（信息与通信工程专业论文）干涉合成孔径声纳信号处理算法研究.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 干涉合成孔径声纳( i n s a s ) 是在合成孔径声纳( s a s ) 基础上垂直航迹方向增加一副 ( 或多剽) 接收基阵，通过比捆测裹躲方法季导到场景蛉趣度售患，钛焉缮到场景的三维图 象。它可用于航道测量、地形地貌测绘、水下考古、打捞和石油工业等。此外时于提高 水雷的识别概率也有益处。本论文对于涉合成孑l 径声纳信号处理过程进行了全面的论述， 对萁巾的关键技本翔缣耀豹二维或豫算法、复图像配准、干涉鹜洚嗓滤波帮二缝鞠经震开 作了煎点分析，并提出了一些新的方法，论文对推动我阐千涉合成孔径声纳信号处理技术 的研究具有重鼷的意义。 论文首先介绍i n s a s 系统的基本原理，回颥其发展历程，并简述了i n s a s 技术的国肉 外现状。 然嚣霹予涉售号鲶瑾每个繇节递行谂述。搽讨了缳秘豹s a s 成豫算法，它莛嚣续于涉 处理的前提，分析几种常用的含成孔径雷达( s a r ) 成像算法在s a s 中的应用，通过理论 和实验比较各自优缺点。为了解决测距、测速模糊问题，s a s 通常采用多子阵技术，而且 自予s a s “停走一停”假设往往不爵有效，都灏绘带海不同躐离回波翔这基阵时，基阵 存在不可忽略的运动，所以论文提出了一种“停一走一停”假设不成立条件下的多子阵合 残孔径声纳逐点戒像算法鼓德到翅位保粪疫更囊翡复图像。 s a s 基阵平台的不稳定性以及水声信道的复杂性使得其运动补偿问题较s a r 觅为突出， 论文对基于回波信号的合成孔径声纳运幼补偿方法进行了较深入的研究。 予涉s a s 复图豫豹配准按实际信号处理过稷分三个步骤论述；初配壤、频谱颈滤波和 子像索级配准，其中针对预滤波提出了一种自适应的距离向频谱滤波方法。 论述了水平地形效应产生艨理及其消除方法，出于水平地形效应的孬在馒德骶辐s a s 复图像直接复共轭相乘得到的相位图不能直观地反映出实际地形的拓扑变化，所以在对干 涉相能图进行滤波及相位展开处理前应当消除干涉相位图像的水平地形效应。 分褫了予涉圈穗佼绞诗特瞧，讨论予渗图鞠位降嗓滤波淹瑟，滤波霹黻锌对予涉复鹫 像进行，也可以直接对干涉相位图进行。在研究经典滤波方法的綦础上，提出了一种地形 适应的自适应予涉s a s 滤波方法，在抑制噪声的同时，凝方法保持了干涉条纹密集区的信 息特髹，兵有很好的滤波效采。 对二维相位展丌问题进行全面和详细的论逃，重点分析了分支截断算法、区域增长算 法、爱套不连续装算法、最小均方算法、簸枣f 蕊数算法秘瓣络流算法静簇理与实际瘦弼。 对各种算法的商效性、运算时间和内存需求进行了综合比较。由于网络流算法的速度快， 更具工程应用价值，论文进行了更深入研究。同时提出了改进算法以褥到更为精确的相位 震歼结果。 传统的单旗线i n s a s 仅仅提供了测爨能力，而没有分辨能力。同时，单基线i n s a s 的 稳位震开蛔题非豢困难。赝以论文对饯饯阵列缝糖斡多蒸线于涉s a s 熬盛怒进霉了搽索蠖 的研究。多基线干涉s a s 系统能提供了更高的高度维分辨率，避免相位展开；同时，优化 阵列猩多基线干涉中的应用大火减少了达到一定分辨率所需的阵冗数，降低了基跨过大弓l 国爨辩学技拳大学疑究生院学位论文 起的系统开销。 论文最后对龛文的工作进行总结，指出谢待进一步研究的问题。 关键溺：于涉会袋巍径，邀淤钤偿，辫豫配灌，带渗辍谴围，残余熹，二维 相位麓羿 v a b s t r a c t i n t e r f e r o m e t r i c s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r ( i n s a s ) p r o v i d e s am e a n so fo b t a i n i n g 3 - d i m e n s i o n a li m a g e so fs c e n e t h r e e d i m e n s i o n a l i n f o r m a t i o ni sd e r i v e df r o mt h ep h a s e d i f f e r e n c eb e t w e e nt w o ( o rs e v e r a l ) c o m p l e xi m a g e so fs a st a k e nf r o ms e p a r a t er e c e i v i n ga r r a y a c r o s st h et r a c k i tc a nb eu s e di n s e a r o u t em e a s u r e m e n t ，t e r r a i n m a p p i n g ，u n d e r w a t e r a r c h e o l o g y , s a l v a g ea n d o i li n d u s t r ye t c ，i ti su s e f u lt oi m p r o v em i n e si d e n t i f yp r o b a b i l i t y , t