（信息与通信工程专业论文）天基insar理想干涉量的仿真与应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 天基干涉合成孔径雷达( i i l s a r ) 是一种全天候、全天时、快速获取全球范围 高精度d e m 的重要手段，是目前国内外研究的热点。尤其是近几年提出的星载分 布式i n s a r 新概念系统更是将其研究推向高潮。由于影响测高精度的主要原因是 信息获取和处理各环节的误差，因此无论是已有的单平台单双航过i n s a r 系统， 还是星载分布式i n s a r 新概念系统都将测高误差分析与性能评价作为系统分析和 设计的重要研究内容。本文主要研究了理想干涉量的生成方法，并基于i n s a r 仿 真系统，对理想干涉量在天基i n s a r 测高系统误差定量分析与处理算法性能定量 评价方面的应用进行了研究。 第二章研究了天基i n s a r 测高原理。根据测高原理，给出了绝对干涉相位获 取及高程反演的测高处理流程；建立了较为全面的测高误差传递模型；分析了分 布式i n s a r 系统所特有的“三大同步误差 影响；分析了干涉去相关因素等，为 后续的星载i n s a r 理想干涉量的生成与应用研究奠定基础，最后介绍了笔者所在 课题组自主开发研制的天基i n s a r 处理仿真系统。 第三章研究了天基i n s a r 理想干涉量的生成方法。基于最一般的星载立体、 双基地干涉模型提出了天基i n s a r 理想干涉量的前向生成法和后向生成法。针对 计算理想干涉量运算量大的特点给出了两种快速改进方法：并行化处理和快速多 项式法，并从理论上分析了快速方法的精度。 第四章研究了理想干涉量在天基i n s a r 测高系统误差定量分析与处理算法性 能定量评价方面的应用。首先从仿真数据出发，利用理想干涉量对i n s a r 仿真模 型的正确性进行校核，分为两个方面：一是干涉复图像对是否如实反映了天基分 布式i n s a r 的相干特性，二是干涉相位图的统计特性与理论数学模型是否吻合； 其次以理想配准偏移量如何应用于分布式i n s a r 系统频率同步误差定量分析为例 说明理想干涉量在系统误差定量分析中的应用；然后给出了如何应用理想干涉量 对配准误差进行隔离，以及对i n s a r 信号处理性能进行定量评价；最后介绍了理 想干涉量生成与应用软件的功能和使用情况，该软件现已集成实现了本文所有的 研究成果。 主题词：干涉合成孔径雷达；分布式卫星；频率同步；理想干涉量；性能评价 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h es p a c e b o m ei n t e r f e r o m e t r i cs y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( i n s a r ) i san o v e lr e m o t e s e n s i n gs y s t e m ，a sa ni m p o r t a n tm e a n st oa c q u i r eq u i c k l yw o r l d w i d eh i g hp r e c i s ed e m d i s r e g a r dt i m ea n dw e a t h e r ，t h u se n a b l ei t ah o tr e s e a r c hi ni n s i d ea n do u t s i d ec h i n a e s p e c i a l l y ，t h es p a c e b o r n ed i s t r i b u t e di n s a rn e wc o n c e p t i o ns y s t e mb r i n g e df o r w a r d i nr e c e n ty e a r sm a d et h er e s e a r c ht or e a c hac l i m a x t oa c q u i r ei n f o r m a t i o na n dh a n d l e e r r o r si ne v e r ys t e pa r em a i nc a u s e st oi n f l u e n c et h ep r e c i s i o no fh e i g h tm e a s u r e m e n t ， s ob o t hf o rs i n g l ep a s si n s a rs y s t e m ，a n df o rr e p e a tp a s ss y s t e m ，h e i g h tm e a s u r e m e n t e r r o r sa n a l y s i sa n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na