（信息与通信工程专业论文）基于双星编队sar的差分干涉研究.pdf

国防科学技术大学磅究生院学位论文 摘要 双星编队s a r 系统是一种重要的新概念天基雷达系统，开展该系统的差分干 涉应用研究具有重大意义。本文研究了基于双星编队s a r 的差分干涉技术，主要 关注了g 二轨法与“三辕法捧两种差分于涉方法，并对该两种方法实际处理过 程中的许多细节闯题进行了研究。 第二章研究了基于双星编队s a r 的“二轨法修差分干涉原理及其检测精度问 题，重点分析了干涉相位误差、高程数据误差与基线误差对视线向形变检测精度 的影响，并给出了完整的“二轨法 差分干涉处理流程以及地表形变检测的仿真 实验结果。第三章研究了基于双星编队s a r 的“三轨法 差分干涉原理及其检测 精度问题，重点分析了干涉相位误差与基线误差对视线向形变检测精度的影响， 并考虑到双星编队所获得嚣像的丰富性，利用冗余婴像，采用数据融合的方法进 一步消除了检测中的随机误差，提高了形交检测精度，最后给出了完整的“三轨 法纾差分干涉处理流程以及地表形变检测的仿真实验结果，验证了方法的有效性。 第四章研究了群三轨法捧差分干涉中酶一阶近似阎题，推导出了一阶近熏冀误差的 理论计算公式，并对一阶近似误差特性进行了分析，指出了在大测绘带情况下对 阶近似误差进行补偿的必要性并给出了相应的补偿方法。第五章依据地面定位 过程，研究了常见的仅发生在垂直向的遣表形变的确定方法，分析了“三轨法 差分手涉对该类形变的检测精度。 主题词：双星编队s a r 、差分干涉、检测精度、一阶近似误差、地面定位 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t p a c t b i s a t e l l i t ef o r m a t i o ns a ri sa ni m p o r t a n tn o v e ls p a c e b o m es y s t e m t h er e s e a r c h o fd i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r yb a s e do nt h i ss y s t e mi ss i g n i f i c a n t t l l i st h e s i ss t u d i e s d i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r yb a s e do nb i s a t e l l i t ef o r m a t i o ns a t w o p a s s a n d t h r e e p a s s m e t h o d so fd i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r ya l ef o c u s e do n , a n ds o m ed e t a i l so f t h e s et w om e t h o d si nt h ep r o c e s s i n ga r es t u d i e d 1 1 地r a t i o n a l ea n dd e t e c t i o np r e c i s i o no f t w o p a s s ”d i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r y b a s e do nb i s a t e l l i t ef o r m a t i o ns a ra r es t u d i e di nc h a p t e r2 t h ed e t e c t i o ne r r o ri n l i n e - o f - s i g h tc a u s e db yp h a s ee r r o r , d e me r r o ra n db a s e l i n ee r r o ri sa n a l y z e dc h i e f l y ， t h ep r o c e s s i n gf l o wo f t w o p a s s d i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r ya n dt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t so fg r o u n dd e f o r m a t i o nd e t e c t i o na r es h o w ni nt h ee n do ft h i sc h a p t e r 1 1 1 cr a t i o n a l ea n dd e t e c t i o np r e c i s i o no f t h r e e p a s s ”d i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r