基于StereoSAR辅助的InSAR DEM重建方法研究

StereoSAR与InSAR是两种利用合成孔径雷达图像重建DEM的关键技术。InSAR利用SAR干涉像对的相位信息重建高程,具有DEM重建精度高的特点,但DEM重建精度受环境、时间等失相干因素影响较大;StereoSAR是利用SAR立体像对的幅度信息重建高程,尽管DEM重建理论精度比InSAR差,但受失相干因素影响小,并且可以在缺乏外部辅助高程信息时获取绝对DEM。在传统的InSAR处理中,干涉条纹密集区域相位解缠难度较大,存在相位解缠错误和错误传播现象,且在没有地面控制点或外部DEM的时难以获得绝对DEM。文中提出了一种迭代式的基于StereoSAR辅助的InSAR高精度DEM重建方法,该方法可以在缺乏外部高程信息时获得绝对DEM,降低干涉条纹密集区域相位解缠的难度,提高DEM重建精度。采用文中所提方法、传统InSAR方法及公开DEM辅助InSAR DEM重建方法,分别在地形复杂与平坦区域进行DEM重建,并用ICESat/GLAS及TanDEM-X DEM进行精度评估。DEM重建结果验证了文中所提方法的有效性,所提方法的DEM重建精度优于传统InSAR方法且与公开DEM辅助InSAR DEM重建方法精度相当。     

用多路径SAR进行高分辨力三维成像

空载/机载合成孔径雷达（SAR）系统实现了高分辨力二维地面成像。本文提出了在抑角方位稍有偏差的航迹上所获得的多个SAR图像合成，得到高分辨力三维图像的成像技术。此技术可以看作是干涉测量SAR技术（InSAR)的延伸，因为它在地形成像测绘中增加了一维分辨方位。三维多路径SAR成像系统的典型特征是仰角上的模糊距离较短。为了尽量减轻模糊度，我们利用那组航迹图象内的相关相位信息跟踪地形，然后通过一个非均匀DFT，在以“显著”地形地平面为中心的窄范围（仰角方位）内相关地合成这些图像。本文详细描述了这种三维成像技术及其理论依据。包括可达到的分辨、实验性研究结果等。     

基于粗数字高程模型信息的干涉相位图生成方法

该文提出了一种基于粗数字高程模型(DEM)信息的干涉相位图生成方法,其思路为充分利用已有的DEM信息来完成SAR图像配准-干涉相位滤波处理。此方法首先根据粗DEM信息和系统参数计算得到SAR图像中每一像素的2维配准偏移量,从而完成SAR图像的配准。在干涉相位滤波中,由粗DEM信息仿真生成已知地形的干涉条纹图用以补偿InSAR系统录取得到的干涉相位,再对残余相位进行滤波处理,提高干涉相位滤波的性能。另外,对于高分辨率SAR图像,粗DEM高程误差和系统参数误差会引入较大的图像配准误差,该文再利用联合像素子空间投影方法进一步完成SAR图像的精确配准和相位滤波。仿真结果验证了该文方法的有效性。     

一种机载重轨干涉SAR相位偏移量估计算法

机载干涉SAR获取DEM的过程中,绝对相位与展开后的相位存在一个常数相位偏移量。这需要利用照射区域内角反射器的地理信息去估计这个偏置。然而,人工布设角反射器浪费人力物力。同时,在一些危险区域人工布设和测量角反射器也是难以实施的。为了克服这一限制,相位偏移量可以利用外源DEM提取的地面控制点去估计,然后通过斜坡相位模型迭代估计误差。由于机载重轨干涉SAR的时变基线误差会影响算法中斜坡相位估计模型与线性求解的匹配性能,从而影响算法估计精度。提出了一种兼顾时变基线估计和补偿的相位偏置迭代估计算法。机载C波段0.5m高分辨率重轨干涉SAR实测数据用于验证该算法的有效性,高程重建精度在4m以内。该方法简单快速,且能够消除对人工角反射器的依赖性,适合无定标点情况下机载InSAR的DEM反演。     