r ei m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n ti nf i e l d so f s y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g n t h i sp a p e rd e d i c a t e dt ot h eg e n e r a t i o nm e t h o do fi d e a l i n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r s ，a n db a s e do ni n s a rs i m u l a t i n gs y s t e m ，w o r k e do v e rt h e a p p l i c a t i o no fi d e a li n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r si ne r r o r sq u a n t i t i v ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g a r i t h m e t i cp e r f o m a n c eq u a n t i t i v ee v a l u a t i o no fs p a c e b o m ei n s a rh e i g h tm e a s u r e m e n t t h eh e i g h tm e a s u r e m e n tt h e o r yo ft h es p a c e b o r n ei n s a ri sg i v e ni nc h a p t e r2 a c c o r d i n g t o h e i g h t m e a s u r e m e n tt h e o r y ，t h a tt h e s e i z i n ga c t o ft h ea b s o l u t e i n t e r f e r o m e t r i cp h a s ea n dt h em a t h e m a t i cm o d e lf o rh e i g h tm e a s u r e m e n ta r ep r e s e n t e d ， t h a te r r o r st r a n s f e rr e l a t i o nm o d e lo fh e i g h tm e a s u r e m e n ti sb u i l tc o m p r e h e n s i v e l y ，a n d t h ei m p a c to ft h et h r e es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r sc h a r a c t e r i z e dt h ed i s t r i b u t e di n s a r s y s t e ms p e c i a l l yi sa n a l y z e d b yt h i s ，t h eg e n e r a t i o n a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h e s p a c e b o r n ei n s a ri d e a li n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r sa r eb a s e do n h e r ea l s oi n t r o d u c e dt h e s p a c e b o m ei n s a rp r o c e s s i n gs i m u l a t i o ns y s t e md e v e l o p e da n dr e s e a r c h e db yt h e a u t h o r sp r o j e c tg r o u pi n d e p e n d e n t l y t h eg e n e r a t i o nm e t h o do fs p a c e b o m ei n s a ri d e a li n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r si ss h o w n i nc h a p t e r3 b a s e do nt h em o s tc o m m o nb i s t a t i cm o d e l ，f o r w a r dg e n e r a t i o nm e t h o da n d b a c k w