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《机载毫米波三基线InSAR技术》可供从事雷达系统、雷达信号处理、微波成像等领域科技人员参考 使用，也可作为高等院校相关专业的教学和研究资料。
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| 內容簡介： |
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InSAR是在SAR基础上发展起来的一项遥感技术，目前已在地形测 绘、形变监测等相关领域取得了重要的应用成果。机载毫米波InSAR特别 适合提取观测对象的表面信息，并形成观测区域的高精度数字表面模型。 《机载毫米波三基线InSAR技术》共分11章，首先介绍InSAR的基本原理和数据处理方法，讨论机载毫 米波InSAR的基线优化问题;结合机载毫米波三基线InSAR原理样机设 计和飞行试验情况，重点介绍机载毫米波三基线InSAR的系统误差校正、 相位解缠和高程反演方法;同时介绍基于时变基线的机载InSAR数据处理 方法、图像数据压缩方法、基于压缩感知的InSAR稀疏采样和信号处理方 法;最后结合未来应用方向，对机载KaL双波段InSAR植被高度测量系 统进行分析。
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| 目錄：
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前言
第1章 概论
1.1 研究意义
1.2 国外研究现状
1.2.1 机载毫米波SAR
1.2.2 机载毫米波InSAR
1.2.3 星载毫米波InSAR
1.3 国内研究现状
1.4 机载毫米波三基线InSAR原理样机飞行试验情况
1.5 毫米波InSAR的应用方向
1.6 本书的内容安排
参考文献
第2章 InSAR的基本原理和数据处理方法
2.1 引言
2.2 InSAR基本概念
2.3 InSAR基本原理
2.4 InSAR数据处理流程
2.5 InSAR成像处理算法
2.5.1 基于ECS的自动配准成像处理算法原理
2.5.2 改进的基于ECS的自配准成像处理算法流程
2.6 机载InSAR运动补偿方法
2.6.1 双参考轨迹法
2.6.2 改进型双参考轨迹法
2.6.3 两种运动补偿方法的比较
2.7 基于POS的机载InSAR数据处理
2.8 小结
参考文献
第3章 机载毫米波InSAR多基线优化设计
3.1 引言
3.2 InSAR几何模型
3.3 InSAR高程模糊
3.4 毫米波InSAR相位解缠
3.4.1 单基线相位解缠
3.4.2 多基线相位解缠
3.5 基于中国余数定理的机载毫米波InSAR三基线优化设计
3.5.1 中国余数定理
3.5.2 基于中国余数定理的三基线相位解缠方法
3.5.3 相位噪声的影响分析
3.5.4 基线构型误差的影响分析
3.5.5 机载毫米波InSAR的三基线构型优化设计
3.6 基于倒数互质关系的多基线构型研究
3.6.1 理论分析
3.6.2 三维棋盘空间的解释
3.6.3 基于倒数互质的三基线InSAR设计范例
3.7 小结
参考文献
第4章 机载毫米波三基线InSAR原理样机系统设计
4.1 引言
4.2 系统方案设计
4.2.1 基线构型
4.2.2 工作模式
4.2.3 系统组成
4.3 系统参数设计和分析
4.3.1 系统带宽
4.3.2 作用距离
4.3.3 测绘幅宽
4.3.4 采样点数和数据率
4.3.5 接收机动态范围和增益
4.3.6 相位噪声的影响分析
4.3.7 高程测量精度分析
4.3.8 不模糊高程分析
4.4 硬件设计与实现
4.4.1 天线
4.4.2 矩阵开关
4.4.3 收发子系统
4.4.4 数据采集和记录器
4.4.5 稳定平台
4.4.6 位置和姿态测量系统