一种基于和差波束的机载 SAR 定位方法

机载 SAR 绝对定位技术可以直接对地面目标进行定位,无需地面参考点,对于军事及民事应用具有重要的实用价值.该文提出一种新的机载 SAR 对地定位方法,主要研究在无地面参考点的情况下,利用和差波束 SAR图像直接对地面目标定位,获取地面目标3维坐标信息.论文分析了载机速度、高度及测角误差对定位精度的影响,并与传统基于距离多普勒模型的定位方法进行了比较,最后通过仿真实验验证了该定位方法的有效性.     

基于DEM辅助后向投影模型的InSAR高程反演方法

利用干涉合成孔径雷达(InSAR)技术获取数字高程模型(DEM)时,在地形起伏剧烈区域,干涉条纹十分密集,增加了相位解缠的难度,影响相位展开和高程反演的精度。为了解决该问题,该文提出了一种基于DEM辅助后向投影模型的InSAR高程反演方法。该方法可以在统一的后向投影成像空间中实现成像和InSAR高程反演,并且引入外源DEM作为辅助信息,去除大部分地形相位,有效地降低了干涉条纹的密度,减少了干涉相位的缠绕。此外,该方法在多数情况下可以避免图像配准和相位解缠过程,简化了传统InSAR的处理流程,并且可以实现高精度的高程反演。通过仿真实验和X波段机载双天线InSAR数据的处理验证了该方法的有效性。      

L波段机载重轨干涉SAR系统及其试验研究

该文介绍了一种L波段机载重轨干涉合成孔径雷达(SAR)系统及其开展的重轨干涉SAR飞行试验与数据反演研究。重点介绍了系统内定标方法、基于差分全球定位系统/惯性测量单元(DGPS/IMU)组合导航系统的重轨干涉SAR(InSAR)成像处理方法、残余运动误差(RME)估计和补偿算法以及干涉SAR模型下高程反演方法。在实测飞行试验数据中选择了两块具有代表性的试验区域,详细分析了重轨干涉SAR数据的相干性和残余运动补偿的效果,并通过干涉反演得到试验区的高程图(DEM),利用地面测量点验证得到两试验区的高程精度分别为3.40 m和2.85 m。实验结果表明该系统具有重轨干涉SAR数据获取及高精度高程反演能力,这对机载重轨干涉SAR系统设计及重点区域地形测绘具有重要借鉴意义。在飞行航迹控制较好的情况下,该系统可用于差分干涉SAR、极化干涉SAR以及层析SAR等的研究。      

多方位高分辨率SAR的三维目标自动重建(一)目标像的检测

用多方位SAR图像融合获取立体目标信息是高分辨率SAR的一项关键应用技术.以t长方体为建筑物目标模型,提出从多方位米级分辨率SAR图像自动重建三维立体建筑物目标的方法.全文分两部分,第一部分介绍从米级分辨率SAR图像检测提取建筑物目标像的方法.先用恒虚警率(CFAR)检测器检测各方位SAR图像中建筑物目标像的边缘,然后用脊滤波细化边缘,再根据条状建筑物像的直线特征,用分块平行线Hough变换检测平行线段,最终检测得到平行四边形的建筑物目标像.文中用虚拟场景模拟的SAR图像和机载全极化X波段Pi-SAR图像做试验,提取了建筑物目标像.第二部分以本文为基础进行三维建筑物目标群的重建.     

利用分布式小卫星InSAR系统获取宽域、 高分辨率、高精度三维地形

 传统星载SAR系统受最小天线面积条件的限制,其横向分辨率与测绘带宽度相矛盾,无法同时实现大测绘带和高横向分辨率.分布式小卫星SAR系统可使这一矛盾得到解决.当分布式小卫星的构形为三维超大立体阵时,还可以同时获得地面场景的高度信息.然而,三维超大立体阵构形的分布式小卫星InSAR系统对数据处理提出了很多挑战.其中,数据配准(宽带阵问题)和自适应处理时样本的选取问题是两大关键挑战.本文的研究目的在于解决分布式小卫星InSAR系统所面临的这些问题,以实现大测绘带、高分辨率和高精度的三维地形重构.仿真实验结果证明了本文方法的有效性.     