a r dg e n e r a t i o nm e t h o do ft h es p a c e b o r n ei n s a ri d e a li n t e r f e r o m e t r i cp h a s ew e r e s o u r c e df r o md o u b l eb a s ei n t e r f e r o m e t r i cm o d e l t w oq u i c ki m p r o v e dm e t h o d st ot h e h u g ec a l c u l a t i n gt a s ko f i d e a li n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r sa r e p r o p o s e d ，m o r e o v e rt h e p r e c i s i o no ft h et w om e t h o d sw i t ht h eq u i c kn a t u r ei sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yi n t h i s c h a p t e r t h ea p p l i c a t i o no fi d e a li n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r st oe r r o r sq u a n t i t ya n a l y s i sa n d p r o c e s s i n ga r i t h m e t i cp e r f o r m a n c eq u a n t i t i v ee v a l u a t i o ni nt h ed i s t r i b u t e di n s a rh e i g h t m e a s u r e m e n ts y s t e mi sd i s c u s s e di nc h a p t e r4 s i n c es t a r t i n gf r o mt h es i m u l a t i n gd a t a ， i d e a li n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r si su s e dt oc h e c kt h ev a l i d i t yo fi n s a rs i m u l a t i n gm o d e l ， t h a tc a nb ed i v i d e di n t ot w os i d e s ：o n ei st h a tw h e t h e ri n t e r f e r o m e t r i ci m a g ep a i r r e f l e c t e dt h ei n t e r f e r i n gn a t u r eo fs p a c e b o r n ed i s t r i b u t e di n s a rs t r a i g h t ，a n o t h e ri st h a t w h e t h e rt h es t a t i s t i c sp r o p e r t yo fi n t e r f e r o g r a mi si nl i n ew i t ht h e o r ym a t h e m a t i c sm o d e l w h a tf o l l o w e di st h a te n a b l eh o wt oa p p l yi d e a lr e g i s t r a t i o no f f s e tt of r e q u e n c y 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 s y n c h r o n i z a t i o nc i t o r sq u a n t i t i v ea n a l y s i si nd i s t r i b u t e di n s a rs y s t e ma sa ne x a m p l et o i l l u s t r a t et h ea p p l i c a t i o no fi d e a i n t e r f e r o m c t r i cf a c t o r si ns y s t e me r r o r s q u a n t i t i v e a n a l y s i s m o r e o v e r , t h a th o wt oa p p l yi d e a li n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r