yb a s e d o nb i s a t e l l i t ef o r m a t i o ns a ra r es t u d i e di nc h a p t e r3 t h ed e t e c t i o ne r r o ri n l i n e o f - s i g h tc a u s e db yp h a s ee r r o ra n db a s e l i n ee r r o ri sa n a l y z e dc h i e f l y i nv i e wo ft h e a b u n d a n ti m a g e sa c q u i r e db yt h es y s t e m ，am e t h o do fd a t af u s i o nt h a tc a ne l i m i n a t e s t o c h a s t i ce r r o r si si n 仃o d u c e dt oe n h a n c et h ed e t e c t i o np r e c i s i o n t l l ep r o c e s s i n gf l o w o f t h r e e p a s s d i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r ya n dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t so f g r o u n dd e f o r m a t i o nd e t e c t i o na l es h o w ni nt h ee n do ft h i sc h a p t e r , t h ea v a i l a b i l i t yo f d a t af u s i o ni sp r o v e da tt h es a m et i m e n l ep r o b l e mo fa p p r o x i m a t i o n si n t h r e e - p a s s ” d i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r yi ss t u d i e di nc h a p t e r4 n ee x p r e s s i o no ff i r s t - o r d e r a p p r o x i m a t i o ne r r o ri sd e r i v e da n dp r o p e r t i e so ft h ee r r o ra r ed i s c u s s e d , c e r t a i nm e t h o d s t oc o m p e n s a t ef i r s t - o r d e ra p p r o x i m a t i o ne r r o ra r eg a i n e di nt h ee n do ft h i sc h a p t e r a c c o r d i n gt og e o l o c a i o n , t h em e t h o dt od e t e c tg r o u n dd e f o r m a t i o nt h a to n l yo c c u r si n v e r t i c a ld i r e c t i o ni ss t u d i e di nc h a p t e r5 a n dd e t e c t i o np r e c i s i o no f t h r e e p a s s d i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r yf o rt h i st y p eo fd e f o r m a t i o ni sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：b i s a t e l l i t ef o r m a t i o ns a r ；d i f f e r e n t i a li n t e r f e r o m e t r y ；d e t e c t i o n p r e c i s i o n ；t i r s t - o r d e ra p p r o x i m a t i o ne r r o r ；g e o l o e a i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 双星编队s a r 示意图一7 图2 1s a r 图像相位组成1 0 圈2 2 双星编队s a r 空间凡何关系：1 2 圈2 3s l c l 与s l c 3 的于涉几何关系13 图2 4s a r 成像与定位示意图1 6 图2 5 “二轨法”处理流程2 1 图2 6 形变后地形三维图2 2 圈2 7s a r 鬻像灰度图2 3 图2 8 原始相位图2 3 图2 9 形变相位缠绕值。