基于模型的单幅高分辨SAR图像建筑物高度反演方法

高分辨合成孔径雷达(SAR)图像的丰富使得建筑物三维信息获取成为城区遥感的一项重要研究课题.针对单幅SAR图像建筑物的高度估计问题,提出了一种基于模型的高度反演方法.该方法遵循假设检验的思路,通过正交投影模型实现模型假设的快速生成,并设计了基于分割的似然函数,利用模拟退火算法在高维模型假设空间中搜索最优解.基于模拟和实测机载SAR图像的实验验证了算法的有效性.     

利用粗DEM信息的分布式卫星InSAR图像精配准算法

针对分布式卫星干涉合成孔径雷达图像配准中最大相干相关法在实际应用中缺乏理想相位估计值问题,提出利用粗数字高程模型反演干涉相位图作为理想相位估计值的处理方法。该方法通过在图像粗配准后利用主辅SAR图像的轨道信息、粗DEM以及主图像雷达成像几何反演出干涉条纹图,并将其作为理想干涉条纹估计值应用在最大相干相关法求取精配准偏移量中。此外,本文根据多基星载SAR雷达成像几何给出了利用粗DEM对SAR图像各像素对应目标点通用的空间定位方法及其干涉相位反演方法。ERS-1/2数据实验结果验证了本文方法的有效性。      

Sea surface imaging with an across-track interferometric syntheticaperture radar: the SINEWAVE experiment

An across track interferometric synthetic aperture radar (InSAR) is used to image ocean waves. Across track InSAR data were acquired during the SAR INnterferometry Experiment for validation of ocean Wave imaging models (SINEWAVE) in the North Sea using an airborne X-band radar with horizontal polarization. A wind sea system was imaged at different flight levels and with different flight directions with respect to the ocean wave propagation direction. Simultaneously, ocean wave spectra were measured by a directional wave rider buoy. Thus, the experiment data comprises synthetic aperture radar (SAR) intensity, coherence, and phase images together with in situ measurements. As shown in a recent theoretical study by Schulz-Stellenfleth and Lehner (2001), across track InSAR provides distorted (bunched) digital elevation models (DEMs) of the sea surface. Using SINEWAVE data the DEM bunching mechanism is verified with in situ ocean wave measurements available for the first time. It is shown that significant waveheight as well as one-dimensional (1D) wavenumber spectra derived from bunched DEMs and buoy data are in good agreement for small nonlinearities. Peak wave directions and peak wavelength detected in bunched DEMs and SAR intensity images are compared with the buoy spectrum. Peak rotations of up to 30° with respect to the buoy spectrum are found depending on flight direction and flight level. Two-dimensional (2D) spectra of bunched DEMs, corresponding coherency maps, and SAR intensity images are intercompared. The signal-to-noise ratio (SNR) of bunched DEM spectra is shown to be about 5 to 10 dB higher than the SNR of SAR intensity image spectra     

机载双天线InSAR对飞数据处理与分析

干涉合成孔径雷达(InSAR)技术具有高精度的地形测绘能力。然而在山区地形条件下,受SAR侧视成像的影响,存在较多的几何畸变区域,干涉相位表现为不连续或者缺少有效信息的情况,对单一的干涉图像对处理难以得到精确的数字高程模型(DEM)。融合两个或多角度的干涉数据可以用于解决这一问题。该文根据这一思路利用机载双天线InSAR对飞数据进行实验,针对山区地形条件下参考高程近似影响运动补偿精度的问题提出了基于高程迭代的运动补偿方法,对于阴影、叠掩区域容易导致相位解缠误差的问题提出基于地形特征的相位解缠方法,从而尽可能降低单一角度数据的DEM误差,以达到消除对飞数据重叠区域3维定位不一致的目的,拼接实验结果验证了处理方法的有效性。      