st oi s o l a t er e g i s t r a t i o n e l t o i sa n dm a k ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nt o 蝎a r s i g n a lp r o c e s s i n gi sg i v e n ht h ee n d ， t h ef u n c t i o na n dt h eu s a g eo fs o f t w a r ei n t e g r a t e dt h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ri s i n t r o d u c e d k e yw o r d s ：h a s a r ；d i s t r i b u t e ds a t e l l i t e ；f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ；i d e a l i n t e r f e r o m e t r i cf a c t o r s ；p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 绝对高程误差传递关系图2 图1 2 论文结构图8 图2 1i n s a r 空间几何模型：1 0 图2 2 测高误差传递关系图1 1 图2 3 卫星空间几何关系1 5 图2 4 相干系数统计直方图l8 图2 5 去除平地相位的效果图1 8 图2 6 滤波效果图1 9 图2 7 解缠后相位图2 0 图2 8 定位编码后d e m 图2 2 图2 9 天基i n s a r 测高处理流程2 2 图2 1 0 仿真系统界面2 4 图2 1 li n s a r 处理模块界面2 5 图3 1 天基i n s a r 空间几何模型2 7 图3 2 前向法示意图2 9 图3 3 前向法仿真结果3 0 图3 4 后向法示意图3 1 图3 5 后向法仿真结果。3 1 图3 6 并行处理流程图3 2 图3 7 重采样示意图3 3 图3 8i n s a r 空间结构图3 5 图3 9 相位近似误差图3 7 图3 1 0 场景高程范围与误差上限关系曲线3 8 图3 1l 多项式法误差性能比较4 0 图4 1 斜坡几何关系4 3 图4 2 平地及斜坡干涉条纹4 4 图4 3 相位差图4 5 图4 4 相位差统计直方图与理论概率密度4 5 图4 5 系统误差仿真流程图。4 6 图4 6 固定频率同步误差仿真流程图4 7 图4 7 固定频率同步误差仿真结果4 8 图4 8 随机频率误差对干涉相位的影响4 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 9 理想干涉量评估流程图5 0 图4 1 0 配准误差定量分析流程图。5 2 图4 1 配准后干涉相位图5 2 图4 1 2 相干系数统计直方图5 2 图4 13 不同配准算法配准误差图5 3 图4 1 4 配准误差隔离流程图5 4 图4 1 5 不含配准误差的干涉相位图一。5 4 图4 1 6 配准误差引起的相位误差5 4 图4 1 7 滤波相位误差定量分析流程图5 5 图4 1 8 圆锥场景去平地后干涉相位图5 6 图4 1 9 滤波相位误差图。5 7 图4 2 0 解缠相位误差定量分析流程图5 9 图4 2 1 解缠相位误差图5 9 图4 2 2 定位编码误差图。6 1 图4 2 3 软件安装界面图6 2 图4 2 4 后向法乔面图6 2 图4 2 5 后向法第三步界面6 3 图4 2 6 后向法相位噪声分析界面6 3 图4 2 7 后向法配准偏移误差分析界面6 4 图4 2 8 快速多项式法界面k 6 4 图4 2 9 算法性能评估一滤波算法评估界面6 5 图4 3 0 配准误差隔离界面6 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 串行、并行处理所需时间比较3 3 表3 2d e m 高程范围内仿真结果。3 9 表3 3 地球高程范围内仿真结果3 9 表3 4 串、并行算法性能比较4 0 表4 1 理论和估计的相干系数4 4 表4 2 配准偏移误差5 3 表4 3 滤波相位误差比较5 7 表4 。4 解缠相位误差比较6 0 表4 5 定位编码性能统计结果j 6 l 第l i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究t - 作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：丞基! 垦墨堡堡想王进量鲍鱼裹皇廑同盈窒 学位论文作者签名： 魄 日期：a 舯莎年 ，f 月角 学位论文版权使用授权书 学位论文作者签名：王螽圭叁日期：j 卢8 年，月f 角 作者指导教师麟：至盗吼埘铀月蠢日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 数字高程模型( d e m ) 是地理测绘的重要要素，具有重要的军用及民用价值。 