[发明专利]一种基于曲面投影的InSAR成像方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，它特别涉及合成孔径雷达（SAR）成像技术领域。

背景技术

合成孔径雷达（SAR）是一种高分辨率的微波成像系统。合成孔径雷达利用大时宽带宽信号实现距离向高分辨率，依靠雷达和目标之间的相对运动来合成虚拟阵列获取方位向高分辨率，可以对照射场景进行二维成像。合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是一般SAR功能的延伸和扩展，是利用两个或者多个位置不同的天线观测同一个目标场景，根据目标到不同天线的斜距差获得测量数据的干涉相位，再通过平台与地面观测场景的几何关系反演出地面场景的数字高程信息的技术。由于具有全天时、全天候的特点，InSAR已经成为当前提取大面积地表三维图像和地形高程变化信息的一项重要遥感技术，在地形测绘、自然灾害监测和自然资源调查等领域发挥越来越大的作用。

高质量的干涉相位是InSAR获取高精度地形数字高程模型（DEM）的基础，随着高程测量精度的不断提高，InSAR数据处理对干涉相位质量的要求也越来越高，一方面需要提高InSAR成像的干涉相位保持精度，另一方面需要稀疏化干涉条纹，以降低后续InSAR数据处理中相位解缠的难度，提高高程反演精度。传统的InSAR成像处理通常采用距离多普勒（RD）算法、变尺度（CS）算法、距离徙动（RM）算法等获取SAR图像，这些成像算法由于基于参考点成像，同时对平台运动轨迹作了近似直线处理，降低了InSAR成像精度和干涉相位保持精度。在提取干涉相位以后，干涉相位的表现形式是干涉条纹，通常陡变地形区域的干涉条纹密集，使得后续相位解缠的难度增加，同时相位解缠的精度也大大降低，导致最后的高程反演精度也明显降低，因此，如何稀疏化干涉条纹并提高相位解缠精度一直是InSAR技术研究的重点。

反向投影算法是一种基于时域相干处理的成像算法，其基本思想是通过计算成像区域内每一散射点到合成孔径长度内雷达平台天线相位中心之间的双程时延，然后将对应的时域回波信号进行相干累加，从而恢复出每个散射点的散射系数信息。曲面投影算法是反向投影算法的改进算法，曲面投影算法通过在低精度的高程曲面上进行反向投影成像，精确计算投影曲面上每个散射点与一个合成孔径长度内雷达平台天线相位中心的斜距信息，实现每个散射点的精确聚焦。将曲面投影算法应用于InSAR数据成像，不仅可以减小由于参考点近似和平台运动轨迹误差对成像的影响，提高InSAR成像精度和干涉相位保持精度，而且可以稀疏化陡变地形区域的干涉条纹，使得提取的干涉相位易于相位解缠，同时提高相位解缠精度，从而提高高程反演精度。

发明内容

为了得到高精度的InSAR干涉相位，同时稀疏化陡变地形区域的干涉条纹，本发明提出了一种基于曲面投影的InSAR成像方法，该方法通过在低精度的高程曲面上进行反向投影成像，将不同雷达天线的测量数据投影到以低精度高程曲面建立的InSAR成像空间中，提高了InSAR成像精度和干涉相位保持精度，同时提取干涉相位以后，陡变地形区域的干涉条纹稀疏，后续相位解缠的难度降低，相位解缠的精度提高，使得高程反演的精度提高。

为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义：

定义1、合成孔径雷达干涉测量（InSAR）

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）指利用两个或者两个以上的SAR数据中的相位信息进行相干处理，结合雷达参数和雷达几何位置信息反演地表三维及其变化信息的遥感技术，详见文献“合成孔径雷达成像原理”，皮亦鸣等编著，电子科技大学出版社出版。

定义2、数字高程模型（DEM）

数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是指利用一组有序数值阵列形式表示地表或地面高程的一种实体地面模型。本发明中DEM表示成一系列地面点的平面坐标X、Y和高程坐标Z组成的数据阵列。对于一个地面区域D，地形DEM表示为

DEM={D_i|(x_i,y_i,z_i),i∈D}

其中(x_i,y_i)是第i个地面像素点对应的平面坐标，z_i是对应的高程坐标。

定义3、雷达成像空间

雷达成像空间是指将场景空间中的散射点投影到距离向－方位向－高度向的三维空间坐标系，该空间由合成孔径雷达成像空间中的三个相互正交的坐标基确定。目前典型的合成孔径雷达成像空间包括距离向－方位向－高度向投影空间。本发明中用以下数学关系表示成像空间M：