2 3 图2 1 0 检测结果2 4 图3 1 “三轨法”干涉几何关系2 6 图3 2 “三轨法”处理流程图。3 4 图3 3 地形凰：3 5 图3 4 干涉相位3 5 图3 5 差分相位3 6 图3 6 检测结果3 6 图4 。量除近似误差盏线4 3 图5 。l 地面定位几何关系4 7 图5 2 定位示意图4 8 第l i l 页 阑防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 误差传播系数2 0 表2 2 典型误差值影响2 0 表2 3 卫星轨道参数2 2 表2 4 发射星雷达参数2 2 表2 5 误差统计结果。2 4 表3 1 误差传播系数3 l 表3 2 典型误差值影响。3l 表3 3 误差统计结果3 6 表3 4 第二组差分的误差统计结果3 7 表3 5 最小二乘的误差统计结果3 7 表4 1 成像中心时刻卫星坐标4 2 表5 1 误差传播系数5 5 第l v 页 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文申特别加以禄注和致谢憋地方外，论文孛不包含其他入已 经发表和撰写过酌研究成果，也不包含为获得疆防稃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鬻工作昀同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 申作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本人完全了髂国防葺毒学技术大学有关保鬻、使焦学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复窜件和电子文档，允 许论文被查阅和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 引言 能够全短了解我们赖以生存的星球，一直是人类的梦想，天基遥感技术的发 展为人类此梦想的实现提供了有力的技术手段。用于遥感应用的天基传感器主要 有可见光传感器、红外传感器与微波传感器三种。其中，可见光传感器虽然能够 得到与曩视等同的信息，但却受到光照与云雾遮挡的限制；红终传感器摆脱了光 照限制，但是受气候影响仍然较大。由于上面两类传感器都不能全天时、全天候 的获取信息，所以人们努力寻求种能够全天时、全天候工作的天基遥感设备。 天基合成孔径雷达( s a r , s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ) 是种较理想鹃主动式微 波传感器，由于采用主动工作方式，囊身发射电磁波，不会受到隧光照射的限制， 所以能全天时的工作；同时电磁波能够穿透云层、云雾等，所以s a r 又具有全天 候的工作特性。此外，合成孔径雷达又保持了可见光传感器与红外传感器所具备 的高分辨率、大测绘带等特点，所以成为7 一种重要的遥感信息获取设备，在地 形测绘、灾害监测、资源普查、军事侦察等领域发挥着重要作用。 自上世纪末以来，一系列搭载有合成孔径雷达的卫星成功投入使用，如欧空 局诬s a ) 的e i l s 1 ( 1 9 9 1 ) 、e r s - 2 ( 1 9 9 5 ) 、e n v i s a t ( 2 0 0 2 ) ，加拿大的r a d a s s a t ( 1 9 9 5 ) ， 四本眶r s 。1 ( 1 9 9 2 ) 等。这些系统的成功运行为各个领域的研究者们提供了丰富的 图像资源，也促进了合成孔径雷达理论研究的不断深入，引起了合成孔径雷达技 术的革新与应用领域的扩展，其中合成孔径雷达差分于涉( d - i n s a r , d i f f e r e n t i a l s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a ri n t e r f e r o m e t r y ) 技术即是一种备受瞩目的新技术。 高分辨率的合成孔径雷达图像虽然在许多领域发挥了重要作用，但只能提供 测绘区域的二维豳像。i n s a r ( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a ri n t e r f e r o m e t r y ) 技术利用 s a r 图像中携带的相位信息，结合卫星轨道、雷达姿态以及系统参数等，成功实 现了对测绘区的精确三维定位。 合成孔径雷达差分干涉技术( d - i n s 娥d i f f e r e n t i a ls y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r i n t e r f e r o m e t r y ) 剡是对i n s a r 技术的的进一步拓展，其利用多次干涉来获知地表 大范围、高密度的形变信息，检测精度可达c m 甚至m m 量级。