o o 1 1 1 et h e s i si n v o l v e sa l l a s p e c to f t h es i g n a lp r o c e s s i n go f i 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 es o n a r , e s p e c i a l l yi nt h ec h a l l e n g i n gp r o b l e m ss u c ha sp h a s e p r e s e r v e ds a si m a g i n ga l g o r i t h m ，i m a g e r e g i s t r a t i o n ，i n t e r f e r o g r a md e n o i s i n gf i l t e r i n g a n dt w o - d i m e n s i o n a l p h a s eu n w r a p p i n g i n a l l u s i o nt od i f f i c u l t i e sa n de m p h a s e s ，s o m en e wm e t h o d sa r ep r o p o s e d t h es t u d yi si m p o r t a n tt o p r o m p t t h ed e v e l o p m e n to fi 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 es o n a ri nc h i n a 1 1 1 et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fi n s a s ，a n dr e v i e w st h eh i s t o r yo fi t s d e v e l o p i n g ，a n dd e p i c t sb r i e f l y i t sa c t u a ls t a t e s e c o n d l y e a c h s t e pi ni n s a ss i g n a lp r o c e s s i n g i ss t u d i e da sf o l l o w i n g t h ea u t h o rd i s c u s s e s t h e p h a s e p r e s e r v e d s a si m a g i n ga l g o r i t h m ，w h i c hi st h ep r e c o n d i t i o no fi n t e r f e r o m e t r i c p r o c e s s i n g s e v e r a l c l a s s i c a ls a ra l g o r i t h m su s e di ns a sa r e a n a l y z e d b e c a u s eo ft h e c o n t r a d i c t i o no ft h eu n a m b i g u o u sr a n g ea n da l o n g - t r a c ks a m p l i n gr e q u i r e m e n t s ，m u l t i - a p e r t u r e t e c h n i q u ei sw i d e l yu s e di n s a s a tt h es a m et i m e t h e “s t o p - h o p s t o p ”a p p r o x i m a t i o ni sn o l o n g e rv a l i di ns a sd u et ot h el o ws p e e do fs o u n d t h er e c e i v e rh a su n a v o i d a b l em o v e m e n t w h e ne c h o e sg e tt or e c e i v e rf r o md i f f e r e n td i s t a n c e s i no r d e rt oo v e r c o m et h ep r o b l e m a n i m a g ef o r m i n ga l g o r i t h mo fm u l t i a p e r t u r es a s i sp r e s e n t e di nt h et h e s i s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o r t h ec a s eo f n o n - s t o p - h o p s t o p ” b e c a u s eo f t h eu n s t a b i l i t yo f p l a t f o r ma n dt h ec o m p l e x i t yo f t h e