干涉合成孔径雷达( i n s a r ，n t e r f e r o m e t r i cs y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 测高技术 l 】1 6 3 6 l 是应用干涉的方法提取s a r 图像中的相位信息进而得到目标点高程信息 的一种技术，相比于摄影测量、雷达立体测量、野外采集、激光雷达等测绘手段， i n s a r 测高系统有自己独到的优势：采用微波波段，能够穿透云雾、雨雪，具有 全天候工作的能力；不依赖于太阳辐射，能够全天时工作；当为星载模式时，能 够快速的完成大规模的d e m 测绘，并且能够实现全球覆盖：测高精度高。除此 之外，i n s a r 测高系统还具有数据处理效率高以及平台稳定性强等优点，是获取 d e m 数据的一种重要手段。 目前的天基i n s a r 系统主要有两大类：单天线重复轨道系统【8 】1 1 2 】和双天线单 航过系统【7 】，其中单天线重复轨道系统又分为单平台重复系统和双平台重复系统。 单天线重复轨道干涉系统的优点是系统实现相对简单，对单星成像系统无特别的 要求，只需找到可以进行干涉处理的同一区域的两幅复图像对即可。单天线重复 轨道干涉的缺点主要有时间去相关比较严重，另外，基线是“虚拟 的，不能实 时测量。双天线单航过系统在同一平台上安装两部天线，一次航过成像测高。与 单天线重复轨道系统相比，具有的优点有：不存在时间去相关、基线长度不变且 易于测量等。双天线单航过系统的主要缺点是它要求在同一平台上装配两部天线， 设备复杂，成本高，基线受平台限制难以达到理想基线长度，从而限制了干涉测 量的精度。在用户对更高精度d e m 数据迫切的需求牵引之下，随着航天器编队技 术以及星载s a r 技术的进一步发展与成熟，星载分布式干涉合成孔径雷达的概念 应运而生。星载分布式i n s a r 是上世纪末提出的一种新概念天基雷达系统，该系 统以多颗s a r 卫星编队飞行、协同工作，共同完成单项或多项任务。星载分布式 s a r 可以实现单星s a r 所难以完成的高分辨大测绘带成像、高精度i n s a r 测高等 功能，并且具有空时覆盖面大、生存能力和抗干扰能力强、周期短、成本低等优 点。但由于该系统是一个涉及领域宽、层次多、高度复杂的大系统，目前在系统 理论和技术方面面临着许多挑战。其中最关键、最具代表性的有三个方面：卫星 编队设计问题、系统的误差问题( 基线测量误差和同步误差) 和信号处理问题。 无论是哪一种i n s a r 系统，影响测高精度的主要原因是系统和信号处理各环 节的误差，因此测高误差分析是i n s a r 测高系统指标论证的重要内容。根据误差 的来源来分，测高误差主要包括两个方面，一是i n s a r 回波数据录取阶段的误差， 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 即信息获取阶段的误差；另一个是i n s a r 干涉信号与信息处理阶段的误差。全面 考虑上述各种误差源，得出各种误差到绝对测高误差的传递关系如图1 1 所示。并 将卫星高度误差、二面角误差、绝对相位误差、干涉基线误差以及斜距测量误差 这五个误差源作为第一级误差源。然后对造成这五个量误差的原因进行进一步细 分，从而给出较全面的误差传递关系。 j ， 绝 ；对 j 测 高 误 i 差 j 磊磊1 绝对相位误差 干涉基线误差 斜距测量误差 初始相位误差 解缠相位误差 配准偏移量误差 相对状态测量误差 信号传播误差 雷达定时误差 丝型塞堡茎jr 藏 塑塾雁 竺三圭塑茎艇三砸 丽丽翮恒 葡丽丽 、 些塑 面丽西砸一l 五矗萄磊施一 卫层骆杰测量误差i _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ 。- 。- 。一 一 图1 1 绝对高程误差传递关系图 从图1 1 的误差传递关系可知，回波录取阶段的误差源( 如雷达定时误差、信 号传播误差、热噪声、同步误差等) 都会对测高精度产生影响，而干涉信号处理 阶段的误差( 如配准误差、相位处理误差、定位测高误差等) 也是测高处理过程 中极为重要的误差源，将严重影响测高性能。 在星载i n s a r 回波录取阶段，回波的录取结果会受到多个不同来源的量的影 响，这些量有来自星历表或绝对状态测量系统的主星状态值、来自基线测量设备 的基线测量值、来自s a r 图像的斜距量值等。所有这些量的误差都将影响系统的 测高、定位精度。而且每个量的误差来源也不尽相同，有的来源于测量环节( 如 基线测量误差) ；有的来源于硬件系统( 如定时误差、同步误差) ；有的来源于 电波传播过程( 如电离层导致的信号时延误差) 等等。 