔徑相位誤差函數(shù)拼接技術(shù)雖然可以正確實(shí)現(xiàn)對(duì)SAR圖像的自聚焦處理，但是在相位拼接過(guò)程中會(huì)引起相位估計(jì)誤差的嚴(yán)重積累，導(dǎo)致基于多子孔徑處理自聚焦方法的實(shí)際算法性能不夠理想。本章針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus，PGA)算法和子孔徑偏移(Map Drift,簡(jiǎn)稱MD)算法，提出了一種新的基于多子孔徑處理的自聚焦算法(PGA-MD)。理論分析以及

4、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比均表明無(wú)論針對(duì)條帶模式SAR圖像還是聚束模式SAR圖像，PGA-MD算法均可以有效提高子孔徑相位誤差函數(shù)的拼接精度，優(yōu)化基于多子孔徑處理的SAR自聚焦算法性能。
　　第三章研究了基于投影近似子空間跟蹤(Projection Approximation Subspace Tracking，簡(jiǎn)稱PAST)技術(shù)的自聚焦算法。基于特征向量法的自聚焦算法利用多個(gè)脈沖估計(jì)相位誤差函數(shù)，可以獲得比PGA算法更好的自聚焦效果，

5、但必須對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解(EigenvalueDecomposition,簡(jiǎn)稱ED)，所以該自聚焦算法運(yùn)算量大、工程實(shí)現(xiàn)困難。本章針對(duì)特征分解過(guò)程影響算法實(shí)時(shí)處理的問(wèn)題，提出了利用PAST技術(shù)估計(jì)所需特征向量，完成SAR圖像自聚焦處理。通過(guò)算法性能分析和實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)比，證明基于PAST技術(shù)的自聚焦算法在降低原自聚焦算法計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)，可以獲得同樣優(yōu)于PGA算法的自聚焦性能，是一種可滿足實(shí)時(shí)處理要求的有效自聚焦算法。利用該算

6、法替代PGA算法對(duì)子孔徑相位誤差函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，可以更進(jìn)一步提高基于多子孔徑處理SAR自聚焦算法的算法性能。
　　第四章主要介紹了InSAR高程測(cè)量的原理及其信號(hào)處理過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。本章首先通過(guò)公式推導(dǎo)，對(duì)干涉相位的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了分析和研究，然后對(duì)InSAR高程測(cè)量的信號(hào)處理流程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，利用實(shí)測(cè)干涉數(shù)據(jù)給出了部分關(guān)鍵步驟的處理結(jié)果。隨后通過(guò)研究SAR工作的成像幾何關(guān)系，推導(dǎo)出由干涉相位值生成數(shù)字地形高度圖(Digital

7、 ElevationModel，簡(jiǎn)稱DEM)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換公式，完成干涉相位值到高程值的轉(zhuǎn)換過(guò)程。最后，詳細(xì)分析了圖像中目標(biāo)位移的原因，并具體推導(dǎo)了目標(biāo)在方位向和距離向上的位移量與成像幾何，目標(biāo)高度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提供了正確定位目標(biāo)真實(shí)位置的方法。
　　第五章重點(diǎn)研究了InSAR相位解纏繞技術(shù)。二維相位解纏繞處理是InSAR數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。本章提出了一種基于等效殘差點(diǎn)的InSAR相位解纏繞算法。該算法首先提出了等效殘差點(diǎn)的概念，利用質(zhì)

8、量圖與殘差點(diǎn)分布之間的關(guān)系，將殘差點(diǎn)密集的低質(zhì)量相位區(qū)域視為等效殘差點(diǎn)，采用不同方法分別對(duì)高質(zhì)量相位區(qū)域和等效殘差點(diǎn)的內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行相位解纏繞。新的相位解纏繞算法基于等效殘差點(diǎn)正確的設(shè)置枝切線，可以阻止由于積分路徑穿過(guò)殘差點(diǎn)密集的低質(zhì)量相位區(qū)域所引起的展開(kāi)相位跳變現(xiàn)象，同時(shí)利用多像素單元共同估計(jì)的方法對(duì)殘差點(diǎn)的內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行相位展開(kāi)，突破了傳統(tǒng)相位解纏繞算法對(duì)于干涉相位梯度值的限制，并且可以有效阻止相位解纏繞誤差由低質(zhì)量相位區(qū)域向高質(zhì)量相位