【摘要】：合成孔徑雷達(dá)差分層析(Differential Synthetic Aperture Radar Tomography,D-TomoSAR)技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù),它可進(jìn)行高精度多維成像獲得地表的高程以及形變信息。目前,該技術(shù)已在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、地球物理參數(shù)反演以及城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí),當(dāng)前星載SAR系統(tǒng)正朝著多平臺(tái)、多模式、高空間分辨和高重訪率方向發(fā)展,這為DTomoSAR理論的深入研究及其應(yīng)用擴(kuò)展提供了很好的機(jī)會(huì)。本文以星載多平臺(tái)SAR的一種最簡(jiǎn)單形式——星載雙基SAR為背景,針對(duì)其在進(jìn)行D-TomoSAR多維成像時(shí)所面臨的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題展開研究。在星載雙基SAR高分辨二維成像、不同形變情形下形變參數(shù)的求解以及地表三維形變參數(shù)的估計(jì)等方面提出了新的解決思路與處理算法,為促進(jìn)多平臺(tái)SAR實(shí)現(xiàn)多維成像以及推動(dòng)DTomoSAR的進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.針對(duì)長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間下星載雙基SAR的高分辨二維成像問題,提出一種基于SAR平臺(tái)與地面目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的高階距離模型,用于精確描述長(zhǎng)合成孔徑時(shí)間下星載雙基SAR與地面目標(biāo)之間的斜距歷程。通過分析SAR回波信號(hào)的二維空變特性,提出一種帶有殘余多普勒中心空變性校正的擴(kuò)展方位非線性變標(biāo)算法用于星載雙基SAR的高分辨二維成像,為后續(xù)進(jìn)行星載雙基SAR的多維成像奠定基礎(chǔ)。2.將高分辨率X波段的SAR數(shù)據(jù)用于D-TomoSAR系統(tǒng)中可以提高地表形變監(jiān)測(cè)精度,然而高頻率數(shù)據(jù)的使用會(huì)增加系統(tǒng)對(duì)地面微小形變的敏感度,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)到的地表實(shí)際形變情形與傳統(tǒng)所假設(shè)的線性形變模型不匹配,造成形變估計(jì)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此,本文首先對(duì)地表微小形變的其中一種形式——地表加速/減速形變趨勢(shì)展開研究,提出一種擴(kuò)展D-TomoSAR信號(hào)模型。通過分析所提信號(hào)模型的特點(diǎn),將D-TomoSAR多維成像處理過程轉(zhuǎn)換為一個(gè)二維多項(xiàng)式相位信號(hào)(Two Dimension Polynomial Phase Signals,2-D PPS)參數(shù)估計(jì)問題。考慮到D-TomoSAR信號(hào)本身特有的非均勻欠采樣特性,提出將RELAX算法引入二維乘積型高階模糊函數(shù)法中,用以實(shí)現(xiàn)地表高程以及形變加速/減速趨勢(shì)的估計(jì)。與傳統(tǒng)基于壓縮感知的求解方法相比,所提算法具有較小的運(yùn)算復(fù)雜度。3.除了地表的加速/減速形變趨勢(shì)這一種微小形變以外,場(chǎng)景中鋼結(jié)構(gòu)建筑物因溫度變化產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的季節(jié)性形變也是一個(gè)不可忽略的微小形變成分。因此,本文在上述研究基礎(chǔ)上又針對(duì)散射體存在的季節(jié)性形變情形展開研究,提出一種廣義D-TomoSAR信號(hào)模型。通過分析所提信號(hào)模型的特點(diǎn),將形變參數(shù)的求解過程轉(zhuǎn)換為對(duì)二維正弦-多項(xiàng)式混合調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的問題。因此,本文借鑒準(zhǔn)最大似然原理提出一種基于稀疏時(shí)頻重建的混合調(diào)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法用于對(duì)多種形變參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。與傳統(tǒng)基于壓縮感知的求解方法相比,所提算法具有較低的信噪比門限以及較小的運(yùn)算復(fù)雜度。4.利用傳統(tǒng)D-TomoSAR技術(shù)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)時(shí)只能得到目標(biāo)沿雷達(dá)視線向的形變參數(shù),無法準(zhǔn)確描述地表的真實(shí)形變情形。針對(duì)這個(gè)問題,本文在以上研究基礎(chǔ)上,對(duì)地表三維(東-西、南-北、上-下)形變參數(shù)的求解進(jìn)行了深入的研究。針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)幾何分解方法進(jìn)行三維形變參數(shù)求解時(shí)南-北向形變估計(jì)誤差太大的問題,本文將星載雙基SAR成像斜視角引入傳統(tǒng)D-TomoSAR信號(hào)模型中,建立了地表三維形變參數(shù)與SAR影像相位之間的關(guān)系,提出一種改進(jìn)D-TomoSAR信號(hào)模型。通過分析所提信號(hào)模型的特點(diǎn),提出利用2-D PPS相位系數(shù)估計(jì)算法對(duì)地表進(jìn)行等精度三維形變參數(shù)估計(jì)。與傳統(tǒng)幾何分解方法相比,所提算法降低了所需的數(shù)據(jù)量,并且不需要改變當(dāng)前衛(wèi)星的運(yùn)行軌道就能實(shí)現(xiàn)地表南-北向形變估計(jì)精度的改善,為等精度三維形變參數(shù)求解提供了一種新的解決思路。
【圖文】：

-2 Configuration diagram of Cartwheel and Penddarsat 星座[26]大開發(fā)的 Radarsat-2 衛(wèi)星成功發(fā)射，，該系其成像分辨率可以得到 1m，并且其特殊基礎(chǔ)上對(duì)南極地區(qū)進(jìn)行成像，為極地研究2 的基礎(chǔ)上，加拿大宇航局計(jì)劃在 2019 年t-2 和另一顆在軌衛(wèi)星形成衛(wèi)星星座，三上均勻分布，通過這種方式減小對(duì)地觀測(cè)行海洋探測(cè)，包括：冰川、石油污染以及系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，包括濕地、林場(chǎng)、農(nóng)田的變化

圖 1-2 Cartwheel 構(gòu)型與 Pendulum 構(gòu)型[25]Fig. 1-2 Configuration diagram of Cartwheel and Pendulum[25]拿大 Radarsat 星座[26] 年由加拿大開發(fā)的 Radarsat-2 衛(wèi)星成功發(fā)射，該系統(tǒng)為 C 波束模式下其成像分辨率可以得到 1m，并且其特殊的左視成成像模式基礎(chǔ)上對(duì)南極地區(qū)進(jìn)行成像，為極地研究提供了大RadarSat-2 的基礎(chǔ)上，加拿大宇航局計(jì)劃在 2019 年發(fā)射一顆 RadarSat-2 和另一顆在軌衛(wèi)星形成衛(wèi)星星座，三顆衛(wèi)星將同一軌道上均勻分布，通過這種方式減小對(duì)地觀測(cè)的重訪周應(yīng)用是進(jìn)行海洋探測(cè)，包括：冰川、石油污染以及船舶運(yùn)動(dòng)以及生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，包括濕地、林場(chǎng)、農(nóng)田的變化監(jiān)測(cè)等。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN957.52

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2683499