多發(fā)多收干涉合成孔徑雷達高程測量關鍵技術研究.pdf

1、干涉合成孔徑雷達(InSAR)是一種全天時、全天候的微波遙感技術，能夠提供高分辨率、高精度的地表數(shù)字高程圖。在地質(zhì)、地理和地球物理等許多學科有著廣泛的應用。傳統(tǒng)的單基線InSAR只能提供一個干涉相位，其相位展開的精度和可靠性較低，且難以應對大坡度、非連續(xù)以及高程重疊(Layover)等復雜地形。而多頻和多基線InSAR這一類具有多個觀測通道的模式由于能夠提供多個獨立干涉相位，大大提高了相位展開的可靠性和精度，并能夠解決復雜地形條件下的高

2、程測量問題。因此，多通道InSAR已成為目前國內(nèi)、外的研究熱點。近年來興起的MIMO雷達技術能夠在不增加真實觀測通道的條件下通過多發(fā)多收形成更多的虛擬觀測通道，為進一步提高多通道InSAR模式的高程測量性能提供了一條新的技術途徑。本論文的研究工作將圍繞多發(fā)多收干涉合成孔徑雷達高程測量的關鍵技術展開，主要的研究工作包括以下幾個方面：
　　 1)分析了多基線InSAR聯(lián)合像素矢量的協(xié)方差矩陣特征譜隨回波相干性和SAR圖像配準誤差的變

3、化情況。分析結(jié)果指出：在去相關效應不可忽略和各SAR圖像間的配準誤差各不相等且不為整數(shù)的時候，聯(lián)合像素矢量協(xié)方差矩陣的信號子空間將占據(jù)整個特征空間。此時，基于信號子空間向噪聲子空間投影的聯(lián)合子空間投影方法將會出現(xiàn)干涉信息損失，從而導致高程估計的穩(wěn)健性和精度下降。針對這一問題，提出了一種基于聯(lián)合像素矢量協(xié)方差矩陣擬合的多基線InSAR回波數(shù)據(jù)聯(lián)合處理方法。該方法能夠避免由于信號子空間占據(jù)整個特征空間而引起的干涉信息損失，具有更好的高程估計

4、精度和穩(wěn)健性。同時，該方法通過相關系數(shù)加權(quán)的方法抑制了采樣協(xié)方差矩陣各元素中的誤差項對高程估計的影響，保證了其在有限樣本數(shù)條件下的可靠性。
　　 2)根據(jù)常規(guī)多發(fā)多收(MIMO)雷達中常用的兩種信號分集方式，提出了基于頻率編碼和波形編碼的兩種MIMO InSAR高程測量模式，能以較小的代價換取高程測量性能的大幅提高。首先，由于MIMO技術帶來了更多的獨立觀測通道，因此MIMO InSAR模式的高程估計精度將高于傳統(tǒng)的多頻或多基線

5、InSAR模式。本論文分別推導了上述兩種MIMO InSAR模式下的高程估計的克拉美羅界，證明了MIMO InSAR模式對高程估計精度的改善。同時，獨立觀測通道數(shù)量的增加也提高了系統(tǒng)的高程估計穩(wěn)健性。通過組合不同的工作頻率和觀測基線，頻率編碼MIMO InSAR模式能夠有效的擴展系統(tǒng)的高程估計模糊間隔，在系統(tǒng)各工作頻率和各基線之間均不具有互質(zhì)關系的條件下，該模式仍然能夠得到穩(wěn)健的高程估計結(jié)果；而通過虛擬陣列擴展，波形編碼MIMO InS

6、AR模式能夠辨識數(shù)量多于真實觀測陣元的Layover單元，極大地提高了InSAR系統(tǒng)在復雜地形條件下的高程測量能力。
　　 3)針對波形編碼MIMO InSAR模式存在的調(diào)制波形正交性不足、缺乏高精度和大場景成像的算法等問題，提出了基于時間編碼和空間編碼的兩種MIMOInSAR模式。時間編碼模式通過各觀測陣元交替發(fā)射信號的方式，等效形成多發(fā)多收的各觀測通道，并且通過引入波束掃描技術，以犧牲方位向分辨率為代價實現(xiàn)寬域觀測。而空間編

7、碼模式則通過將各觀測陣元發(fā)射波束主瓣腳印在地面同一觀測條帶中彼此分離的方式等效形成了多發(fā)多收的各觀測通道，并通過在接收端使用子天線陣空域濾波來實現(xiàn)無多普勒模糊的寬域觀測。在以上兩種模式下，各觀測陣元發(fā)射信號回波間的可分離性不再依賴各發(fā)射信號間的正交性，可以利用線性調(diào)頻信號作為各陣元的發(fā)射信號，從而可以利用各種基于線性調(diào)頻信號的成熟算法完成高精度、大場景成像處理。
　　 4)針對MIMO雷達中由于回波數(shù)據(jù)維數(shù)的大幅增加而引起傳統(tǒng)參

8、數(shù)估計算法的運算量也隨之大幅增加的問題，提出了一種基于ESPRIT算法和Kalman濾波的高精度、低復雜度的MIMO雷達波達方向估計方法。該方法將MIMO雷達經(jīng)匹配濾波后形成的虛擬陣列分解為多個構(gòu)形相同但空間位置不同的虛擬子陣，利用這些虛擬子陣間的旋轉(zhuǎn)不變性得到了同一目標波達方向的多個估計值，并利用Kalman濾波對同一目標波達方向的多個估計值進行融合處理進一步提高了估計的高精度。該方法只需要對若干個維數(shù)較小的協(xié)方差矩陣進行特征分解且不

9、需要進行譜峰搜索，故其運算量遠小于傳統(tǒng)的參數(shù)估計算法。同時，該方法對陣列構(gòu)形沒有要求，能夠適用于MIMO模式下非均勻線陣以及二維陣列的波達方向估計問題。由于陣列波達方向估計與InSAR高程估計之間的相似性，本論文將該方法的基本思想應用于MIMO InSAR的高程估計問題，提出了一種低復雜度的MIMOInSAR高程估計算法，并且解決了由于MIMO InSAR虛擬觀測陣元空間超稀疏分布而帶來的近場陣列問題。不過，受到InSAR回波信號特有的