p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f s o u n di no c e a n t h em o t i o n c o m p e n s a t i o np r o b l e m o f t h es a si sm o r es e r i o u st h a ns a r n l e t h e s i ss t u d i e sd e e p l yt h em o t i o nc o m p e n s a t i o np r o b l e mo fs a sb a s e do ne c h o e sd a t a 1 1 1 e i m a g er e g i s t r a t i o n w a sd i s c u s s e dt h e f o l l o w i n g t h r e e s t e p s ：i n i t i a lr e g i s t r a t i o n p r e f i l t e r i n g ，s u b p i x e lr e g i s t r a t i o n a na d a p t i v er a n g e f i l t e r i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ，w h i c h f i l t e r st h ed i f f e r e n tp a r t so f o b j e c ts p e c t r u mi nm a s t e ra n ds l a v es y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r i m a g e s t h ef u n d a r n e n to ff l a tt e r r a i np h a s ee f f e c ta n di t sr e m o v a la r es t a t e d t h ei n t e r f e r o g r a m c o n s i s t s ，f o re a c hp i x e l ，o ft h ec o m p l e xc o n j u g a t ep r o d u c to ft w os a si m a g e sd i r e c t l y , w h i c h c a n tr e f l e c tt h ea c t u a lt e r r a i nc h a n g e 1 1 1 eg e n e r a lp h a s et r e n di nr a n g ec a nb ec o n s i d e r e da st h e p h a s eg e n e r a t e db ya ni d e a l l yf i a tt e r r a i na n di so f t e ns u b t r a c t e df r o mt h ei n t e r f e r o g r a mb e f o r e f u r t h e r p r o c e s s i n g a f t e ri n v e s t i g a t i n gs t a t i s t i c a lp r o p e r t yo ft h ei n t e r f e r o g r a m ，t h ep r o b l e mo fi n t e r f e r o g r a m p h a s ed e n o i s i n gf i l t e r i n gi sd i s c u s s e d t h ef i l t e r i n gc a r lb ea i m e d a tn o to n l yt h ec o m p l e xi m a g e ， b u ta l s ot h ep h a s ei m a g e at e r r a i na d a p t i v ei n t e r f e r o g r a mf i l t e r i n gm e t h o di sp r o p o s e db a s e do n t h ec l a s s i c a l a d a p t i v ef i l t e r i n ga l g o r i t h m n l en e wm e t h o dc a ns u p p r e s sn o i s ea n dk e e pt h e u s e f u li n f o r m a t i o na td e n s ef r i n g ea r e a si nt h es a l t l et i m e v i 国防科学技术大学研究生院学位论文 t h ea u t h o rd i g si n t ov a r i o u sp h a s eu n w r a p p i n ga l g o r i t h m sa n dg i v e sat h o r o u g h l yc o m p a r e t h