4.5 数据处理
4.5.1 运动补偿和成像处理
4.5.2 干涉相位解缠和滤波
4.6 小结
参考文献
第5章 毫米波三基线InSAR系统误差地面校正和信号分析
5.1 引言
5.2 系统描述
5.3 系统误差校正方案
5.3.1 距离向幅相误差提取
5.3.2 距离向幅相误差校正
5.3.3 通道间幅相误差校正
5.4 系统误差校正后的信号分析
5.4.1 脉冲压缩处理
5.4.2 通道间干扰分析
5.4.3 系统相位稳定性
5.4.4 慢时间频谱分析
5.4.5 幅相一致性分析
5.5 地面测试试验
5.6 实际飞行数据处理结果
5.7 小结
参考文献
第6章 毫米波三基线InSAR系统参数飞行估计和校正
6.1 引言
6.2 三基线InSAR高程测量模型
6.3 基于敏感度方程的系统误差分析
6.4 系统误差粗估计
6.4.1 基于机械参考的横滚角、俯仰角和偏航角安装偏置误差检查
6.4.2 基于多普勒中心频率的误差估计
6.4.3 系统斜距误差估计
6.4.4 基线倾角误差和干涉初相粗估计
6.5 系统误差精估计
6.5.1 基于敏感度方程的干涉定标算法
6.5.2 基于最优化模型的三基线联合定标算法
6.6 毫米波三基线InSAR系统参数飞行估计和校正处理流程
6.7 实际数据处理
6.7.1 基于多普勒中心频率的误差估计
6.7.2 地面特征点的选取和斜距误差估计
6.7.3 基线倾角和干涉初相粗估计
6.7.4 基于最优化模型的三基线联合校正处理
6.8 小结
参考文献
第7章 毫米波三基线InSAR的相位解缠及其高程反演
7.1 引言
7.2 三基线相位解缠绕基本原理
7.3 基于聚类分析的三基线相位解缠绕方法
7.3.1 三基线的聚类分析
7.3.2 三基线相位解缠方法
7.4 仿真数据处理
7.5 实际数据处理
7.6 小结
参考文献
第8章 基于BP算法和时变基线的机载InSAR数据处理
8.1 引言
8.2 传统机载InSAR数据处理中的问题
8.2.1 波束中心近似导致的相位误差
8.2.2 地形高程未知导致的相位误差
8.2.3 相位误差数值分析
8.3 基于BP算法和时变基线的InSAR数据处理方法
8.3.1 BP成像算法
8.3.2 基于BP算法的干涉处理模型
8.3.3 时变基线干涉处理方法
8.3.4 干涉处理流程
8.3.5 适用条件
8.4 仿真试验
8.5 实际数据处理
8.6 小结
参考文献
第9章 机载InSAR图像数据压缩
9.1 引言
9.2 机上信号处理方法
9.2.1 机上数据压缩方法
9.2.2 机上信号处理流程
9.3 数据压缩性能的评价方法
9.4 仿真数据处理结果及压缩性能分析
9.5 实际数据处理结果及其压缩性能分析
9.6 小结
参考文献
第10章 基于压缩感知的InSAR成像处理
10.1 引言
10.2 InSAR信号稀疏性
10.2.1 InSAR几何与信号稀疏性
10.2.2 基于CS理论的稀疏重建
10.3 信号处理方法
10.4 试验和处理结果
10.4.1 试验描述和评价准则
10.4.2 一维数据仿真试验
10.4.3 圆锥数据仿真试验
10.4.4 实际数据处理结果
10.5 小结
参考文献
第11章 机载KaL双波段InSAR植被高度测量系统分析
11.1 引言
11.1.1 极化干涉估计植被高度存在的主要问题
11.1.2 基于KaL双频InSAR的植被高度测量方法
11.2 机载KaL双频InSAR植被高度测量系统方案设计
11.2.1 信号处理流程
11.2.2 系统组成和布局
11.2.3 发射机和天线的形式
11.3 系统参数分析
11.3.1 工作带宽和频率选择
11.3.2 天线参数
11.3.3 作用距离和幅宽分析
11.3.4 基线设计和高程模糊分析
11.4 系统性能分析
11.4.1 高程测量精度分析
11.4.2 L波段全极化干涉获取DTM的高程精度分析
11.4.3 植被高度估计精度分析