较现有的地表形变 检测手段，如水准测量和g p s 测量，d - i n s a r 测量技术具有大范围、高密度、低 成本等优势，在自然灾害监测、地球活断层以及气象学研究等领域具有巨大的发 展潜力移广阔的应用前景。 在新技术出现的同时，关于s a r 系统理论的研究也在不断开展。编队卫星s a r 就是近几年提出的新概念天基s a r 系统，自从其提出后就吸引了国内外众多研究 第1 奚 国防科学技术大学研究生院学位论文 机构的关注，该系统将雷达搭载在编队飞行的卫星上，构成双多基地雷达系统， 共同完成大测绘带高分辨率成像、地面高程测量、洋流测速和地面动目标检测等 任务。 虽然编队卫星s a r 系统提出之初并未对差分干涉层面的应用予以考虑，但由 于编队s a r 系统自身所具有的系统优势，利用其所获得的s a r 图像进行差分干涉 处理能在一定程度上解决一直以来制约d i n s a r 技术走向成熟的时间去相干、大 气效应等难题。当前，随着各国对编队卫星s a r 系统研究的不断深入以及各技术 难题的不断解决，编队卫星s a r 系统的可行性也得到了众多研究成果的证明，该 类系统在未来天基遥感领域的重要地位日益明朗化，所以开展基于编队s a r 系统 的差分干涉研究具有重大的现实意义。 1 2d i n s a r 技术研究现状 合成孔径雷达差分干涉( d i n s a r , d i f f e r e n t i a ls y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r i n t e r f e r o m e t r y ) 技术由g r a b d e l 等【l 】于1 9 8 9 年首次提出，他们利用s e a s a t 卫星l 波段s a r 数据对美国加利福尼亚州东南部的英佩瑞尔河谷( i m p e r i a lv a l l e y ) 灌溉 区的地表形变进行了检测，论证了该技术具有探测厘米级地表形变的能力，但是 他们的工作在当时却没有得到足够的重视。直到1 9 9 3 年法国的m a s s o n n e t 等人【2 】 利用e r s 1 的s a r 数据以及该地区已知的d e m 数据，获取了1 9 9 2 年的美国加利 福尼亚l a n d e r s 地震( m = 7 2 ) 的形变场，测量结果与野外g p s 测量数据相当吻合， 引起了国际地震界震惊，之后d i n s a r 技术检测地表形变的能力才被大家所认识， 广泛的研究开展开来。d - i n s a r 与水准测量、g p s 测量一起构成了地表形变检测 领域的三项主要技术。 ( 1 ) 水准测量 水准测量利用水准仪对高程进行测量，精度高，但是该方法中高程是一个一 个站进行传递的，受地形影响大，并受通视限制。此外该方法需人工干预多，劳 动量大，成本高。 ( 2 ) g p s 测量 g p s 同水准测量一样都属于点测量。g p s 测量需要的人工干预较小，劳动量 较小，时间分辨率高，受大气延迟误差和轨道误差影响小，但需要在地面架设地 面站，所以测量网格较大，成本较高。 ( 3 ) d - i n s a r d i n s a r 属于面测量，测量范围大，空间分辨率高，能达到与g p s 同一量级 的测量精度，无须架设地面站，需人工干预小，成本低。 传统的d i n s a r 技术按地形信息去除方法的不同分为“二轨法 ( t w o p a s s ”) 、 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 “三轨法”( t h r e e p a s s ”) 与“四轨法( f o u r - p a s s ) 3 j i _ 4 j l 副。 搿二轨法”只需形变前后的两幅s a r 图像进行干涉处理，利用观测区域已知 的数字高程( d e m ) 数据模拟地形纹图，从而去除干涉相位图中翁地形信息得到 地表形变信患。该方法的优点是所需图像少，缺点是需要观测区域的d e m 数据， 当观测区域的d e m 数据精度较低或者没有d e m 数据时，该方法不能使用。此外， 利用d e m 数据生成模拟地形纹图也存在一定的难度，主要是d e m 数据向s a r 图 像配准翦问题，这也在一定程度上制约了二孰法押的使用。 “三轨法一需三幅图像进行处理，其中两幅是形变前获取，另外幅于形变 后获取。选取形变前的一幅图像做为主图像，与其余两幅图像配对进行干涉生成 两幄干涉图，一幅仅包含地形信息，另一幅既包含地形信息又包含形变信息。将 两幅干涉图进行差分处理就可以得到形变信息。此种方法与“二轨法”相比，以 增加一幅图像为代价，避免了外部d e m 数据的使用，图像之间的配准难度小，相 饿滤波以及解缠等操作都有成熟的算法可供使用，鉴于此，“三轨法 是使用较 广泛的差分干涉方法。 “四轨法 与“三轨法 一样不需要外部d e m 数据，但是却需四幅图像，其 中形变前三幅，形变后一幅。当观测区域没有已知的d e m 数据，并且又没有相干 性好的三幅篷像来进行样三辘法 差分于涉处理时，就可以使用“四轨法进行 差分干涉处理。