[发明专利]一种合成孔径雷达干涉测量电离层相位估计和补偿方法

摘要

本发明一种合成孔径雷达干涉测量电离层相位估计和补偿方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：步骤一：主副影像精确配准以及重采样副影像；步骤二：查找表优化以及再次重采样副影像；步骤三：主副影像的带通滤波和全带宽、子带差分干涉图的生成；步骤四：电离层相位估计；步骤五：地表形变相位解算。本发明能够获取更为准确的配准偏移量，影像的相干性显著提高，干涉纹图更为连续。本发明构造了前后子带SLC影像，利用多孔径雷达干涉测量方法可以识别电离层路径延迟对雷达影像的影响。本方法构造了两个不同中心频率的上、下子带信号，通过优化电离层估计处理步骤，估计并消除由于电离层的电子密度变化引起的相位误差，提高了干涉测量精度。

主权项

1.一种合成孔径雷达干涉测量电离层相位估计和补偿方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：/n步骤一：主副影像精确配准以及重采样副影像/n采用优化的查找表以及多项式拟合函数进行主副影像精确配准以及重采样副影像；/n利用距离―多普勒模型即R-D模型以及地球模型，根据公式(3)建立成像目标在主影像坐标与副影像坐标之间的非线性映射关系；/n /n其中，R为传感器到点目标之间的距离，R_s和R_t分别为传感器和点目标的位置矢量，λ为雷达波长，f_d为多普勒频率，v_s和v_t分别为传感器和点目标的速度矢量，R_e为赤道位置地球半径，R_p为极地半径，h为点目标高程，(x_t,y_t,z_t)为点目标位置矢量在地心惯性参照系下的分量；利用公式(3)计算地面点目标的方位向和距离向成像时间，从而得到点目标在雷达影像上的位置；因此，能确定像元在主副影像上的对应坐标值，即获得初始查找表；/n利用主副影像以及地理坐标系下的数字高程模型DEM，根据公式(3)计算初始查找表，初始查找表包含了与主影像像元坐标相对应的副影像坐标系下的距离向和方位向坐标；将主影像利用初始查找表转换到副影像坐标系下，利用强度相关追踪法即公式(4)计算转换到副影像坐标系下的主影像像元与对应的副影像像元之间的配准偏移量：/n /n其中，p和q分别表示参与计算的两幅影像，C表示在两幅影像中以第i行j列为中心的N行M列的两个窗口的协方差函数，n和m分别表示行和列偏移量，k和l表示窗口中参与相关计算像元的行列位置，当(Δi,Δj)取(n_max,m_max)时表示C取得最大值时的行列号，得到副影像坐标系下的主影像像元与对应的副影像像元之间的配准偏移量；利用公式(5)对上述计算的配准偏移量与副影像像元坐标进行多项式拟合：/n /n其中，Rg_off和Az_off分别为距离向和方位向配准偏移量，rg和az分别为距离向和方位向坐标，a_i和b_i分别为待估参数；利用拟合的多项式对初始查找表进行优化，利用上述优化的初始查找表将副影像重采样到主影像几何框架下；/n步骤二：查找表优化以及再次重采样副影像/n多孔径雷达干涉测量方法MAI采用带通滤波器对雷达单视复数影像SLC进行方位向频谱分割，生成前、后视两对主副影像，将前视和后视主副影像分别进行干涉处理得到前视和后视干涉图，然后将这两幅前、后视干涉图共轭相乘产生一幅多孔径差分干涉图，从而获得方位向相位变化量φ_MAI；l为雷达天线长度，φ_MAI与地物位置变化量x的函数关系为：/n /n利用MAI方法计算的差分干涉相位，识别电离层对配准精度的影响；将方位向分割频谱差分干涉相位转换为方位向像元偏移量δ_az，方位向像元偏移量与方位向分割频谱差分干涉相位的关系为：/n /n其中，λ为波长，θ_f和θ_b分别为前、后斜视角度；/n查找表优化步骤：利用公式(6)和(7)估计主影像与步骤一中第2次重采样副影像之间的方位向像元偏移量，将估计的方位向像元偏移量与步骤一中的优化查找表相加，进一步优化查找表，然后利用新的查找表和步骤一估计的主影像与重采样后副影像之间的配准偏移多项式再次重采样副影像；利用MAI方法重新估计主影像与重采样的副影像的电离层影响，如果生成的图像中还存在明显的非0相位，重复查找表优化步骤，直至不存在明显的非0相位为止；/n步骤三：主副影像的带通滤波和全带宽、子带差分干涉图的生成/n主副SLC影像M和S在方位向利用带通滤波器滤波生成各自的主副上子带SLC影像M_h、S_h，以及主副下子带SLC影像M_l、S_l；雷达接收机通过与参考信号混合，在雷达频谱的中心频率处将微波频率获取的回波转换为基带，这种方法能最小化表达SLC信息所需的带宽；带通滤波获得的上、下子带SLC影像还不是基带，这是由于新的载频与原始载频的偏差会引起调制相位；因此，需要在时间域上进行解调，在斜距向上乘以解调相位，从而获得具有新的上、下载波频率的SLC影像；/n全带宽、子带干涉处理通过相应的主副影像共轭相乘φ＝M·S^*获得，利用DEM模拟干涉相位补偿地形相位后得到差分干涉相位Δφ；其中，上、下子带差分干涉处理采用以下步骤完成：/n利用步骤一估计的主影像与重采样后副影像之间的配准偏移多项式和步骤二生成的优化查找表，分别对上、下子带副影像S_h和S_l进行重采样，对配准后的上子带主副影像和下子带主副影像分别进行干涉处理，采用相应的高程数据消除地形相位，得到上、下子带差分干涉相位Δφ_h和Δφ_l：/n /n其中，f_h和f_l分别为上、下子带载频；/n步骤四：电离层相位估计/n全带宽、上、下子带差分干涉相位Δφ₀、Δφ_h和Δφ_l是缠绕的，在估计电离层相位之前需要解缠；解缠之前，采用Goldstein-Werner滤波方法对差分干涉图进行滤波，降低噪声并插值低相干区域；采用最小费用流算法MCF对差分干涉图进行空间解缠；/n采用迭代解缠处理：差分干涉图初始滤波采用强滤波并解缠，获得一幅差分干涉图的空间低频分量图对第1次差分干涉残差图进行较强滤波并解缠得到如果整体相位没有控制在(-π,π)内，继续对第2次差分干涉残差图进行较强滤波并解缠得到重复上述过程，直至基本控制在(-π,π)内，将至叠加即为Δφ的解缠相位；解缠相位继续采用不同的滤波窗口和权重的移动窗口滤波器进行迭代空间滤波；通过解算方程组(8)，得到电离层估计相位/n /n将公式(9)进行转换计算电离层相位，以减小处理步骤，降低相位噪声和解缠误差；/n /n对于上、下子带载频f_h＝f₀+Δf/2和f_l＝f₀-Δf/2，由于载频偏移量Δf＜＜f₀，因此a和b简化为：/n /n公式(9)改写为：/n /n步骤五：地表形变相位解算/n差分干涉相位Δφ是形变相位Δφ_defo、电离层相位Δφ_iono以及轨道、地形、对流层的残余相位Δφ_other的总和；对于长波长雷达数据，Δφ_other相对较小，忽略不计，因此按照公式(10)估计的电离层相位，形变相位Δφ_defo的估计值为：/n /n