一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基sar大氣延遲改正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，屬于微波遙感 測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，主要是應(yīng)用在小范圍、高精度、多時(shí)相的地表變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 地基SAR是在星載SAR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)雷達(dá)微波遙感測(cè)量新型技術(shù)，具 有使用靈活、平臺(tái)穩(wěn)定、分辨率高、全天時(shí)全天候連續(xù)獲取高分辨率變形信息等優(yōu)勢(shì)。目前 在邊坡、大壩、建筑物、橋梁等變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的研宄與應(yīng)用。但是地基SAR也 存在著系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定、大氣延遲、目標(biāo)散射特性變化和噪聲等誤差的影響，極大的限制其 在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。
[0003] -般的地基SAR采用高頻信號(hào)如步進(jìn)頻率連續(xù)波（SF-CW)作為傳播信號(hào)，由此帶 來的一個(gè)問題就是高頻信號(hào)易受大氣影像。大氣效應(yīng)尤其是大氣水汽含量在時(shí)間和空間上 的變化引起的雷達(dá)信號(hào)的延遲是雷達(dá)干涉測(cè)量中難以消除的誤差之一，是制約雷達(dá)干涉測(cè) 量監(jiān)測(cè)精度提高的主要因素。
[0004] 地基SAR差分干涉測(cè)量要求具有很高的精度，視線方向一般都要達(dá)到毫米或亞毫 米級(jí)。有研宄表明，對(duì)于地基SARIBIS-L系統(tǒng)，在20°CIKM的距離上，僅1%濕度的變化可 導(dǎo)致的觀測(cè)值誤差約為2_，因此大氣延遲誤差對(duì)地基SAR差分干涉測(cè)量的影響是不可忽 略的。
[0005] 目前大氣擾動(dòng)的校正方法主要有氣象數(shù)據(jù)補(bǔ)償法和穩(wěn)定點(diǎn)法。氣象數(shù)據(jù)補(bǔ)償法主 要是利用已獲取的雷達(dá)信號(hào)傳播路徑上的溫度、氣壓、濕度等氣象參數(shù)，建立氣象參數(shù)與大 氣折射指數(shù)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算大氣延遲并予以改正；穩(wěn)定點(diǎn)法利用無變形的穩(wěn)定點(diǎn)獲取大 氣延遲量，建立視線向大氣延遲與觀測(cè)距離的關(guān)系，推算待測(cè)點(diǎn)的視線向大氣延遲。氣象數(shù) 據(jù)補(bǔ)償法受獲取的氣象參數(shù)采集位置及精度影響，精度較低。穩(wěn)定點(diǎn)法精度取決于大氣的 一致性及穩(wěn)定點(diǎn)位置分布等。這兩種方法均認(rèn)為大氣延遲在方位向滿足某種規(guī)律，用幾個(gè) 雷達(dá)視線向大氣延遲代表其他像元的大氣延遲，未考慮大氣延遲在方位向的擾動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種考慮了大氣延遲在方位向的擾動(dòng)，提高 了地基SAR干涉測(cè)量精度的基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] 一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，其特征在于：包括以下步 驟：
[0009] 步驟一：選取時(shí)間序列地基SAR影像中的相干像元；
[0010] 步驟二：根據(jù)垂線測(cè)量和全站儀測(cè)量信息在地基SAR影像中選取位移不隨時(shí)間發(fā) 生變化的穩(wěn)定像元，計(jì)算兩個(gè)不同時(shí)刻地基SAR影像中穩(wěn)定像元的干涉相位；
[0011] 步驟三：將大氣延遲作為線性變化考慮推算穩(wěn)定像元在雷達(dá)視線向的大氣擾動(dòng)因 子；