11.5 小结
参考文献
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| 內容試閱：
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第1章概论
1.1研究意义合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，SAR）是20世纪50年代初提出的一种微波成像技术，它能够借助平台的运动实现长孔径综合以达到对观测区域的高分辨率成像。作为一种主动遥感设备，SAR能够实现全天时、全天候、远距离对地观测［1，2］。干涉合成孔径雷达（InterferometricSyntheticApertureRadar，In-SAR）［3］是在SAR的基础上发展起来的一项遥感技术。InSAR利用两部具有一定视角差的天线进行成像，并对获取的两幅复图像数据进行干涉处理得到干涉相位，经反演得到观测区域的数字高程模型。InSAR以其独特的三维信息获取能力，受到了世界各国的高度重视，目前已发展出双天线、重轨、多基线等多种干涉工作模式，并覆盖P、L、C、X、Ku等多个波段，已在地形测绘、形变监测等相关领域取得了重要的应用成果。与激光、红外和可见光谱段相比，毫米波段（Ka波段）的电磁波对烟尘、云雾有较强的穿透能力，毫米波SAR具有较强的全天候、全天时对地观测性能;由于波长较短，与厘米波段相比，毫米波SAR更易于实现超高分辨率成像，在同样长度的交轨干涉基线下，毫米波InSAR也更容易实现高精度的高程测量;毫米波对地面目标（如植被）的穿透能力远小于厘米波，因此特别适合提取观测对象的表面信息，并形成观测区域的高精度数字表面模型（DigitalSurfaceModel，DSM）［4-8］。基于上述特点，毫米波InSAR技术及其应用已成为近年来的研究热点，开展毫米波InSAR系统及其关键技术研究对提高我国InSAR技术水平具有重要意义。
1.2国外研究现状
1.2.1机载毫米波SAR高分辨率毫米波SAR一般用于机载环境，国外在此领域开展研究工作较多的单位有美国Sandia实验室和德国FGAN研究所，已形成无人机载系列产品并投入实际应用。图1.1给出了Sandia实验室Ka波段SAR和Ku波段SAR［9］对同一场景目标的成像结果，两个波段SAR的分辨率均为0.1m，但Ka波段图像的细腻程度明显优于Ku波段。图1.1Sandia实验室Ka波段和Ku波段SAR图像值得注意的是，目前已有较多的机载毫米波SAR采用了FMCW体制［10，11］，以使SAR系统简化，并适用于小型无人机载体。
1.2.2机载毫米波InSAR随着毫米波SAR技术水平的不断提高，毫米波InSAR的研制工作也取得了图1.2Ka波段多基线InSAR试验系统MEMPHIS很大进展。2008年6月的EUSAR年会上，德国FGAN研究所报道了他们研制的Ka波段近程多基线InSAR系统MEM-PHIS及其试验结果［12］，图1.2为其试验系统照片，图1.3为该系统获得的二维图像和对应的DSM。将该系统获取的DSM结果和激光雷达获取的结果进行了比较，高程精度达到2.26m。毫米波InSAR易于获取观测区域的高精度DSM的特点，使其在冰川厚度探测方面得到应用。美国JPL实验室在2008年研制了机载Ka波段InSAR系统GLISTIN，并在2009年1月结合L波段的UAVSAR针对冰盖表面和冰层厚度探测进行了飞行试验，经过数据处理后，冰盖地区DSM高程测量精度在近端为0.3m，远端为3m［7，8］。1.2.3星载毫米波InSAR由于毫米波SAR天线体积小、质量轻，在同等高程精度要求下所需基线较短，因此容易实现单轨双天线干涉，可避免重轨时间去相干的问题，近两年来星载毫米波InSAR引起了西方国家的高度重视。