i n s a r 信号与信息处理阶段一般包括四个核心步骤：复图像对配准、相位图 滤波、相位解缠和高程反演，每一个步骤所引入的误差都会对测高性能产生影响。 复图像对配准是指通过配准算法使得主、辅图像中同名点对应于相同网格，从而 能够进行干涉。在i n s a r 数据处理中，两幅复图像的精确配准是提高高程测量精 第2 页 妻罴 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 度的关键之一，要求干涉复图像对的配准精度达到亚像元级。s a r 复图像对配准 后进行共轭相乘得到干涉相位，由于在干涉相位中存在大量的噪声，严重影响了 后续相位解缠运算的效率和精度。以及最终求解的d e m 产品的精度。因此，必须 有效的滤除相位噪声。而一般的滤波方法，如均值滤波1 1 3 j 、中值滤波【1 3 l 等，在降 噪的同时也破坏了干涉相位图的纹理结构信息，因此，近年来国内外学者提出了 各种针对干涉相位图特性的滤波方法，如局部频率估计滤波1 2 、旋滤波1 1 4 】和正交 投影【1 5 】等。这些滤波方法在有效滤除噪声的同时还具有较好的保形性。通过配准 干涉及滤波后得到的干涉相位为缠绕相位，相位值范围为主值区间f - - j r ，石) ，与所 需的真实相位相差幼的整数倍。相位解缠就是根据缠绕相位恢复真实相位。相位 解缠是干涉数据处理的重要环节，也是i n s a r 数据处理的难点之一，目前相位解 缠算法主要分为两大类：路径跟踪法和最小范数法。此外还有一些由这两类方法 衍生而来的方法，如网络规划、条纹检测、基于模型等解缠方法。解缠后的相位 是以角度为度量，而d e m 产品是以高度为度量。i n s a r 成像机理就是在相位和高 程之间建立了映射。按照这一映射可以依据相位解缠后各像素的相位值求解出该 像素所对应的地面点高度值。这一相位到高程的转换就是地面地位。由s a r 成像 处理得到的二维图像，是目标地面在斜距域上的等距投影。这一投影使得地面上 点在图像中的位置不仅与该点的位置有关，同时还与该点的高程有关，将得到的 斜距域高程转换到地理坐标网格下的高程的过程就是地理编码，地理编码后得到 的最终产品就是d e m 。 这四个核心步骤每一环节的处理性能都会影响到i n s a r 处理结果，对干涉信 号处理阶段的误差分析一般称为处理算法性能评价，因此如何对i n s a r 处理性能 进行系统的评价成为一个新的研究课题，i n s a r 处理性能评价具有很重要的意义， 合理的评价可以分析误差的来源，指导改进i n s a r 处理的过程，从而提高i n s a r 产品的精度。传统的性能评价方法都是从每一环节的中间产品出发以统计的方法 验证各个环节的整体性能，这些评价方法只能给出定性或者相对的定量分析，不 能得到精确的定量误差。 如果能够对测高误差进行精确的定量分析、对i n s a r 处理算法性能进行定量 评价将为系统优化设计和处理算法优化奠定坚实基础。通过建立i n s a r 信号仿真 系统进行系统仿真分析就是一种有效的定量化手段。i n s a r 信号仿真系统通过注 入雷达信号参数、误差参数、几何参数、场景参数等进行电磁建模、回波生成， 将各种误差因素反映到干涉回波中，并经过成像处理、i n s a r 处理完成了整个系 统及其信号处理全过程模拟。为了利用仿真系统实现对误差的定量分析和处理的 定量评价，必须能够对误差进行隔离和提取，这可以通过理想干涉量来完成。理 想干涉量是指与干涉过程中产生的有误差的量( 包括配准偏移量、缠绕干涉相位、 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 非缠绕干涉相位、目标三维位置和高程) 相对应的无误差量。本文提出的基于i n s a r 处理的理想干涉量的误差定量分析方法，就是通过应用i n s a r 信号仿真系统，在 i n s a r 处理的各个环节引入理想干涉量对i n s a r 信息获取和处理阶段的误差进行 隔离、分析、验证和评估。 综上所述，理想干涉量是n s a r 信号仿真系统实现对误差进行定量分析和对 处理性能进行定量评价的重要因素。另外，除能够完成上述功能外，理想干涉量 还具有其它应用，可以判别出s a r 图像中阴影( s h a d o w ) 及叠掩( l a y o v e r ) 区 域；可以探测地表形变；可以计算大气效应对干涉测量的影响；可以改善和控制 相位解缠效果等等。因此，研究理想干涉量的生成与应用具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 理想干涉量是一个新概念，目前对其生成方法和应用研究仍处于起步阶段。 国内外公开发表文献中针对这一方面的研究还较为少见。本节将从理想干涉量的 生成方法、测高误差分析以及i n s a r 处理性能评价三个方面介绍目前国内外的研 究现状。 