[0012] 步驟四：計(jì)算非穩(wěn)定像元（i，j)的大氣擾動(dòng)因子，考慮大氣延遲在方位向的相關(guān) 性，非穩(wěn)定像元（i，j)的大氣擾動(dòng)因子根據(jù)其到穩(wěn)定像元的距離加權(quán)計(jì)算；
[0013] 步驟五：由非穩(wěn)定像元的大氣擾動(dòng)因子乘以幾何距離得到其大氣延遲量。
[0014] 步驟三中的雷達(dá)視線向即地基SAR系統(tǒng)測(cè)量時(shí)所發(fā)射雷達(dá)脈沖方向。
[0015] 步驟四里的方位向的意思簡(jiǎn)單來說就是大氣延遲在不同的方向上是不同的。
[0016] 步驟一所采用的選取方法為雙閾值相干目標(biāo)選取法；所述雙閾值相干目標(biāo)選取法 包括平均相干系數(shù)閾值法和振幅離差指數(shù)閾值法；
[0017] 平均相干系數(shù)閾值法的方案步驟如下：
[0018] 相干系數(shù)Y是定義在兩個(gè)隨機(jī)平穩(wěn)序列S1U)和S2 (t)上的，假設(shè)S1 (t)和S2 (t) 各態(tài)歷經(jīng)，利用窗口大小為L(zhǎng)的空間平均代替匯集平均，以f作為Y的估計(jì)，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，其特征在于：包括以下步 驟： 步驟一：選取時(shí)間序列地基SAR影像中的相干像元； 步驟二：根據(jù)垂線測(cè)量和全站儀測(cè)量信息在地基SAR影像中選取位移不隨時(shí)間發(fā)生變 化的穩(wěn)定像元，計(jì)算兩個(gè)不同時(shí)刻地基SAR影像中穩(wěn)定像元的干涉相位； 步驟三：將大氣延遲作為線性變化考慮推算穩(wěn)定像元在雷達(dá)視線向的大氣擾動(dòng)因子； 步驟四：計(jì)算非穩(wěn)定像元（i，j)的大氣擾動(dòng)因子，考慮大氣延遲在方位向的相關(guān)性，非 穩(wěn)定像元（i，j)的大氣擾動(dòng)因子根據(jù)其到穩(wěn)定像元的距離加權(quán)計(jì)算； 步驟五：由非穩(wěn)定像元的大氣擾動(dòng)因子乘以幾何距離得到其大氣延遲量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，其特 征在于：步驟一所采用的選取方法為雙閾值相干目標(biāo)選取法；所述雙閾值相干目標(biāo)選取法 包括平均相干系數(shù)閾值法和振幅離差指數(shù)閾值法； 平均相干系數(shù)閾值法的方案步驟如下： 相干系數(shù)γ是定義在兩個(gè)隨機(jī)平穩(wěn)序列S1 (t)和S2(t)上的，假設(shè)S1 (t)和S2 (t)各態(tài) 歷經(jīng)，利用窗口大小為L(zhǎng)的空間平均代替匯集平均，以f作為γ的估計(jì)，
式（1)中，sJP s 2表示構(gòu)成干涉像對(duì)的兩幅地基SAR影像，s i (M)和s2 (M)表示對(duì)應(yīng)像 元的復(fù)數(shù)，*表示復(fù)數(shù)共軛，M是像素坐標(biāo)；;P的大小介于O與1之間，r越大表示地基SAR 影像間的相干性較好； 連續(xù)觀測(cè)模式中，N+1幅地基SAR影像采用相鄰干涉模式得N個(gè)干涉對(duì)，由式（1)計(jì)算 相干系數(shù)Yi, i = 1，2…N，則平均相關(guān)系數(shù)均值^為
根據(jù)相干目標(biāo)數(shù)量與平均相干系數(shù)之間的關(guān)系，給定閾值7將大于閾值；的像 元作為相干目標(biāo)初選結(jié)果； 振幅離差指數(shù)閾值法的方案步驟如下：該方法在時(shí)間序列地基SAR影像中求取每個(gè)像 元的振幅均值％及標(biāo)準(zhǔn)差〇 A，按下式計(jì)算振幅離差指數(shù)Da Da= 〇 A/mA (3) 同樣的，根據(jù)相干目標(biāo)數(shù)量與振幅離差指數(shù)之間的關(guān)系，給定閾值Td= 0.25,當(dāng)D/J、 于閾值Td時(shí)即被選為相干像元，相干像元是指相位信息穩(wěn)定、散射特性穩(wěn)定、不受時(shí)間失相 關(guān)影響的像元，這里的相干像元為從所述相干目標(biāo)初選結(jié)果中精選出的像元； 雙閾值相干目標(biāo)選取法就是利用上述的相干系數(shù)閾值法和振幅離差指數(shù)閾值法提供 