从形变前三幅图像中选取相干性强的两幅图像生成包含地形信息 的干涉图，剩余一幅形变前图像与形变后图像配对干涉生成包含地形与形变信息 的干涉图，将两襁干涉图差分处理就可以得到形交信息。该方法的难点主要存在 于向不同主图像的配准闯题上。 上述三种传统的d 。i n s a r 方法只能得到某一时间间隔内的形变信息，并且对 图像相干性的要求高，为了得到好的干涉效果通常要求小的时间基线与空间基线， 这就不麓充分利用所巍得到的s a r 图像资源。当前，研究人员开始关注多时相差 分干涉技术，对长时间的地表形变序列进行检测，主要的检测方法有永久散射体 ( p s ，p e r m a n e n ts c a t t e r e r s ) 技术f 6 l 闭闷与小基线集( s b a s ，s m a l lb a s e l i n es u b s e t ) 技术翻溯。 d i n s a r 技术的应用领域广泛，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 地表形变监测 对地震形变场进行监测是差分干涉应用的重要方面，也是差分干涉技术最成 功的应用范例之一。嚣前，世界上较为活跃的几个地震区都已使用d - i n s a r 技术 对形变场成图，如1 9 9 5 年希腊的g r e v e n a 地震【l l 】，1 9 9 7 年中国西藏玛尼地震【1 2 】【1 3 j 、 2 0 0 1 年中国的昆仑山口地震l l q 等，所获得的形变场与祠用其他手段获得的结果吻 合较好。但当前利用差分予涉技术对地震的研究主要集中在震后同震形变场的提 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 取与分析上，如果能对地震孕育期的地表形变场进行精确的监测，根据干涉条纹 的变化预测出发震地点，则意义将夏加深远。但由于震前的形变通常范围大( 几 十公里 、形变量微小( 每年凡毫米) ，所以对地震进行准确的预测有定的难 度。 火山活动也是一种严重的自然灾害，全球可能爆发的火山有1 0 0 0 多座，并有 很大一部分位于人黼稠密地区，它们无规律地爆发会造成灾难性的后果。虽然一 些火山在喷发前形变并没有处于峰值点，但多数在喷发翁确实有很显著的地表形 变。因此，准确地进行地表形变的监测有可能进行火山爆发的预测。目前已有很 多学者利用d i n s a r 技术研究火山形交情况，其中意大利的e t n a 火山【l 习是研究最 活跃及程度最涤的火由之一。 城区与矿区发生的长时间缓慢地表沉降主要是由人为因素造成的，如地下水、 矿产资源、石油的过度开采。此类地表沉降会严重影响房屋建筑与公路桥梁的安 全，与人类的日常生活息息相关。由于城矿区一般地势较平超，植被相对较少， 雷达反射的相关性较好，容易获得质量较好的s a r 干涉图像，此处由于具有大的 观测范围，d i n s a r 能在宏观上把握沉降的趋势和范围，因而沉降监测是d i n s a r 技术应用的理想领域，国内外在此应用领域的研究开展的也较多【1 罐翔。 ( 2 ) 冰川活动 温室效应导致的全球变暖是当前人类所面对的严重环境问题，引起了社会各 界的关注。极地与高山的冰川对温度变化异常敏感，是全球气候走势的晴雨表， 对其进行准确及时的监测具有重要意义。由于冰j | | 自然环境恶劣，利用地面手段 进行观测难度很大，地面站的建立问题又制约了g p s 技术的使用，此时d i n s a r 的优势就凸现出来【l s l 1 9 1 。 ( 3 ) 气象学 对水汽场的分析工作在天气分析和预报中非常重要，但是目前依然普遍认为 水汽场没有被充分研究清楚，这是由于水汽观测数据的稀少和水汽场在空间和时 间上的高度可变性而弓f 起的。1 9 9 9 年，h a n s s e n 等人f 2 q 在d - i n s a r 生成地表形变 的测量研究中进行了水汽成图的研究，成果发表在s c 粼嚣上，从此扩展出 了d i n s a r 的个新的研究领域气象学研究。 d i n s a r 对各类形变进行检测的结果实际上是形变、大气效应与观测噪声等 的综合，如果形变为零或者已知，并且忽珞噪声的影响，那么就可以得到视线向 的大气延迟，进而对大气水汽含量进行分析。这就是d - i n s a r 进行水汽测量的基 本思想。d i n s a r 技术弥补了探空气球费用高昂、空间分辨率较低的不足，同时 相对于g p s 又具有高空间分辨率监测大气中水汽信息的能力，已成为气象学领域 一种新兴的观测手段。但d i n s a r 具有时闻分辨率不够高的缺点，若笼与g p s 气 第4 页 星防科学技零大学研究生院学位论文 象数据、地瓶气象以及气象卫星资料有机地结合，就可以平衡各数据源的优缺点， 得到时闻和空间分辨率均较为理想的水汽观测结果，进而建立高精度、高时空分 辨率的承汽模型，这对大气模型参数静确定也会起很大作用。嚣蘸，蓬内在这方 隧的研究还很少。 ( 4 ) 军事应用 d - i n s a r 在军事方面薛应用研究鲜有报道，健在战场靠击效果评估与战场部 署篌察等方瑟具有一定的发震潜力，歼震这方委的研究具有定的意义。 利用d - i n s a r 进行战场打击效果评估具有实际可行性，虽然到目前为止还没 有具体的应用实例，僵却一直是讨论的热点问题。大规模轰炸与地，空一地导弹袭 击会对蠢标造成大范翟缝摧毁，这种破坏与地震灾害有一些相似之处，所以j 羹：类 军事应用可以借鉴d i n s a r 对地质灾害监测的成功经验。对打击效果评估的难点 主要集中在打击效果评估标准上。军饔打击目的是使敌方的重要军事设施丧失其 功能( 如使飞视跑道不再适合飞枧起飞等) ，剩用于涉条纹来决定霹标翦功麓丧 失程度霪要一定经验傻来做为参考。 战前动员与战役部署都伴随着大规模地面部队的调动( 坦克、车辆、人员等) ， 能否对敌方的此类活动进行及时准确的偾察具煮重大昀战略意义，可能会影响裂 我方的上屡决策，决定战争结果。照着各慝防空系统的不断发震，利耀俊察飞枧 进行侦察的难度越来越大，此时，侦察卫星的外太空优势明显，但如果敌方利用 黑夜与天气进行隐蔽，天基光学与红外传感器也不能有效偾察，s a r 的全天时、 全天候、大测绘带等优势搜诧类偾察成为可麓。有露这种簇察豹实时性要求并不 岗，所以无须利用g m t i 技术，d - i n s a r 就可以达到满意的侦察效果。把大规模 地面部队的调动看成一种米级( 坦克、车辆、人员的高度) 的地表形变是完全合 理静，此量级的形交在d - i n s a r 静裣溅范围之内，僵这种疲用嚣可行性还宥待具 体实验的验证。 目前，d i n s a r 研究的数据主要来源于现有商业s a p , 卫星重复轨道任务所获 得的s a r 图像数据，特别是2 0 世纪粥年代之后投入运行的天基s a r 系统。皇上 世纪粥年代班来，星载s a r 系统进入了发展静黄金时期，投入运行的搭载有合 成孔径雷达的人造卫星主要有： 夺欧空局( e s a ) 1 9 9 1 年7 月发射的e r s 1 ，c 波段 西本空阊局( j s a ) 1 9 9 2 年2 旁发射静j e r s - l ，毛波段 欢空禺( e s a ) 1 9 9 5 年4 月发射的e r s - 2 ，c 波段 加拿大1 9 9 5 年1 1 月发射的r a d a r s a t - i ，c 波段 欧空局( e s a ) 2 0 0 2 年3 胃发射的e n v i s a t - 1 ，c 波段 夺基本空闽局( j s a ) 2 0 0 6 年1 月发射麓a l o s ，l 波段 第5 茭 国防科学技术大学研究生院学位论文 令德国空间中心( d l r ) 2 0 0 7 年6 月发射的t e r r a s a r - x ，x 波段 其中，欧空局的e r s 一1 2 的数据应用最为广泛，因为这两颖卫星可以提供时 闻基线较短( 最小可为l 天) 的s a r 图像进行干涉，并且具有较精确的轨道( 1 0 c m ) 以及雷达参数。但到目前，e r s l 卫星已经停止工作，e r s - 2 也处于“超期服役 状态，性能和可靠性都有所降低。2 0 0 2 年2 月欧空局e r s 1 2 的后继卫星e n v i s a t 的成功发射为星载d i n s a r 的研究带来了新的机遇，所搭载的a s a r 传感器在各 方面较e r s 1 趁的s a r 更加先进，具有多极化方式和多种观测模式。e n v i s a t 的 a s a r 数据已经于2 0 0 2 年9 月开始正式向用户开放，有良好的干涉处理应用前景。 由于a s a r 与e r s 1 2s a r 一样都工作在c 波段，能继续提供与e r s 1 2s a r 相 同模式的数据，保持了对地观测数据的持续性和稳定性。所以，即可以利用a s a r 数据与e r s 1 2 的s a r 数据交叉使用来进行差分干涉实验【2 1 】嘲，也可以单独利用 a s a r 数据来获取形变信息1 2 3 1 1 2 4 1 。当前如何充分利用a s a r 数据对各类形变进行 检测是d - i n s a r 研究的热点之一。 1 3 基于编队卫星s a i l 的差分干涉研究 如前所述，目前d i n s a r 的研究主要是利用现有商业卫星重复轨道任务所获 墩的图像对进行处理的，可以称之为单星重复轨道差分干涉，这种方式易受时闯 去楣关、大气效应以及卫星状态测量误差等因素的影响： ( 1 ) 时间去相关 重复轨道任务的观测时间间隔通常为几个小时到几个月，为完成d i n s a r 测 量，透常需要多次的飞行，每次飞行时，由予植被生长，天气变化等因素，她物 散射特性发生变化，从而降低了不同时刻s a r 图像之间的相干性，严重影响检测 精度。 ( 2 ) 大气效应 大气效应的影响使电磁波的传播路径弯曲。对于重复轨道d 。i n s a r 来说，每 一次飞行的影响都是不同的，校正处理非常困难。 ( 3 ) 卫星状态测量误差 尽管理论上d i n s a r 的形交检测精度可达到雷达发射信号波长的量级，但差 分处理中需要利用高精度( m m 级) 的基线数据消除地形信息，然而单星状态确定 的精度难以保证，从而限制了d i n s a r 技术的工程应用。 