1 、理想干涉量的生成方法 2 0 0 3 年e i n e d e r l l 6 】提出了两种仿真理想干涉相位的生成方法，并指出了理想干 涉相位可以用于i n s a r 处理的性能评估，但是该文献并没有充分的说明如何利用 理想干涉相位进行性能评估，而且e i n e d e r 的仿真算法对i n s a r 空间几何模型取了 两个近似，一是同距离高度平面近似，二是正侧视投影近似。对于更为一般的星 载i n s a r 情况，其空间几何关系及信号模型要复杂得多，这就使得e i n e d e r 推导的 许多方程及其求解方法不再适用。同时e i n e d e r 只是给出了计算理想干涉相位的方 法，并没有提出理想干涉量( 包括配准偏移量、缠绕干涉相位、非缠绕干涉相位、 目标三维位置和高程) 这一概念，这也限制了理想干涉相位的应用。 2 、测高误差分析 天基i n s a r 系统测高误差分析对系统设计具有重要指导意义。测高误差分析 是对系统概念体制的检验和总体性能的评估，分析结果可作为系统进一步优化的 依据。目前国际上对d e m 产品通用的评价标准为d t e d ( d i g i t a lt e r r a i ne l e v a t i o n d a t a ) 标准【5 1 j ，对已有i n s a r 系统( 如s r t m 系统) 的测高性能评价，是将系统 获得的测高数据与已知测试点( t e s tp o i n t ) 的高精度数据进行比较而得到。但目前国 内外对星载分布式i n s a r 系统仍处于概念研究和系统设计阶段，无实际数据可用， 只能基于理论模型通过理论推导来评价其性能。测高误差分析主要通过研究相对 和绝对测高误差的传递关系，从而得到系统的测高性能。对于由随机相位误差导 致的相对测高精度的分析，主要集中在对分布式系统信号相关性的分析：包括模 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 糊噪声去相关、热噪声去相关、量化噪声( 包括量化和数据压缩) 去相关、配准 和插值误差去相关、基线去相关以及体散射去相关等。对于绝对测高精度除了上 述随机相位误差外，还要全面考虑卫星状态误差、斜距误差、基线误差等因素。 对于分布式l n s a r 还应考虑系统特有韵“三大同步误差 这一重要误差源。由于 理论测高误差分析是建立在单一、理想的理论模型基础上，其结果不足以全面、 真实地反映系统性能。 3 、i n s a r 处理性能评价 干涉信号处理阶段的误差分析一般称为处理性能评价，i n s a r 处理性能评价 具有非常重要的意义，国内外学者【1 】【1 7 1 。【1 9 】也都针对各个处理步骤提出了一些评价 方法。主要也是针对i n s a r 处理的四个核心步骤。 在i n s a r 数据处理中，两幅复图像的精确配准是提高地表高程测量精度的关 键之一，通常要求干涉复图像对的配准精度达到亚像元级。频率极大法、相干系 数法和波动函数法是比较成熟也是比较常用的s a r 复图像的配准方法。对配准后 的图像进行评估是确保配准质量的必要步骤。评价配准质量高低的最直接办法是 观察干涉条纹的清晰度，条纹越清晰说明影像匹配得越好。目前配准阶段性能评 价方法【1 j f 2 0 1 【4 5 l 主要有相干系数法、信噪比法、频率极大法、干涉条纹频谱法、波 动函数法和残差点数法等。 相干系数法 相干系数法是通过检验配准后两幅干涉图像相干系数的大小来判别配准精度 的高低，配准精度越高相干系数的模值就越大，反之相干系数的模值就越小。相 干系数是一种基于整体的方法，在实际当中最为常用。 信噪比法 信噪比法的基本思想是两幅复图像配准越好，信噪比越高，反之则越低。 频率极大法 频率极大法是以寻求两幅图像的最大频率为基准，以相干斑稀少分布为前提， 频率小，幅值大，可以表现为极大频率。 干涉条纹频谱法 干涉条纹频谱法是一种后向反馈评价方法，通过干涉条纹的质量来评价配准 的好坏。 波动函数法 波动函数法是以两幅复图像相位差后某点与在两个方向相邻点分别相位差的 和大小，以及相位噪声的大小或相位残差点的分布为评价标准。 残差点数法 残差点数法就是统计最后的残差点数目来评价配准的质量。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 其中最常用的配准阶段性能评价方法是相干系数法，即以配准后两幅干涉图 像的相干性程度来评价配准的质量。其实不同的评价准则就衍生出了不同的配准 方法。这些评价方法很难给出配准算法到底达到了多少像素的量级，而配准引起 的相位噪声和其他因素引起的相位噪声都是叠加在一起的，所以从相位图质量出 发只能间接的分析配准算法的性能。 同样，干涉相位的滤波性能评价也具有重要的意义。对于滤波结果的评价方 法目前主要有两种：一是目测法；二是是比较滤波前后的残差点数，即滤波后残 余的残差点数越少则滤波效果就越好，这一评价原则没有考虑相位图的方向性， 因此具有局限性，而目测法的主观性太强。 解缠算法的性能评价一般是通过对解缠后的相位重缠绕后与原始相位作比较 来评价解缠算法的优劣。