r o u g ha n a l y s e s a n ds i m u l a t i o n t h e s e a l g o r i t h m s i n v o l v eb r a n c h c u t a l g o r i t h m ， r e g i o n g r o w i n ga l g o r i t h m ，m i n i m u md i s c o n t i n u i t ya p p r o a c ha l g o r i t h m ，l e a s t s q u a r e s a l g o r i t h m ，m i n i m u m l ”一n o l t na l g o r i t h ma n dn e t w o r k - f l o wa l g o r i t h m t h et h e s i sc o m p a r e s t h ee f f e c t i v i t y , t h eo p e r a t i o nt i m ea n dm e m o r yr e q u i r e m e n to ft h ea l g o r i t h m s b e c a u s eo ft h e h i g ho p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h em o r e v a l u a b l ep r o j e c ta p p l i c a t i o n ，t h en e t w o r k f l o wa l g o r i t h m i ss t u d i e dm o r ed e e p l y b u tt h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e si nt h ea l g o r i t h m t h ea u t h o rr e m e d i e s t h e s ef l a w s t h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a nl e a dt om o r ea c c u r a t eu n w r a p p e ds o l u t i o n s t h et r a d i t i o n a ls i n g l e b a s e l i n ei n s a so f f e r so n l ym e a s u r e c a p a b i l i t y , a n dh a sn o tr e s o l u t i o n c a p a b i l i t yy e t a t t h es a m e t i m e ，t h ep h a s eu n w r a p p i n gp r o b l e m i s v e r y d i f f i c u l ti n s i n g l e b a s e l i n e i n s a s s ot h et h e s i s i n v e s t i g a t e s m u l t i - b a s e l i n ei n t e r f e r o m e t r i c s y n t h e t i c a p e r t u r es o n a rw i t ho p t i m i z e dn o n u n i f o r mi i n e a ra r r a y s t h em u l t i b a s e l i n ei n t e r f e r o m e t r i cs a s c a ng e n e r a t ef i n er e s o l u t i o n3 - d i m e n s i o n a li m a g e sa n da v o i dp h a s eu n w r a p p i n g w h e nt h es a m e r e s o l u t i o ni sg i v e n ，w ew i l ln e e df e w e ts e n s o r sb yu s i n gt h en o n u n i f o r ml i n e a ra r r a y ss t r u c t u r e c o m p a r e d w i t hu n i f o r m a r r a y ss oa st od e c r e a s et h ec o m p l e x i t yo f h a r d w a r e a tl a s tt h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ko ft h i st h e s i sa n dp o i n t so u tt h ep r o b l e m st o b es o 】v e dj nt h ef u t t a r e k e y w o r d s ：i 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 e ，m o t i o n c o m p e n s a t i o n ，i m a g er e g i s t r a t i o n ， i n t e r f e r o g r a m ，r e s i d u e s ，p h a s eu n w r a p p i n g v h 国防科学技术入学研究生院学位论文 第一章绪论 我国海域面积辽阔，海洋环境不仅对我国社会、经济的可持续发展有非常重要的影响， 而且涉及国家安全和权益等根本利益，海洋权益的维护和海洋经济的发展迫切需要海底地 貌测绘技术。