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凭借对目标区域快速重访和长时间观测的优势,地球同步轨道合成孔径雷达差分干涉系统(Geosynchronous Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry,GEO D-InSAR)可以实现对地震和滑坡等突发自然灾害的快速形变监测。特别地,GEO D-InSAR对目标的长时间覆盖这一特点使它具有丰富的多角度数据获取能力,可以对观测区域实现高精度三维形变反演。因此,GEO D-InSAR解决了低轨合成孔径雷达重访时间长和三维形变反演精度极差的问题。然而,由于特殊的高轨轨道,GEO D-InSAR系统三维形变反演面临很多问题。首先,保证GEO D-InSAR一维形变反演的精度是获得高精度三维形变反演的基础。然而,受非平行重轨轨迹,系统斜视模式以及多重干扰的严重影响,干涉图的相干性和相位精度严重下降,同时,传统形变反演模型也会产生严重偏差。特别是,在长合成孔径时间和大观测区域条件下,较低的工作频率使系统不仅受电离层干扰影响明显,而且机理十分复杂。其次,当形变反演从一维拓展到二维及以上时,由于需要利用多个子孔径进行处理,需要研究使反演精度最优的多角度几何下的子孔径选择方法。同时,需要考虑高轨条件下合适的形变反演和精度分析模型,以及不同轨道和系统参数对反演精度的影响。最后,还需要设计实施合理的GEO D-InSAR三维形变反演等效验证实验。针对上述问题,本论文的主要研究内容和成果如下:1.针对高轨条件下GEO D-InSAR系统面临的严重摄动和多重干扰影响等问题,研究了GEO D-InSAR一维形变反演方法并分析了性能。1)针对GEO D-InSAR系统受到不同去相关源的影响,对这些去相关源进行了精确地建模和定量影响分析,给出了为保证高相干性所需要的系统参数指标和处理算法精度。针对不平行重轨产生的严重的旋转去相关,基于波数域分析理论,提出了最小旋转去相关准则下最优的干涉对数据获取方法,消除了旋转去相关的影响;2)定量分析了相位噪声、轨道和数字高程模型误差以及对流层干扰对GEO D-InSAR干涉相位误差的影响。表明了在理想的系统参数设计和处理条件下,上述三种相位误差均只对应于毫米级的形变测量误差;3)基于高程敏感度最优和斜视距离多普勒定位方程,推导了适合于GEO D-InSAR斜视几何下的高程和形变反演模型,实现了高精度高程和形变信息反演。2.针对多重干扰中影响最严重的时空变电离层干扰,研究了它对GEO D-InSAR的影响和补偿方法。1)针对长合成孔径时间下背景电离层“冻结模型”失效的问题,建立了高精度时空变背景电离层信号模型,推导了时空变背景电离层引入的距离和方位向偏移去相关以及干涉相位屏误差表达式。通过实测背景电离层数据分析,表明了方位向偏移去相关和干涉相位屏误差是时空变背景电离层干扰带来最严重的问题;研究了基于稳定相干目标点的干涉相位屏补偿方法,实现了上百公里大场景下厘米级的形变测量精度;2)针对传统电离层闪烁对合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)SAR影响分析中忽略幅度闪烁信号影响和缺乏定量分析的不足,基于闪烁采样模型和功率谱分析,推导了幅相闪烁下的地球同步轨道SAR(Geosynchronous SAR,GEO SAR)方位向成像指标与闪烁信号参数间的解析关系,表明方位向积分旁瓣比恶化是最主要的影响;基于建立的解析关系和正态随机信号双线性变换模型,获得了相关系数和闪烁强度指标间的解析式,表明了中等闪烁会导致明显的去相关;提出了基于优化轨道设计的电离层闪烁规避方法和基于熵准则最小的幅相联合补偿自聚焦算法,可以消除电离层闪烁对干涉处理性能的影响。3.针对一维D-InSAR形变测量无法获得沿轨向形变信息的缺点,研究了基于多孔径干涉(Multiple-aperture Interferometry,MAI)的GEO SAR二维形变反演。针对GEO SAR系统具有大全孔径范围的特点,推导了GEO SAR系统斜视模式下基于MAI处理的二维形变量和误差表达式;提出了以沿轨基线长度为主要指标的MAI最优子孔径选择方法;证明了由于对目标近似“聚束”的照射,GEO D-InSAR系统具有的最优沿轨基线更长,获得的沿轨向形变测量精度比低轨D-InSAR更高;详细讨论了不同轨道和系统参数设计下的沿轨向形变测量性能;提出了三步校正法消除了前后视子孔径间大视角变化导致的子孔径干涉图间几何扭曲和MAI干涉图中的多周期地形和平地相位误差,实现了高精度二维形变反演。4.针对GEO D-InSAR系统多角度信息获取能力丰富的特点和缺乏目标三维形变场信息无法全面评估形变类灾害影响程度的问题,研究了GEO D-InSAR多角度三维形变反演。考虑在波束控制的条件下,GEO D-InSAR系统具有丰富多角度数据获取的优势,根据能量消耗(波束调整次数)和精度,建立了基于MAI和多角度观测法进行三维形变反演的模型并分析了对应的误差,实现了多角度几何下的三维形变反演;针对缺乏合理的三维综合精度评估准则和最优的子孔径数据选择方法的难题,提出了基于定位精度系数的三维形变精度评估准则,并研究了该准则下最优的子孔径选择方法;提出了基于人工神经网络模型的不同轨道设计和观测区域下的最优三维形变反演精度和子孔径选择的分析方法,为获得三维形变反演性能最优意义下的轨道设计提供理论支撑;首次设计实现了基于北斗二代倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,IGSO)导航卫星和双直达波天线的GEO D-InSAR三维形变反演等效验证实验。不仅验证了利用GEO D-InSAR实现三维形变反演的可行性,以及提出理论和方法的正确性,还表明在较好相干性的条件下,GEO D-InSAR具有获得厘米级甚至毫米级的三维形变反演的能力。