一种改进的基于DEM的机载重轨干涉SAR运动补偿算法

该文研究了基于DEM(Digital Elevation Model)的高精度重轨干涉SAR运动补偿算法。分析了平地假设及波束中心近似造成的残余运动误差的影响,表明对重轨干涉SAR系统进行基于DEM的高精度运动补偿的必要性。分析了对外部DEM数据精度要求,指出利用低精度DEM数据进行精确运动补偿获取高精度DEM数据的可行性。针对现有基于DEM运动补偿算法的不足提出改进算法。该算法根据载机轨迹偏移和地形起伏自动调节参数,可实现精确且高效的运动补偿。对X波段重轨干涉SAR数据进行运动补偿处理,验证了该算法的有效性及其在精度和效率两方面相比于现有算法的优势。     

Ocean wave imaging using an airborne single pass across-trackinterferometric SAR

An airborne single pass across-track interferometric synthetic aperture radar (InSAR) is used to image ocean waves. A theoretical model explaining the imaging mechanisms is developed, and simulations of the interferogram as well as the conventional SAR intensity image are presented for given ocean wave spectra. Distortions of digital elevation models (DEM) derived from InSAR data are explained by the motion of the sea surface. A Monte Carlo method based on forward simulations is used to estimate variance spectra of the distorted elevation models. It is shown that a straightforward estimation of wave height using the distorted InSAR elevation model is in good agreement with true wave height for low amplitude swell with about 10% error depending on propagation direction and coherence time. However, severe underestimation of wave height is found for wind seas propagating in flight direction. Forward simulations show that the distorted InSAR DEM is less dependent an the model chosen for the real aperture radar mechanism than conventional SAR images. Data acquired during an experiment over the North Sea by a high precision InSAR system are compared with simulations     

一种InSAR建筑物图像仿真及高程反演方法

城市建筑区域叠掩、阴影严重,图像理解困难且干涉相位变化复杂紊乱,一直是InSAR处理的困难区域。SAR图像仿真能为图像理解和处理方法研究提供数据支撑,然而现有建筑区域SAR图像仿真方法大多无法获得具有相干性的干涉SAR图像对。该文提出了一种面向建筑区域的干涉SAR复图像对仿真方法,能够获得建筑的复数图像对、干涉相位图以及叠掩成分数目等信息,为城区干涉SAR处理及信息提取研究提供仿真数据支撑。同时,基于仿真中对相位变化规律的分析,提出叠掩区相位解缠时的基准确定方法,解决传统解缠方法面临的叠掩区域干涉相位不连续问题,进而反演建筑高程信息。最后,通过建模仿真结果与实际SAR图像和干涉相位的对比,验证了仿真方法的正确性,并对仿真及实际干涉相位进行解缠和高程反演处理,验证了该文高程反演方法的有效性。      

合成孔径雷达干涉测量中的最优基线模型

基线是干涉合成孔径雷达(InSAR)工作原理中的关键参数，它使得图像对之间有了相干性，同时也是导致图像对相干性损失的一个根源。在数字高程模型(DEM)允许误差的条件下，一定存在最优基线使得DEM精度最佳。最优基线使得InSAR工作在最佳状态，准确地估计它可以大大提高地形高度的测量精度。文中首先根据InSAR测高成像几何关系和回波的信号谱分析了基线的存在引起的两方面影响，从而论证了最优基线的存在性。在此基础之上，从目标高度估计方差着手，对于平坦地区或坡度一定的地形，建立了合成孔径雷达干涉测量中的最优基线模型，并利用ERS-1／2干涉数据实验论证了该模型，最后讨论了一些系统参数和几何参数对最优基线的影响。