而如果解缠的误差是2 a t 的倍数，这也是实际解缠时最为 常见的情况，此时通过相位重缠绕后与原始相位进行比较的方法就失去意义。 高程反演的性能评价方法【2 0 】目前主要有检查点法、高程误差图法、剖面法和 等高线法等，其中最常用的是检查点法。应当指出，在考察d e m 的精度时，不仅 要考虑单点误差，还要考虑d e m 在各种不同区域的误差分布情况。 检查点法 检查点法即事先将检查点按格网或任意形式进行分布，对生成的d e m 在这些 点处进行检查。将这些点的内插高程和实际高程逐一比较得到各个点的误差，然后 计算出平均误差，这种方法简单易行，是一种最常用的方法。 高程误差图法 高程误差图法跟检查点法有一定的相似性，它是基于存在外部d e m 数据的基 础上，使用外部d e m 作为参考标准，将干涉得到的d e m 取样到参考d e m 空间， 再将两者进行误差比较分析，得出误差统计直方图，这种方法使用上具有局限性， 因为它是一种基于全局的统计方法，忽略局部细节。 剖面法 剖面法是按一定的剖面计算高程点和实际高程点的精度计算方法。可以用数 学方法( 如传递函数法) 计算任意剖面的误差，也可以用实际剖面和内插剖面相 比较的方法估算d e m 误差。传递函数的基础是傅立叶级数，其原理是任何一个连 续曲面的剖面均可表示为一个傅立叶级数，采用这种方法可以评价d e m 在任意断 面上的精度。 综上所述，对于i n s a r 处理，目前的评价方法都是从各个阶段的输出产品出 发评价产品的误差，这种评价方法只能对i n s a r 处理的各个阶段的整体性能进行 一个定性或者相对定量的分析。本文提出的基于i n s a r 处理的理想干涉量的误差 定量分析方法，通过在i n s a r 信息获取和处理阶段的各个环节引入理想干涉量从 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 而对i n s a r 处理的误差进行隔离、分析、验证和评估。 1 3 本鸾主要研究工作 通过对国内外研究现状的总结可以看到，对理想干涉量的生成方法、测高误 差分析及i n s a r 处理性能评估方法已经开展了一些研究，提出了很多研究成果。 但目前理想干涉量生成方法的模型过于简单，与实际应用模型相差较大。基于理 论模型的测高误差分析结果不足以全面、真实地反映系统性能。传统的i n s a r 处 理性能评价方法不能得到精确的误差分布情况。本文则针对上述这些问题进行了 研究。结合实际应用模型提出了理想干涉量的生成方法，在此基础上。建立了较 为全面的天基i n s a r 测高误差传递模型，通过理论和系统仿真两种评价手段相结 合的方法，给出天基i n s a r 系统的性能评价方法和结果。 论文结构安排如下： 第一章绪论。介绍了本文的研究背景及意义总结了国内外相关问题的研究 现状，归纳了本文的主要研究工作。 第二章天基i n s a r 测高原理与仿真系统简介。首先研究了天基i n s a r 测高几 何原理，给出了绝对干涉相位获取及高程反演的测高处理流程，建立了较为全面 韵测高误差传递模型，分析了分布式i n s a r 系统所特有的“三大同步误差 影响， 为后续的天基i n s a r 理想干涉量的生成与应用研究奠定基础。最后介绍了笔者所 在单位自主开发研制的i n s a r 处理仿真系统，本文的很多仿真及其应用研究都是 基于该系统。 第三章天基i n s a r 理想干涉量的生成方法。基于最一般的星载立体、双基地 干涉模型给出了两种天基i n s a r 理想干涉量的生成方法：前向生成法和后向生成 法。针对计算理想干涉量运算量大的特点提出了两种快速计算方法：并行化处理 和快速多项式法，并从理论上分析了快速方法的精度。 第四章理想干涉量的仿真应用。首先从仿真数据出发对i n s a r 仿真模型的正 确性进行校核，分为两个方面：一是干涉复图像对是否如实反映了天基分布式 i n s a r 的相干特性，二是干涉相位图的统计特性与理论数学模型是否吻合；其次 以理想配准偏移量如何应用于分布式i n s a r 系统频率同步误差定量分析为例说明 理想干涉量在系统误差定量分析中的应用：然后给出了如何应用理想干涉量对配 准误差进行隔离，以及对配准算法、滤波算法、相位解缠算法和定位编码结果的 性能进行评价；最后介绍了本文研究结果的集成软件的功能和使用情况。 本文的各章节的结构关系如下图所示： 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 2 论文结构图 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章天基j n s a r 测高原理与仿真系统简介 干涉测量的基本概念和方法早已在物理和光学中出现，也用于距离测量，通 常是利用两个光源向同一个目标发射相干光，根据两束相干光照射的相位差可以 高精度地计算出目标的距离，雷达干涉测量的原理与此类似。星载i n s a r 测高模 型是进行系统信号仿真和信号处