图1.3MEMPHIS获取的二维图像和对应的DSM美国国家航空航天局（NASA）为了实现在精确尺度上研究全球海洋和陆地水体的变化和循环，制定了SWOT（SurfaceWaterOceanTopography）计划，其核心是利用大幅宽的星载Ka波段InSAR系统KaRIN获取和监视陆地和海洋水体表面的高度［13］。该毫米波InSAR对水体表面的平面二维分辨率只需要达到10m量级，而高程精度则要达到厘米级。与此同时，欧洲太空局、德国宇航院也将星载毫米波InSAR列入发展计划，并提出了多个星载Ka波段InSAR系统的概念设计［14，15］。可以预见，在不远的将来，星载毫米波InSAR也会进入实际应用阶段。
1.3国内研究现状在国家多个科技计划的支持下，近年来我国的合成孔径雷达技术得到了长足的发展，已经研制装备了多种星载、机载和无人机载SAR系统，其数据产品也获得了广泛的应用。在机载InSAR方面，中国科学院电子学研究所研制的X波段双天线InSAR高程精度达到了0.5m，成功应用于西部1∶10000比例尺测图。基于在机载InSAR领域坚实的技术基础，在国家“863”计划的支持下，中国科学院电子学研究所在2011年研制出我国第一个机载毫米波三基线InSAR原理样机，并于2011年5月在运12飞机上完成了飞行试验［16］，文献［17］和［18］给出了相关的研究情况。2013年，中国航天科工集团第二研究院二十三所（23所）也研制出了机载毫米波InSAR原理样机，文献［19］给出了其飞行试验的数据处理结果。
1.4机载毫米波三基线InSAR原理样机飞行试验情况中国科学院电子学研究所研制的机载毫米波三基线InSAR原理样机在运12飞机上的装机情况如图1.4所示。图1.4运12飞机和毫米波InSAR的天线安装情况2011年5月16日和17日，该原理样机的飞行试验在陕西大荔县空域进行，测区中心位置为东经109.8°，北纬34.7°，共飞行两个架次。飞行速度为170～200kmh，飞行海拔高度约3000m，数据获取测区的经纬度情况如图1.5所示。图1.5飞行试验测区的经纬度情况（1）对平地场景二维成像情况。图1.6是毫米波三基线InSAR原理样机对一平地场景的二维成像情况，图1.7是对该场景进行辐射校正后获得的二维图像。
图1.6平地场景的二维成像情况图1.7辐射校正后的二维图像（2）对高程起伏地形的干涉处理和DSM反演结果。图1.8是毫米波三基线InSAR原理样机对一高程起伏地形的二维成像情况，图1.9是不同基线干涉处理得到的干涉条纹。图1.8高程起伏地形的二维成像情况图1.9高程起伏地形的干涉条纹图1.10是毫米波三基线InSAR原理样机对高程起伏地形用0.4m单基线获得的DSM反演结果和实际场景标注情况。图1.10对高程起伏地形反演的DSM和实际场景标注情况该机载毫米波InSAR原理样机工作在Ka波段，设计了三条基线以扩大不模糊高程测量范围，使用光学遥感设备稳定平台、采用毫米波开关完成不同通道射频信号的切换，使用一路接收机实现宽带信号接收，使用我国自研的小型位置和姿态测量系统（POS）完成成像处理和DSM反演。与德国的近程多基线毫米波InSAR和美国JPL的单基线毫米波InSAR相比，其基于中低空飞行平台的总体设计和技术实现方案具有一定的先进性。经初步飞行试验验证，在3000m航高上的二维成像分辨率高于0.5m，相对高程测量精度高于1m。机载毫米波三基线InSAR原理样机的研制成功，标志着我国将InSAR技术拓展到毫米波段。1.5毫米波InSAR的应用方向毫米波InSAR的技术特点使星载和机载毫米波InSAR的数据都具有良好的应用前景。现阶段看来，除用于地形测绘，毫米波InSAR的一个重要的应用方向就是植被高度测量。植被（如森林）作为生物圈重要的组成部分，参与了全球碳水循环，对人类赖以生存的生态环境起着重要的作用。植被高度及其主体结构信息等关键参数的提取，对研究全球生态系统具有重要的意义，同时对生物量估计、农作物产量预测也具有重要价值，因此该技术在遥感领域受到了广泛的关注。