专利名称：一种星载多频率与多基线InSAR高程估计精度等效性确定方法
技术领域：
本发明涉及一种星载干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar，简称^SAR)高程估计精度分析确定方法，特别涉及一种星载多频率与多基线^SAR 高程估计精度等效性确定方法，属于信号处理技术领域。
背景技术：
数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)是二十世纪五十年代末提出的，它是地形表面形态信息的数字表达，是一种带有空间位置特征和地形属性特征的全数字表达。DEM是地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)空间数据库中最为重要的空间信息资料之一，是GIS中三维空间数据处理和地形分析的核心数据。自 DEM的概念被提出以来，它就被广泛的应用于测绘、工程建设和军事应用等领域。1.测绘应用绘制等高线、坡度坡向图、立体透视图、制作正射影像图和地图的修测等；2.工程建设应用铁路和公路等各种线路的选线和任意断面图绘制等；3.军事应用精确制导、目标分类和识别与战场监视等。MSAR技术是应新时期对DEM信息的需求而产生的，是获取DEM的重要手段。InSAR 利用从不同视角获取的两幅合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)单视复图像经过干涉处理来估计地面高程。MSAR技术是主动微波成像技术，因此，它既不受光照条件的限制，也不受云层的影响，可以实现全天时、全天候对地观测。而且，它的穿透力强和分辨率高，可以透过地表和植被获取地表下信息。这是光学成像方法不能够比拟的优势。但是，hSAR获取全球、高精度DEM仍然面临着各种挑战。一方面，系统噪声和各种去相关因素等制约着它的高精度测绘能力；另一方面，复杂地形(大斜坡和不连续区域，如山谷和城市区域等)的欠采样引起的相位信息混叠，会导致很难重构这些地区的DEM，限制了其全球测绘的能力。因此，多频率、多基线^SAR测高技术应运而生。在提高测绘精度方面，多频率、多基线^SAR技术可以利用多频率或者多基线提供的冗余相位信息来提高干涉图质量和相位解缠精度，从而提高DEM获取精度。另外，多基线^iSAR技术，即能够利用短基线较好的相位展开性能，又能够保持长基线的高精度高程测量性能，从而提高DEM获取精度。在获取复杂地形DEM方面，多基线^iSAR技术，可以克服单基线^iSAR相位展开的局限性，保持陡峭或不连续地形结算结果的唯一性。多频率MSAR技术，可以扩大相位模型距离从而避免相位展开；可以避免相邻干涉相位小于η的限制。从而，多频率、多基线MSAR对坡度较大或不连续区域的地形也能够获得较好的DEM。高程精度是衡量^SAR系统性能的关键指标之一，也是非常重要的^SAR系统指标之一。一方面，DEM的获取精度本质上主要受限于hSAR高程精度。另一方面，InSAR系统设计和总体分析时，也都需要^SAR的高程精度作为指导。因此，对于多频率、多基线^SAR 系统而言，分析多频率hSAR、多基线^SAR的高程估计精度具有重要意义。
本发明涉及了多频率hSAR、多基线^SAR高程估计精度等效性确定方法。该方法从干涉相位的概率密度函数出发，然后计算多频率^SAR和多基线^SAR高程估计的克拉美-罗界(Cramer-Rao lowerbound,简称CRLB)。在此基础上，得到多频率hSAR和多基线 InSAR在提高高程估计精度方面的等效性，并且提出了等效的条件。
发明内容
1、目的本发明的目的是为了提供一种星载多频率与多基线hSAR高程估计精度等效性确定方法，它是多频率与多基线技术在提高^SAR高程估计精度方面等效性的分析与确定方法，并且本发明说明了这两种技术的等效条件。该方法可以为多频率^iSAR或者多基线^SAR系统设计和总体分析提供理论依据；也可以为获取全球、高精度DEM提供理论支持。2、技术方案本发明一种星载多频率与多基线^SAR高程估计精度等效性确定方法，它是多频率与多基线技术在提高^SAR高程估计精度方面等效性的分析与确定方法。 本发明利用最大似然估计(Maximum Likelihood Estimation, MLE)方法进行多频率、多基线MSAR高程估计，采用CRLB对其高程估计精度进行分析。而MLE和CRLB都是以干涉相位的概率密度函数为基础的。因此，本发明首先分析干涉相位的概率密度函数；然后，根据干涉相位的概率密度函数，分别确定多频率^SAR和多基线^SAR高程估计的最大似然函数， 从而计算其CRLB ；最后，本发明在分析CRLB的基础上，确定了多频率hSAR、多基线hSAR 高程估计精度等效性，并且提出等效的条件。为了便于阐述多频率、多基线hSAR高程估计方法，下面首先给出单通道(单频率单基线)InSAR高程估计原理。单通道hSAR高程估计几何模型如