海底地貌测绘需要三维立体成像技术。目前常用的技术有多波束测深侧扫声 纳和干涉测深侧扫声纳。最新的技术是将合成孔径声纳技术( s a s ) 和干涉测深技术结合 起来，这就是干涉合成孔径声纳( i n s a s ) 技术。 i n s a s 是在s a s 基础上增加一副( 或多副) 接收基阵，通过比相测高的方法得到场景 的高度信息，从而得到场景的三维图象。i n s a s 兼备了合成孔径声纳分辨率与成像距离和 工作频率无关的优点和干涉测深精度高的优点，近年来在国际上发展迅速。 本论文研究的主要技术是基于两幅合成孔径声纳复图像的干涉测深技术，即水下目标 的干涉合成孔径声纳三维立体成像技术，论文对干涉合成孔径信号处理的每个步骤进行了 详细的探讨，并通过实际数据进行分析和论证。研究的主要应用前景包括民用和军用两个 方面。民用主要用途是：航道测绘、地形地貌测绘、水下考古、打捞和石油工业等。军 用主要用途是提高水雷识别率。 1 1 干涉s a s 的发展历史及国内外现状 干涉合成孔径声纳( i n s a s ) 的思想来自干涉合成孔径雷达( i n s a r ) 。干涉合成孔径雷 达成像原理最早由美国n a s a 的g r a h a m 于1 9 7 4 年提出。1 9 7 8 年s e a s a t 卫星首次得到了 雷达干涉数据。1 9 8 6 年，美国喷气推动实验室的z e b k e r 和g o l d s t e i n 。3 不仅完善了i n s a r 的理论，他们提出了著名的分支截断算法( b r a n c hc u t ) ，解决了二维相位展开问题，而 且首次分别在机载平台和空载平台上实现了i n s a r 。i n s a r 发展史上的里程碑是s r t m ( s h u t t l er a d a rt o p o g r a p h ym i s s i o n ) 。它于1 9 9 9 年1 2 月1 6 日，由“奋进号”航天飞 机带入太空，共飞行1 1 天，覆盖了地球9 7 的面积。其工作波段为c 波段和x 波段，基线 长度达6 0 米。图1 1 为其结构示意图，图1 2 为其得到的三维渲染图。 图1 1s r t m 结构示意图 图1 2s r t m 三维地形图 第1 页 国防科学技术大学研究擞院学位论文 我国干涉合成孔径雷达在8 6 3 信息领域“十五”计划刚刚起步a 在图象声纳界，干涉测深原理最举耀于侧扫声纳，称为干涉测深侧扫声绒。1 9 7 9 年 d e n b i g h 。蓥兔攒述了这耱系统煞霖毽。矮褪会名为“溺深秘扫声绫”，现在一般称之秀“条 带侧扫声纳”或“干涉侧扫声纳”。其中典型的有奖图s u b m e t r i x 公司的i s i s ( 海底图象 见图1 3 ) 、美国k l e i n 公司的5 4 1 0 干涉侧扫声纳和s e a b e a m 2 0 0 0 等。与多波束测深侧扫 声纳相比，干涉侧扫声纳由于利用相像提取高度信息，在非均匀散射场景下，其性能优异。 图1 3i s i s l 0 0 图象 但现有的于涉侧据声绒使鼹的掇搜震开是一维逐楚二维尚无法愿羟，毽扶资瓣报道寒 霉，使舔酌怒一维耱往暴开或多基线游标技拳( 辩多基线于涉) 。一维相位展辩比较容易， 采用i t o h 算法即可达到相位展开的目的，图i 4 为一维相位展开的算例( 图中虑线为卷绕 的相位，实线为相位展开的结果) 。而二二维远比一维棚位展开复杂，但性能优越。 飞j j 一 挲： ，：、 一_ 一一 l 烈 一 广j 一j n “? j 一 _ 一一一 f 一誊t 妒一一二 # 一量孓一弩i j 孑 一中、? 套? 鼍一 0 羚 。0 。_ * x 一手 t 卜“”? t 一0 i 电一 一j 图1 4i t o h 算法用于一缏相位展开 干涉技术避十年才开始运用于合成孑l 经声纳领城，合成孑l 径声绒技术是辩小孑i 径基阵 澄壹线运动邋校中记录豹援救信号送行筏径合藏憝毽，旗露这到纛羧大孑l 径基褡豹方位分 辨率效果，得到高分辨率的二维图像。髓从雷达引入声纳领域是从六十年代末开始的，然 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 而，合成孔径技术在声纳领域的应用“”+ ”刚远不如雷达成功，这主要是因为水中声波传播 速度较低( 相比于电磁波) 、声纳载体不规则运动及介质起伏等复杂的水下信息传播环境 带来的影响。九十年代以后，欧美才开始实施s a s 处理系统的研制。1 9 9 0 年，由欧共体资 助欧洲开始实时s a s 系统的研究工作。