专利名称：星载干涉合成孔径雷达数字高程模型重建方法
技术领域：
本发明属于微波遥感和信号处理的交叉技术领域，特别涉及一种干涉合成孔径雷达数字高程模型重建方法。
背景技术：
干涉合成孔径雷达能够全天候、全天时地获取具有较高空间分辨率和高程精度的数字高程模型。利用数字高程模型，可监测地球陆地表面和冰雪表面的变化情况，进行地震、火山爆发、滑坡和大洪水等灾害预测，为农业、林业、渔业等生产提供帮助，为军事活动提供信息支持。总之，利用干涉合成孔径雷达获得的数字高程模型具有重要的应用价值和广泛的应用领域。早期的干涉合成孔径雷达主要用于机载系统，在应用范围和应用空间上有较大的局限性。20世纪90年代随着技术的进步，干涉合成孔径雷达成功应用于星载系统，为全球提供了丰富的星载干涉合成孔径雷达数据。2000年2月11日美国国家航空航天局和国家影像与测绘局联合进行了航天飞机雷达地形测绘任务，这次基于干涉合成孔径雷达技术的试验首次实现了真正意义上的全球地形三维测绘，试验的部分数据和结果已经公布以供各科研机构处理和评估。2007年，德国发射了分辨率达1米的X波段合成孔径雷达卫星 TerraSAR-X，这是迄今为止分辨率最高的民用合成孔径雷达卫星。德国于2010年6月21日又发射了第二颗几乎一样的卫星，两颗合成孔径雷达卫星将组成双星编队的TanDEM-X系统进行全球地形测绘，获取全球高精度数字高程模型数据，公布的预期指标将高于美国的航天飞机雷达地形测绘任务。目前德国已经将部分的TerraSAR-X的重复轨道干涉合成孔径雷达数据在互联网公布供全球研究机构使用。数字高程模型重建是干涉合成孔径雷达数据处理过程中的关键步骤。干涉合成孔径雷达系统获取的原始回波数据经成像、配准、干涉、滤波、解缠等处理后得到绝对干涉相位，数字高程模型重建即利用该绝对干涉相位及雷达系统的轨道参数来反演雷达图像每一分辨单元所对应的地球表面三维坐标。数字高程模型重建的耗时与雷达图像像素的数目成正比。星载干涉合成孔径雷达系统的一个重要任务是进行全球测绘，获取全球高精度数字高程模型产品。德国空间局计划利用TanDEM-X系统在三年内完成全球数字高程模型测量，预计获取的数据量将大于 1300TB (2000年美国航天飞机雷达地形测绘任务的全球数据量约9. 8TB)。面对如此海量实测数据，在保证精度的情况下，如何提高数据处理速度是一个亟待解决的重要问题。因此研究基于星载干涉合成孔径雷达系统的高精度、快速数字高程模型重建方法具有重要意义。在干涉合成孔径雷达数字高程模型重建方法的研究中，Goblirsch于1997年提出了一种正侧视、平地假设下的数字高程模型重建方法，该方法重建得到的三维坐标误差较大；Giovanni Nico于2002年基于距离球、多普勒锥和相位双曲面推导了数字高程模型重建的解析解，该解析解的推导是基于两幅干涉合成孔径雷达图像的发射斜距重合或者重复轨道干涉测量模式的假设；Marcus Schwabisch于1998年研究了如何基于产品坐标格网快速获取高程的方法，该方法不能获得雷达图像每一分辨单元的三维坐标；在2005年， Eineder基于最大似然估计方法来同时进行相位解缠和定位处理，并且融合不同观测几何情况下的干涉相位图得到数字高程模型。上述数字高程模型重建方法在处理海量实测数据时往往难以克服处理速度与重建精度的矛盾。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供干涉合成孔径雷达数字高程模型重建方法，本方法计算量小，能够在现有计算能力下在较短的时间内完成；同时本方法的计算精度能够满足干涉合成孔径雷达系统数字高程模型重建的要求。本发明技术方案的思路是首先，对原始绝对干涉相位图进行粗采样。然后，拟合出粗采样绝对干涉相位图每一像素处数字高程模型重建三维坐标与绝对干涉相位的多项式。最后，通过对粗采样绝对干涉相位图每一像素处的多项式进行双线性内插，得到原始绝对干涉相位图每一像素处的多项式，将该像素处的绝对干涉相位值代入其对应的多项式即可得到相应的三维坐标。本发明技术方案是利用已知的原始绝对干涉相位图及雷达系统的轨道参数，完成以下步骤第一步衍生绝对干涉相位偏差图对原始绝对干涉相位图按照方位向间隔k个像素、距离向间隔1个像素进行粗采样(k、1的取值由最终希望得到的数字高程模型精度要求决定，精度越高取值越小，可取 [3,20]区间某一整数值)，得到粗采样绝对干涉相位图，将η个相位偏差分别叠加至粗采样绝对干涉相位图，衍生出η幅绝对干涉相位偏差图，其中η的取值也由最终希望得到的数字高程模型精度要求决定，精度越高取值越大，可取W，10]区间内某一整数值。当η为奇数时，相位偏差V Φ i，i = 1,2, Ln的取值如下
