地基干涉雷达地形及形变测量技术研究

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地基干涉合成孔径雷达(GB-In SAR,Ground-based Interferometric Synthetic Aperture Radar)是一种具有全天候观测、高分辨率、高精度等优点的微波传感器。SAR干涉测量技术在地形测绘和形变测量中发挥着重要作用。本文主要围绕GB-In SAR系统获得高精度的DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)及形变的关键性技术进行研究,主要内容和取得的研究成果如下:(1)提出了一种优化的GB-In SAR地形测量方法。GB-In SAR对地形场景的干涉数据处理提取DEM过程中,其中干涉相位误差为DEM精度主要影响因素之一。常规的干涉相位滤波存在严重过、欠滤波现象,导致干涉相位失真。尤其大视场强起伏地形下也会导致干涉相位解缠正确率低,且未充分考虑数据采集过程中大气变化,最终引入较大干涉相位误差,严重影响DEM测量精度。因此,本文提出一种改进的干涉相位误差消除的方法,来保证DEM的高精度测量。首先,针对干涉相位滤波存在严重过、欠滤波现象,提出了一种自适应的干涉相位滤波方法。该方法首先通过对各基线下的雷达图像进行相干叠加,抑制一部分噪声。然后通过计算滑窗内PS(Permanent Scatterer,永久散射体)的平均相干系数自适应调节频域加权函数的幂指数,替代原有人工经验设定的值,显著地降低了干涉相位的噪声,并很好地保留了干涉条纹的边缘细节。其次,基于大气折射指数经验模型,利用场景内的气象数据估算出大气折射指数的变化,定量求解出观测区域内各斜距处的延迟相位误差,实现干涉相位的误差补偿。最后,采用局部加权回归(Locally Weighted Scatterplot Smoothing,Lowess)进行DEM平滑去噪,进一步削减相位解缠误差、延迟相位误差与噪声的残余相位。采用本文所提方法,对重庆綦江一处崖壁的实测数据进行了处理,通过与地面激光扫描仪(TLS,Terrestrial Laser Scanner)生成的DEM进行比较,该方法有效地降低了干涉相位误差,提高了DEM的测量精度。(2)提出了一种改进的面向复杂大气扰动下的GB-In SAR形变测量算法。大气扰动是地基干涉合成孔径雷达形变测量的主要误差源之一。在复杂大气条件下,常规的大气相位补偿方法不再适用,本文提出了一种基于PS技术的改进方法,对复杂大气条件下的大气相位进行有效补偿,进而提高形变测量精度。该方法首先通过Delaunay三角网建立临近PS对,分析各临近PS对的差分相位序列标准差,实现PS集合中的噪声点或部分形变点的滤除;然后根据气象数据估计出参考大气相位序列,通过计算剩余PS的干涉相位序列与参考大气相位序列的MIC(Maximal Information Coefficient,最大互信息系数),结合空间维相干系数,采用双阈值实现稳定PS的选择;最后采用Kriging插值拟合方法,实现复杂大气条件下的大气相位估计。采用本文所提方法,首先对九道拐区域实测数据进行了处理,相比于常规方法,有效降低了大气相位补偿误差,证明了改进方法的有效性。为直观验证形变测量的精度,将此改进方法应用于重庆市北碚区一处山体边坡的实测数据,通过与位移角反形变量对比,保证了GB-In SAR的形变测量精度。
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