目前，他们开发的a c i d 系统4 1 及其改进的s a m i 系 统”1 成功地进行了海试，获得了相当好的合成孔径声纳地貌图象。美国r a y t h e o n 公司组织 研制的d a r p as a s 系统”3 应用于对水雷进行探测和识别，在l k m 的距离上分辨率能达到 l o c m 。还有新西兰c a n t e r b u r y 大学研制的k i w i s a s 系统等，一些在公开文献上发表的实 时s a s 系统如下表所示： 表1 1国外主要实时s a s 系统参数表 皿爿j 珏c e r o s 盯f 妇甚4 ss a m i s a s u c s b s a s s a s删s 中心频率( k h z )5 03 081 2 56 0 0 带宽( k h z )1 02 0 6 8 4 波长( c m l 351 8 7 51 20 2 5 方位向分辨率( c m ) 1 11 51 0 03 1 2 55 距离向分辨率( o n ) 7 551 31 01 9 发射单元1 1l 11 接收单元1 6111 61 0 测距( m ) 5 0 5 0 05 51 0 0 5 0 01 27 0 美国新西兰 主要研制部门 r a y t h e o nc a n t e r b u r y欧共体 夏威夷火美国加利福尼 学亚大学 公司大学 i a s a s 一直是s a s 研究人员追求的目标。1 9 9 2 年i e e 雷达与声纳杂志就有i n s a s 的水 池试验结果报道。1 9 9 8 年美国研制的d a r p a 合成孔径声纳具备干涉测深的功能，2 0 0 0 年 法国汤姆逊马可尼公司研制的i m b a t 3 0 0 0 也有i n s a s 功能( 工作示意图和图象见图i 5 ) 。 d a r p a 没有测深精度的技术指标，i m b a t 3 0 0 0 的技术指标为2 4 米。 图1 5i m b a t 3 0 0 0 工作示意图和海底图象 近年国外还报道了许多轨道i n s a s 。如b a n k s 和g r i f f t h s 报道的英国防务评估和研究 第3 页 国醅秘掌技术太学研究生院学德论文 撰褥( d e r a ) 软遵i n s a s ，孰遒长l o 岽，残豫雅离丈予i 5 米。p i n t o 等报道戆鞔遵i n s a s 带宽达6 0 k h z 。 袭i 2 孰邋i n s a s 系统参数袭 i 工作频率带宽基线阵元薄长蹊离轨道 i ( k h z )( k h z )( m )个数( c m )( m )长度 i d e r a1 5 02 02 41 51 0 m is 掰l a 瓣e 球1 5 06 02 1 ?3 22 6 ?7 5l o m 为了提高瓣越糖菠，予涉s a s 系统酶嚣戮接浚障闯隔通常为大予蓍予个波长，获 舔存 在相位卷绕( p h a s e w r a p p i n g ) 问题。为了得到商度信息，必须进行相位展开 ( p h a s e u n w r a p p i n g 藏舔稳袋鼹卷) 处溅，它是予涉合成孑噱至声纳瓣关键。毽捐位展开 的性能与二维戚像算法、干涉图鞲噪等信号箍理窿不可分。因此i n s a s 的信号处理逡l ts a s 复杂。笼了挺藤褪位展开懿稳定蠼，国外烹要静薅决方法鸾多基线( 帮聚掰多副缓牧阵) 和多频。这两种方法都可以达到降低模糊高度和增加相位解卷的稳定性的目的。 我溺海洋测绘方嚣只开鼹过多波衷测深磷突，精发不裹。基于于涉测漾熬礤究仪凝予 承池实验，僵没有涉及到相位卷绕问题，融此尚不能实用“3 。8 6 3 8 2 0 专题开展了基于超 分辫豹浏深疆究，这也是勰凌溺涤静一令毅途强，僵联耩懿浚备量大魄予涉方法大( 爨整 方向需要多个阵元，且阵元间隔必须小于波长二分之一) 。 予涉s a s 豹基础怒s a s ，濯内s a s 在海洋8 6 3 项曼8 1 8 - 0 4 - 0 5 静支持一f 已经完成了濒 试祥枫。本论文基子她研究蒸础之上对干渗s a 8 三维成像倍母处理展开深入的理论和实验 酝究，为推动我溪予涉合残魏镫声缡莹号耱理技术貔礤究其有重要豹慧义。本漾题疆究已e 经列入8 6 3 计划资源环境技术领域海洋监测技术主题的探索类项目，资助号为： 2 0 0 2 a a 8 3 9 2 4 0 。 1 2 干涉s a s 基本原遵 i n s a s 与s a s 相眈增加了测深功能。具脊设备简单、精度高的优点。在干涉s a r 系统 王佟模式中畜双j 篷次( 取天线翠鞔遵) 窝零遥次 ( 单天线双轨道) 之分，双道次干涉s a r 鼹指干 涉成豫爨爱嗣一剿接收痒嚣次飞行骥记录豹s a r 琏聂 数耀。丽单过次干涉s a r 是幂i 爝分离的两副接收 薅次飞幸亍记录豹数辫。毽奁于涉s a s 系统中， 因为平台运动速度慢，平台稳定性比干涉s a r 麓 褥夥，魇以双j 窭次i n s a s 缀黪宓瑷，我们熬碳究 分析与安验都基予单i 建次i n s a s 系统。 予涉s a s 利鬻秘戮接浚薅王 乍，鲡甍1 。6 耩 示。两阵元之间的连线称为基线，长度为b ，基 线缎斜角为群。 