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2其中，C = 1. 5，fa、fr分别为原始绝对干涉相位图的方位向频率和距离向频率。第二步绝对干涉相位偏差图的数字高程模型重建基于每一幅绝对干涉相位偏差图，结合干涉合成孔径雷达系统的斜距方程、多普勒方程和干涉相位方程进行数字高程模型重建，得到η幅数字高程模型重建结果。数字高
5程模型重建具体方法参见硕士论文《天基^SAR理想干涉量的仿真与应用研究》(国防科技大学，2009年，王青松，第21页)2. 3. 2节。第三步多项式拟合基于前述η幅绝对干涉相位偏差图以及相应的η幅数字高程模型重建结果，在粗采样绝对干涉相位图每一像素位置0is，rs)处拟合出三个以绝对干涉相位值Φ为自变量的
m阶多项式;^^/i^&byW)，；^^/^。其中me [l，n_l]，根据需要的计算精度选取，多项式y W)表示在像素位置( ，rs)处重建的数字高程模型中的χ轴坐标取值与绝对干涉相位值Φ的关系，Pj^^yW)表示在像素位置(as，rs)处重建的数字高程模型
中的y轴坐标取值与绝对干涉相位值Φ的关系，&h,。/-)表示在像素位置( ，rs)处重
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对干涉相位图每一像素位置(a，r)处的三个多项式ρ' Χ(3,Γ)(Φ), ρ' ,(3,Γ)(Φ),ρ' z(a,r) (Φ)
权利要求
1. 一种星载干涉合成孔径雷达数字高程模型重建方法，其特征在于，利用已知的原始绝对干涉相位图及雷达系统的轨道参数，完成以下步骤 第一步衍生绝对干涉相位偏差图；对原始绝对干涉相位图按照方位向间隔k个像素、距离向间隔1个像素进行粗采样，k、 1的取值由最终希望得到的数字高程模型精度要求决定，精度越高取值越小，得到粗采样绝对干涉相位图；将η个相位偏差分别叠加至粗采样绝对干涉相位图，衍生出η幅绝对干涉相位偏差图，其中η的取值也由最终希望得到的数字高程模型精度要求决定，精度越高取值越大，可取W，10]区间内某一整数值。当η为奇数时，相位偏差νφρ i = 1,2, Ln的取值如下^ _ , C^ifg-kf Hfr-If 1n-\V^=OU. W+1'-丁=1’n-\2n + l2n + l2+ 1,...η.当η为偶数时，相位偏差νφρ i = l，2，Ln的取值如下V^· =-(2/-1= —Νφ.C^{fa-k)2+{fr-lf2(/7-]=1 ...-η=一 + 1”.几2其中，C = 1. 5，fa、fr分别为原始绝对干涉相位图的方位向频率和距离向频率。 第二步绝对干涉相位偏差图的数字高程模型重建基于每一幅绝对干涉相位偏差图，结合干涉合成孔径雷达系统的斜距方程、多普勒方程和干涉相位方程进行数字高程模型重建，得到η幅数字高程模型重建结果。 第三步多项式拟合基于前述η幅绝对干涉相位偏差图以及相应的η幅数字高程模型重建结果，在粗采样绝对干涉相位图每一像素位置(as，rs)处拟合出三个以绝对干涉相位值Φ为自变量的m阶多项式Α&Λ/0，Λ^λ丨(0，Α&Λ丨(妁。其中me [l，n-l]，根据需要的计算精度选取，多项式y W)表示在像素位置( ，rs)处重建的数字高程模型中的χ轴坐标取值与绝对干涉相位值Φ的关系，Pj^^yW)表示在像素位置(as，rs)处重建的数字高程模型中的y轴坐标取值与绝对干涉相位值Φ的关系，P^^yW)表示在像素位置( ，rs)处重建的数字高程模型中的ζ轴坐标取值与绝对干涉相位值Φ的关系。 第四步多项式内插对多项式/^^/^，/^ “/^，/^^/妁进行双线性内插可以求得原始绝对干涉相位图每一像素位置(a，r)处的三个多项式ρ' Χ(3,Γ)(Φ), ρ' ,(3,Γ)(Φ), ρ' z(a,r)(Φ)
全文摘要
本发明一种提供干涉合成孔径雷达数字高程模型重建方法。技术方案是首先，对原始绝对干涉相位图进行粗采样。然后，拟合出粗采样绝对干涉相位图每一像素处数字高程模型重建三维坐标与绝对干涉相位的多项式。最后，通过对粗采样绝对干涉相位图每一像素处的多项式进行双线性内插，得到原始绝对干涉相位图每一像素处的多项式，将该像素处的绝对干涉相位值代入其对应的多项式即可得到相应的三维坐标。本发明计算量小，能够在现有计算能力下在较短的时间内完成；同时本方法的计算精度能够满足干涉合成孔径雷达系统数字高程模型重建的要求。
文档编号G01S13/90GK102183761SQ201110042649
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月22日 优先权日2011年2月22日
发明者何峰, 何志华, 余安喜, 孙造宇, 张永俊, 张永胜, 杜湘瑜, 王青松, 董臻, 金光虎, 陈祺, 黄海风 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学