的閾值G和閾值Td來選取時(shí)間序列地基SAR影像中的相干像元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，其 特征在于：步驟二中計(jì)算兩個(gè)不同時(shí)刻地基SAR影像中穩(wěn)定相干像元的干涉相位的方法如 下： 對(duì)地基SAR而言，小區(qū)域短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為大氣介質(zhì)的空間分布是均勻的，大氣折射指 數(shù)只與時(shí)間有關(guān)，若不考慮折射，僅考慮幾何距離Ye(i，j)上的大氣延遲，將其他因素歸為 觀測(cè)噪聲同時(shí)考慮相對(duì)參考時(shí)刻h的變形相位則其相位波可表示為：
式（4中）Δη(?)為大氣折射指數(shù)差； 若采用連續(xù)觀測(cè)模式，即保持地基SAR影像不動(dòng)，γ<;α，j)保持不變，則不同相位ρ， q(P〈q)的地基SAR影像其干涉相位表示為： A
所述穩(wěn)定相干像元為同時(shí)滿足穩(wěn)定像元和相干像元的條件的像元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，其特 征在于：步驟三的推算方法如下： 設(shè)影像中有C個(gè)穩(wěn)定像元（i。，j。)，。e C，即=的(4，Λ)=〇,另外，為削弱噪聲 影響，選取高質(zhì)量的相干目標(biāo)進(jìn)行干涉處理，即根據(jù)式（6)有：
設(shè)在小區(qū)域內(nèi)大氣一致性較好，可將大氣延遲作為線性考慮，則大氣延遲滿足：
式（8)中，為單位長(zhǎng)度的大氣延遲量，若監(jiān)測(cè)區(qū)域雷達(dá)視線向大氣延遲一致性較 好，則對(duì)任意c e C，應(yīng)近似相等，則有
上式變化為：
反應(yīng)了 P到q時(shí)刻穩(wěn)定像元單位長(zhǎng)度大氣延遲量的變化，定義其為大氣擾動(dòng)因子； 同時(shí)定義：
dK為大氣擾動(dòng)因子長(zhǎng)度，其反應(yīng)了大氣擾動(dòng)的變化程度，dK值較小說明大氣延遲變化 一致，dK值較大說明大氣延遲變化不均勻；設(shè)定閾值(1?= 0. 002,若dK>dK μ則將q時(shí)刻地 基SAR影像去除。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，其特 征在于：步驟四中非穩(wěn)定像元（i，j)的大氣擾動(dòng)因子的計(jì)算公式為：
式（12)、（13)中式中，1為穩(wěn)定像元，I e C' ；P1為1的加權(quán)因子，C'為實(shí)驗(yàn)所選取的 穩(wěn)定像元1的集合，士是所求非穩(wěn)定像元與穩(wěn)定像元1的距離，d。為所求非穩(wěn)定像元依次 與穩(wěn)定像元集合C'中每個(gè)穩(wěn)定像元之間的距離。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟一：選取時(shí)間序列地基SAR影像中的相干像元；步驟二：計(jì)算兩個(gè)不同時(shí)刻地基SAR影像中穩(wěn)定像元的干涉相位；步驟三：推算穩(wěn)定像元在雷達(dá)視線向的大氣擾動(dòng)因子；步驟四：計(jì)算非穩(wěn)定像元的大氣擾動(dòng)因子；步驟五：由非穩(wěn)定像元的大氣擾動(dòng)因子乘以幾何距離得到其大氣延遲量。本發(fā)明提供的一種基于穩(wěn)定像元加權(quán)的地基SAR大氣延遲改正方法，大氣延遲現(xiàn)象對(duì)地基SAR干涉測(cè)量精度的影響嚴(yán)重，利用基于穩(wěn)定點(diǎn)加權(quán)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)地基SAR的大氣延遲改正，從而提高地基SAR干涉測(cè)量的精度。
【IPC分類】G01S13-90, G01S7-40, G01S7-41, G06F19-00
【公開號(hào)】CN104678392
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510026672
【發(fā)明人】黃其歡, 周偉, 劉學(xué)敏, 徐晶鑫, 夏磊凱
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月19日