两阵元的褶髓麓( 以阵元l 为参考) 是： 图1 6 干涉测深原理图 第4 贸 国防科学技术大学研究生院学位论文 = 华b 一见】 ( 1 1 ) 由余弦定理： p 2 = b 2 + p 一2 b p lc o s , 8 = b 2 + p 一2 8 p ls i n ( 0 一口) ( 1 2 ) 基于平面波( 远场) 假设，( 1 1 ) 式可简写成： 西= 三竺b s i n ( 0 一a ) ( 1 3 ) 定义垂直基线： b = b c o s ( 0 一口) ( 1 4 ) 由几何关系可得： c o s 0 ：h - h( 1 5 ) p t 利用( 1 3 ) 、( 1 4 ) 两式即可得到场景的高度： h = h n c o s 0( 1 6 ) 但我1 f i s h 道对于比相测高来说，基线越长，精度越高。为了提高测高精度干涉基线长 度通常超过半波长，这样就出现了相位模糊问题或相位卷绕问题。鉴相器输出的相位不是 ( 1 3 ) 式的值，而是在卜口，z 之间的主值，直观地反映在图象上为明暗相间的条纹。为了 得到实际相位必须通过解卷的方法消除相位模糊，得到真正的相位差。可以说相位解卷是 干涉测深的关键技术，但相位解卷性能不简单地取决于相位解卷算法，它涉及到信号处理 的许多方面。因此i n s a s 的难度比s a s 大得多。 1 3 干涉s a s 系统设计中的主要误差影响 干涉s a s 的系统设计非常关键，为了提高干涉系统的准确性，我们往往需要知道干涉 处理中某些主要参数的误差对最终计算结果( 高度信息) 的影响程度。 1 3 1 基线倾角误差的影响 对于s a s 二维成像，偏航和左右平动( 距离 ： 偏差) 是造成图像散焦的主要原因，目前d p c a l 等算法可以有效地补偿这两类运动误差( 见第二 章) 。但对于干涉s a s 来说，横滚对干涉测高的影 响更大，其引起的基线的倾角变化是造成系统误 差的主要原因。 要：差罢：p l s i 。护 8 aa ea a 一 一，一z ：一 ： i 一，一 z ( 1 7 ) 图i 7 横滚角误差对测量精度的影响 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 从公式中可以看出，只有当口= 0 时，倾角对高度估值影响最小。此外距离越远，横滚 角影响越大。当倾角变化l 度时，4 5 度视线方位的高度误差与距离的曲线如图1 7 所示。 在d a r p a 系统中采用将基阵顶部固定的方法避免横滚误差。 1 3 2 通道误差的影响 由于干涉s a s 利用比相得到场景的高度，因此通道一致性要求非常高，对声纳系统来 说，要求两副或多副接收阵之间相位一致性很好或得到完全的校f 。必要时，必须考虑通 道的实时校j _ | 三。当通道存在角度误差时，对高度估计值的影响如下表达式： 1 3 3 径向距离的影响 丝：堕。丝： 竺塑旦 a a 曰a 2 1 r b c o s ( 0 一口) 场景目标斜视距误差对高度信息的影响为： o h ：一c o s 口 8 p 可以看出径向距离误差对高度影响不大。 1 3 4 最优倾角 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 根据最优估计理论，倾角最优时，角度的变化率应最大。 娑：一车胁s ( 曰一a )( 1 1 0 ) d 口 当0 一d = 0 时，上式最大。从直觉上来看，当p l 与基线垂直时，矽取极值。与理论推 导不谋而合。 1 3 5 最优基线 为了提高测量精度，基线越长越好。但基线长了，会出现谱移现象( 见第四章) ，造 成“去相关”( d e c o r r e l a t e d ) 问题，即两幅图象不相关，因此存在一个最优的基线。 首先，存在极限基线，即一个分辨单元内相位差不能超过2 石，极限垂直基线的求解 可见第四章。但极限基线仅为必要条件，为了研究最优基线，必须估计干涉复图象的相关 性。由于影响干涉图的原因很多，如热噪声、配准误差、聚焦不充分和几何去相关等，有 些原因造成的不相关无法在系统设计之前得到。尤其是视角的不同，引入的相位噪声难以 描述。基线优化问题仍然是有待研究的问题。 第6 页 干涉s a s 在获取原始数据之后，要经过一系列的信号处理过程才能得到目标区域的干 涉相位图和三维地形图。在干涉s a s 的整个信号处理过程中，必须对回波信号中所包含的 相位信息进行相位保持。使其能真实地代表目标与声纳之问的斜距关系。i n s a s 信号处理 的主要步骤如下： 一、s a s 成像 用s a s 成像算法对原始数据进行二维成像。 s a s 成像算法按信号处理方式可分成逐点和逐线算法。最早s a s 成像是用波束形成( 逐 点) 算法，但逐点算法的效率低，计算量大。在窄带情况下，同时假设“停一走一停” 模式成立的条件下，可用s a r 中的常用逐线算法如距离一多普勒( r d ) 算法、 c h i r p s c a l i n g ( c s ) 算法和波数域( 一r ) 算法提高效率。 干涉合成孔径得到目标地形高度是利用比相测高的原理，如果两幅s a s 图象的相位信 息不准确，将直接导致干涉处理失败，所以运用保相的s a s 成像算法是后续干涉处理的前 提。 