编队卫星s a r 系统是近几年提出的新概念天基雷达系统，自麸其提斑看就吸 引了国内铃众多研究机枣的关注，该系统将雷达搭载在编队飞行的卫星上，构成 双多基地雷达系统，共同完成大测绘带高分辨率成像、地面高程测量、洋流测速 和地面动目标检测等任务瞄1 4 2 9 1 。目前各国提出的编队卫星s a r 概念系统按照收发 第6 夏 国防科学技术大学研究生院学位论文 模式的不同可以分为多发多收、主星带伴随辅星星群的一发多收以及双星编队三 类。 多发多收系统的典型代表是t e c h s a t 2 1 计划【3 0 】，该计划于1 9 9 8 年由美国的空 军实验室( a i rf o r c er e s e a r c hl a b o r a t o r y ，a f r l ) 提出，由多颗微小卫星组成三维 密集编队飞行，每一颗小卫星上都装有x 波段的收发载荷，组成一个多发多收的 稀疏孔径系统。原计划在2 0 0 3 发射3 颗卫星进行演示验证，但经过4 年左右的研 究表明该系统的技术难度比预想的要大得多，因此该计划在2 0 0 3 年进行了调整： 先通过天基多孑l 径研究，进行系统建模与地面仿真试验，飞行试验暂时搁置 主星带伴随辅星星群的典型代表为干涉车轮( i n t e r f e r o m e t r i cc a r t w h e e l ) 计划 【3 l j 【3 2 1 ，该计划是由法国空间中心( c n e s ) 的d m a s s o n n e t 等人于1 9 9 8 年正式提 出的，设计的主要任务为i n s a r 高程测量。系统利用在轨或计划发射的s a r 卫星 ( 如l 波段的a l o s 或c 波段的e n v i s a t ) 作为主星，几颗只具有接收功能的小 卫星在距离主星一定距离处伴随飞行，并接收主星发射信号的回波，与主星组成 一个一发多收的“寄生式 系统。c a r t w h e e l 计划的突出优点是只需要发射仅具有 接收功能的小卫星，且编队构型设计比较巧妙。概念提出后，其设备简单、成本 低的优势立即引起人们的关注。但随着分析的进一步深入，主星带伴随小卫星编 队的形式有其自身的约束。 图1 1 双星编队s a r 示意图 双星编队s a r 系统的典型代表为t a i l 【) e m x ( t e r r a s a r - xa d d o nf o rd i s t a l e l e v a t i o nm e a s u r e m e n t ) 计划幽j ，由德国空间中心( d l r ) 提出。该计划是在 t e r r a s a r - x 卫星的基础上，再发射一颗基本相同的t a n d e m x 卫星，组成双星编 队。t a n d e m x 的双星编队示意图如图1 1 所示。2 0 0 7 年6 月1 5 日，该计划的主 星t e r r a s a r - x 成功发射。从卫星发射后的报道来看，s a r 性能全面超越设计指标， 取得了很大的成功。在卫星上天的第四天就得到了第一幅高质量的s a r 图像。d l r 计划在两年后发射伴随卫星t a n d e m x ，两星共同工作三年时间。双星编队体制的 另一个代表性系统是加拿大空间中心( c s a ) 和m a c d o n a l dd e t t w i l e r 公司合作提 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 出的r a d a r s a t - 2 3t a n d e m 计划。 从现在的发展进展来看，上述三种系统中双星编队s a r 离真正的系统实现最 近，不久的将来必会成为天基雷达系统中瓣重要一员，所以开震基于双星编队s a r 的差分干涉研究具有紧迫性与现实意义。鉴于此，本课题将重点研究双星编队s a r 系统的差分干涉应用。 与传统的单星多航过d i n s a r 方法相党，利用双星编队s a r 的差分干涉处理 来检测地表形变有诸多优势，主要包括： 时间去相关的影响可大幅降低。编队只需两次航过即可获得多幅地表形变 前后的s a r 图像，实现d i n s a r 测量，并且同一次飞行获得的s a r 图像对之间 不存在时闻去相干阀题； 大气效应的影响可大幅降低。由于同次飞行获得的图像对之间时间尺度为 零、空间尺度较小，所以它们受大气扰动的影响基本相同，在进行干涉处理时可 以褥到很好的消除； 可以额外利用先进的高精度星间测量设各，提高编队的空间状态测量精 度，从而提高形变量的测量精度。 编队卫星系统形成更多、更长的基线，通过选择与最优基线接近的的s a r 图像对，可提高d 。i n s a r 测量的性能。 多卫星、多轨道和双侧视为真实形变量的确定提供了可能的解决方法。 