目前，极化干涉合成孔径雷达（PolarimetricandInterferometricSyntheticApertureRadar，PolInSAR）技术已发展成为一种比较有效的植被高度估计方法，该方法将极化和干涉技术相结合，采用适当的处理模型如RVoG、ERVoG、OVoG等，利用波长较长的P或L波段信号在穿透植被时的衰减对极化干涉系数的影响来估计地形相位中心和植被高度等信息。加拿大Intermap公司研制的机载L波段PolInSAR试验系统TOPSAR［20］对实际数据的处理结果显示了该方法的有效性。但是在实际使用中，由于处理模型及其参数的选择和地面植被的类型有较强的关系，不同类型植被的地体幅度比不同，在缺乏先验知识的情况下，植被高度的估计精度会大幅下降。经过分析，L波段PolInSAR获取的植被冠层高程精度低于获取的地面高程精度，为此可考虑引入毫米波InSAR提高对植被冠层的高程测量精度，并形成KaL双波段InSAR的植被高度测量方法。上述双波段InSAR系统包括Ka波段单极化InSAR和L波段全极化干涉SAR。根据毫米波对植被冠层穿透性较差的特点，可用Ka波段InSAR获取高精度的植被冠层DSM，同时利用L波段极化干涉获取地面相位中心，进一步反演获得植被覆盖区域的数字地形模型（DigitalTerrainModel，DTM）。将所获取的DSM和DTM进行匹配处理后相减即可得到植被高度。
作为一种新的植被高度测量方法，KaL双波段InSAR不仅具有明显的技术优势，而且具有重要的应用价值，毫米波InSAR在提高测量精度方面将发挥重要的作用。1.6本书的内容安排本书是著者近年来在机载毫米波InSAR技术领域的研究工作总结，共分11章，各章具体内容安排如下。第1章为概论。主要介绍毫米波InSAR的研究意义、研究现状、原理样机飞行试验情况及应用方向。第2章为InSAR的基本原理和数据处理方法。主要介绍InSAR的基本概念、基本原理、数据处理流程、成像处理算法、机载InSAR运动补偿方法和基于POS的机载InSAR数据处理等。第3章为机载毫米波InSAR多基线优化设计。介绍基于中国余数定理的多基线相位解缠技术，分析噪声干扰条件下基线构型的影响，给出毫米波InSAR的多基线构型设计准则。第4章为机载毫米波三基线InSAR原理样机系统设计。介绍我国第一个机载毫米波三基线InSAR原理样机的系统设计情况和实现方案。第5章为毫米波三基线InSAR系统误差地面校正和信号分析。分析毫米波三基线InSAR系统幅相误差校正问题，给出地面测试试验方案，介绍实测数据的处理和分析结果。第6章为毫米波三基线InSAR系统参数飞行估计和校正。建立机载毫米波三基线InSAR高程测量模型，分析系统误差对高程测量精度的影响，介绍一种系统误差粗估计和精估计相结合的误差估计方法，给出实际系统参数的估计和分析结果。第7章为毫米波三基线InSAR的相位解缠及其高程反演。介绍一种改进的基于聚类分析的三基线相位解缠绕方法，以解决对场景中高程突变地物的数字高程反演问题，并给出实际数据的处理结果。第8章为基于BP算法和时变基线的机载InSAR数据处理。分析传统机载InSAR数据处理方法存在的问题，介绍基于BP算法和时变基线的机载InSAR数据处理方法，给出其干涉处理模型、算法流程和适用条件。第9章为机载InSAR图像数据压缩。为解决机载InSAR数据的实时传输问题并提高其在应急情况下使用的时效性，设计机上信号处理流程，给出机上数据压缩方法，并对其数据压缩性能进行分析。第10章为基于压缩感知的InSAR成像处理。分析InSAR信号的稀疏性，介绍稀疏采样和信号处理方法以及稀疏重建的评价准则，给出仿真和实际数据处理结果。第11章为机载KaL双波段InSAR植被高度测量系统分析。针对目前L波段极化干涉SAR测量植被高度方法所存在的问题，给出一种基于KaL波段的双波段InSAR测量植被高度方法，对雷达系统和参数进行论述，通过仿真计算对系统性能进行分析。
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