距离一多普勒算法和波数域算法中需要插值运算，这样破坏了s a s 图象的相位信息， c h i r p s c a l i n g 算法利用大时间带宽积线性调频信号的特点，无须插值运算，整个成像过 程只需要快速傅立叶变换和矢量乘法，运算量小，便于并行计算，相位保真度高。 在s a s 成像中因为声音传播速度低，远距离的回波到达基阵时，基阵存在不可忽略的 运动，“停一走一停”模式可能不成立，为此作者研究了“停一走一停”模式不成立条件 下的多子阵逐点成像算法，虽然运算量较大，但相位保真度高。 二、 像素配准( i m a g er e g i s t r a t i o n ) 用于干涉处理的两幅图像在距离向和方位向都会存在一定的错位和扭曲。配准的目的 是要使两个图中同样位置的像素对应地面同一回波点。它的好坏影响着生成的干涉条纹的 质量，从而影响提取高程的精度。当两幅s a s 复图像正确配准时，它们的相位差图像会显 现出条纹，条纹的变化包含着目标地形的信息；反之，干涉条纹会模糊，甚至消失。 三、干涉( i n t e r f e r o m e t r i c ) 将主图像中各像素乘上从图像中的对应像素的共轭，其相角即为两次成像的相位差。 但由于复数对其相角的周期性，干涉得出的不是直接两次成像相位差的原值，而是其被周 期卷绕后的主值。 四、水平相差修正( f l a tp h a s er e m o v a l ) 除去水平地形效应。位置不同而高度相同的象素点，由于下视角的不同使得干涉s a s 相位图像在方位向和距离向的高度有关的相位差存在着差别，此现象即干涉s a s 的水平地 形效应。该效应使得干涉相位图像存在非零的主要条纹频率，即代表地形主要变化特征的 频率，直接复共轭相乘得到的相位图不能直观地反映出实际地形的拓扑变化，所以在对干 涉相位图进行滤波及相位展开处理前应当消除干涉相位图像的水平地形效应。 五、干涉图滤波( p h a s ef il t e r i n g ) 干涉s a s 得到的干涉图受噪声污染非常严重，往往存在大量孤立奇异点使得相位展开 很难进行。用低通滤波器能较好地解决噪声问题，但随着滤波器阶数的增高，干涉图条纹 第7 页 国防科学技术大学聊究生院学位论文 密集处的纹理也将被破坏。必须采用基于条纹疏密及实际地形情况的自适应滤波器，在滤 除噪声的同时，尽可能地保留干涉条纹的纹理特征信息。 六、二维相位展开( p h a s eu n w r a p p i n g ) 干涉处理从信号中只能得到干涉相位的主值空删( o ，2 _ ，r 】或【_ ，r ，z 】，与真实柏位信息存 在2 n x 的相位模糊，必须依据卷绕后的相位主值把卷绕前的相位恢复出来，二维相位展，r ( 或称二维相位解卷) 是干涉合成孔径成像处理的关键及难点。 七、相位高度变换 在系统参数已知的情况下，根据干涉s a s 的空间几何关系，由解卷的相位差得到高度 信息。 1 5 干涉s a s 信号处理流程图 第一副接收阵信号 广 第：副接收阵信号 主复图像 辅复图像 干涉图生成 t 水平相差修正 主 滤波降嗡 i 蠹 皇 f坐标变换i l 。“。“。_ _ t 数字高度模型 ( d e m ) 图18 l n s a s 信号处理流程图 第8 页 事罕 本文以干涉s a s 系统为研究对象，以干涉s a s 的信号处理为主线，通过原理介绍、 概念定义、理论分析与比较以及实际数据处理等手段，对干涉s a s 的信号处理进行了全面 的论述，尤其针对保相s a s 成像、图像配准、干涉图噪声抑制和二维相位展开等关键技术 作了重点研究。本文共分八章，具体内容安排如下： 第一章介绍干涉s a n 系统的基本原理，回顾其发展历程，简述干涉s a s 广阔的应用 现状和前景。 第二章论述保相的s a n 成像算法，它是后续干涉处理的前提，分析几种常用的s a r 成像算法在s a s 中的应用，通过理论和实验比较各自优缺点，选择合适干涉s a n 应用的 保相算法。同时提出了多子阵逐点算法在干涉s a s 应用中的优越性。 第三章对合成孔径声纳运动补偿方法进行了深入的研究。着重对偏置相位中心 ( d p c a ) 方法进行了探讨。 第四章研究干涉s a s 复图像的数据配准方法，按实际信号处理过程分三个步骤论述： ( 1 ) 初配准；( 2 ) 频谱预滤波；( 3 ) 子像素级配准。 第五章论述水平地形效应产生原理及其消除方法，两幅s a s 复图像直接复共轭相乘得 到的相位图不能直观地反映出实际地形的拓扑变化，所以在对干涉相位图进行滤波及相位 展开处理前应当消除干涉相位图像的水平地形效应。 第六章分析干涉图相位统计特性，讨论干涉图相位降噪滤波问题，降噪滤波的方法很 多，但要选择适应干涉图相位特征的滤波方法，滤波可以针对干涉复图像进行，也可以直 接对干涉相位图进行。本章同时提出了一种地形适应的自适应干涉s a s 滤波方法，在抑制 噪声的同时，新方法保持了干涉条纹密集区的信息特征，具有很好的滤波效果。 第七章对二维相位展开问题进行全面和详细的论述，重点分析了分支截断算法、区域 增长算法、最小不连续性算法、最小均方算法、最小范数算法和网络流算法的原理与实 际应用。 第八章为避免相位展开，研究了多基线干涉s a s 系统。同时，为尽量减少系统开销， 又保证系