图1所示。多基线hSAR 高程估计几何模型，是单通道几何模型的扩展，如图2所示。而多频率MSAR高程估计可以是基于单通道MSAR高程估计几何模型，对信号进行子带分割；也可以是基于多通道MSAR 高程估计几何模型，每个通道发射不同频率的脉冲信号。对于单通道/多通道中的第一个通道，根据图1的几何关系可以得到Δ φ = <ah+n>2lI(1)其中，<>2 为模2 π操作，Δ φ为干涉相位，η为去相关噪声，h为目标的高程。a 为高程传递系数，且(2) ARsinO式子O)中，B为干涉基线，β为基线倾角，λ为信号波长，R为波束中心斜距，θ 为雷达下视角。在此hSAR几何关系的基础上，给出星载多频率hSAR和多基线hSAR高程估计精度等效性确定方法的框图，如图3所示。本发明一种星载多频率和多基线^iSAR高程估计精度等效性确定方法，该方法以SAR单视复图像为例，多视的情况会有相同的结果，其具体步骤如下步骤一给出干涉相位概率密度函数在单视条件下，干涉相位Δ φ的概率密度函数ρ ( Δ φ )为
权利要求
1. 一种星载多频率和多基线^SAR高程估计精度等效性确定方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一给出干涉相位概率密度函数从单通道InSAR高程估计几何模型得到Δ φ = < α h+n>2,(1)其中，<>2π为模操作，Δ φ为干涉相位，η为去相关噪声，h为目标的高程，α为高程传递系数，且AMm θ式子O)中，B为干涉基线，β为基线倾角，λ为信号波长，R为场景中心斜距，θ为雷达下视角；在单视条件下，干涉相位Δ φ的概率密度函数ρ(Δ φ)为 Λ\χ\ cos (Δ 於-φ0) arccos cos (Δ 於-φ{)))刺=-^2π1 +」0-(1,1 cos (Δ於-我))2(3)其中，Y为复相关系数，并且cK = arg(Y)；由式子(1) (2)和(3)，得知单视条件下，干涉相位△ Φ服从如下式所示的条件概率，厂(碑)=~r--i“ 1 _ cos (Δ 彡 _ / ))2π1 +Λcos (Δ 於-ah、arccos (_ cos (Δ 於-ahy\cos [Κφ - ctr/ ))2(4)步骤二 获取多频率、多基线^SAR高程估计的最大似然函数 (1)多频率MSAR高程估计的最大似然函数对于多频率MSAR高程估计而言，它无论是基于单通道MSAR几何关系，还是基于多基线^iSAR几何关系，多频率^iSAR高程估计的本质都是，利用频率的多样性消除单频率 InSAR高程估计时的高程模糊；为保证发射信号间的正交性，假设各观测信号的频谱互不重叠，此时，各干涉相位间是统计独立的，多频率^SAR的观测数据的联合概率密度函数为Mρ人⑷具…,M>m \h) = Y\p^m\h)(5)w=l其中，M为观测信号的频率数目，ρ(Δ CtiJh)可以由式子⑷计算得到，此时， JnBco^-P) Fm AmRsmO{)mXm不同，即频率不同；(2)多基线hSAR高程估计的最大似然函数多基线^iSAR高程估计的本质是，利用基线的多样性消除单基线^iSAR高程估计时的高程模糊；由于各干涉相位间是统计独立的，多基线^SAR的观测数据的联合概率密度函数为
全文摘要
一种星载多频率和多基线InSAR高程估计精度等效性确定方法，它有四大步骤一、给出干涉相位概率密度函数；二、获取多频率、多基线InSAR高程估计的最大似然函数；三、计算多频率、多基线InSAR高程估计的CRLB；四、多频率InSAR与多基线InSAR测高精度等效性分析。本发明从干涉相位的概率密度函数出发，然后计算多频率InSAR和多基线InSAR高程估计的克拉美-罗界即CRLB，在此基础上，从而得到多频率和多基线InSAR在提高高程估计精度方面的等效性并提出了等效的条件。它为多频率InSAR或者多基线InSAR系统设计和总体分析提供了理论依据，也为获取全球、高精度DEM提供了理论支持。它在信号处理技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。
文档编号G01S13/90GK102508245SQ201110369978
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者尤亚楠, 徐华平, 李爽 申请人:北京航空航天大学