到目前为止，国内外针对双星编队卫星d - i n s a r 技术研究的公开报道开很少， 分析其原因主要有：第一，国内外关于编队卫星s a r 系统的研究重心集中在系统 设计、s a r 成像、干涉测高等方面，而d i n s a r 技术属予后端应用，现阶段还不 是系统设计优先考虑的应用目标；第二，国内外还没有实用的编队卫星s a r 系统， 还不能为差分干涉研究提供实验数据，两且可靠逼真的仿真数据也很难获取，从 而使研究工作的难度加大。 当前，针对编队s a r 的系统理论、成像算法、动目标检测与干涉测高等方面 取得的研究成果瑟5 l 例是实现编队s a r 系统实用化的理论基础，也是拓展编队s a r 系统在相关领域应用的基础。可以预觅，在这些研究成果的基础上，基于编队s a r 的d i n s a r 技术的研究工作将会蓬勃发展起来，随着编队s a r 系统的工程实现， 浚技术必将成为地表形变高精度检测的更有效手段。 1 4 本文的主要工作 本文将对基于双星编队s a r 的差分干涉技术进李亍研究，主要关注“二轨法 与“三轨法 两种差分干涉方法，并将对利用该两种方法进行地表形变检测中的 许多关键问题展开讨论，各章节的安排如下： 第8 燹 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 第二章将主要研究基于双星编队s a r 的“二轨法”差分干涉技术。将传 统的单星“二轨法一差分干涉基本原理推广到双星编队、空间基线情况下展开讨 论，并将对检测精度问题进行分析，重点分析干涉相位误差、已知高程数据误差 与基线误差对视线向形变检测精度的影响。最后将给如完整的“二轨法 差分干 涉处理流程以及地表形变检测的仿真实验结果。 ( 2 ) 第三章将主要研究基于双星编队s a r 的“三轨法捧差分干涉技术。将传 统的单星“三轨法”差分干涉基本原理推广到双星编队、空间基线情况下展开讨 论，并将对检测精度问题进行分析，重点分析干涉相位误差与基线误差对视线向 形变检测精度的影响。考虑到双星编队所获得图像的丰富性，将利用冗余图像采 用数据磁合的思想寻求进一步消除了检测中随机误差酶方法，提高了形变检测精 度。最后将给出完整的“三轨法差分干涉处理流程以及地表形变检测的仿真实 验结果，对方法的有效性进行验证。 ( 3 ) 第圈章将针对搿三轨法差分干涉中的一阶近似问题展开研究。将对一阶 近似误差的理论计算公式进行推导，并对误差特性进行分橱，最后将针对误差特 性给出相应的一阶近似误差补偿方法。 ( 4 ) 第五章将对仅发生在垂直向地表形变的确定方法进行研究。将利用视线向 形变，依据地面定位过程确定出仅发生在垂直彝的地表形交，并将分析“三孰法 差分干涉对该类形变的检测精度问题。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章双星编队s a r “二轨法”差分干涉 “二轨法 差分干涉对形变前后的两幅s a r 图像进行干涉处理，利用观测区 域已知数字高程数据模拟地形纹图，从而去除干涉相位图中的地形信息得到地表 形变信息，是重要的差分干涉处理方法之一。 本章主要对基于双星编队s a r 的“二轨法 差分干涉展开讨论。由于相位是 差分干涉处理的直接数据源，所以，首先2 1 小节将对s a r 图像的相位组成进行 分析。随后，2 2 小节将传统的单星“二轨法”差分干涉基本原理推广到双星编队、 空间基线情况下，2 3 小节将对利用d e m 数据生成模拟地形纹图的问题进行说明。 形变测量精度是一个备受关注的问题，此问题也将是本章的主要关注点之一，2 4 小节将给出“二轨法”差分干涉处理中干涉相位误差、高程数据误差与基线误差 的误差传播系数，详细分析此三种主要误差源对视线向形变检测精度的影响。最 后，2 5 小节将给出完整的“二轨法”差分干涉处理流程以及地表形变检测的仿真 实验结果。 2 1s a r 图像相位组成 s a r 图像中携带的相位信息是提取地面高程与形变信息的直接数据源，是干 涉与差分干涉的直接观测量，所以充分了解其组成是必要的。s a r 图像的相位组 成较复杂，不仅与几何斜距( 从传感器到地表分辨单元平均反射面的距离) 有关， 而且受到地表分辨单元内部诸地物引起的相位延迟加权和的贡献，此外，s a r 图 像相位还受到大气延迟的影响。图2 1 从宏观与微观两个角度对s a r 图像相位组 成进行了说明【j 川。 蠢：篡b 麓，i ：瀑；粤 九= 攀豢露掌峨一：案橐：篆哕 从上图知相位主要由三部分组成：( 1 ) 由发射星、接收星到地面分辨单元平 第1 0 页 彩“ 一 鲻_ 、一 鳓_ 九 翱防科学技术大学研究生院学位论文 均反射面的距离引起的延迟相位诈，( 2 ) 地面分辨单元内各个地物引起的相位延迟 加粳狸戎，( 3 ) 由予大气的异质性而孳l 起的大气延迟相位丸。总体相位如下式所 示， 一，” = 秀苁丸= 一- 7 - ( r , + ) + 建丸 q ，1 ) 当发射星与接收星榴圆时，距离与0 褶等。大气延迟裰位磊国下行大气延迟糖位 屯与上行大气延迟相位如嚣部分组成，大气延迟相位主要是由于大气的异质性引 起电磁波传播路径弯曲而造成的。大气效应不仅存在空变性而且也存在时交性 2 0 3 6 1 糨缱峻的产生桃理最必复杂。假设每个地